Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ВВЕДЕНИЕ
Машиностроение является основой научно-технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства. Непрерывное совершенствование и развитие машиностроения связано с прогрессом станкостроения, поскольку металлорежущие станки вместе с некоторыми другими видами технологических машин обеспечивают изготовление любых новых видов оборудования.
Партия и правительство всегда придавали большое значение развитию станкостроения, основы которого были заложены в годы первых пятилеток. Уже перед Великой Отечественной войной Советский Союз был крупной станкостроительной державой, обеспечивающей выпуск необходимого количества универсальных и специальных станков, большого числа автоматических станочных линий для ведущих отраслей машиностроения. Под руководством академика В. И. Дикушина были разработаны теоретические основы агрегатирования, реализованные в конструкциях многошпиндельных агрегатных станков и в автоматических линиях для обработки корпусных деталей. Профессора Н. С. Ачеркан и Н. В. Игнатьев опубликовали важнейшие положения о регулируемом главном приводе станков, а профессор Г. М. Головин разработал принципы кинематики станков.
Во время Великой Отечественной войны станкостроение вместе со всеми другими отраслями промышленности выпускало продукцию военного времени, а также специальные станки для ее производства. После войны началось восстановление и совершенствование различных отраслей машиностроения на базе непрерывно увеличивающегося выпуска специальных станков, автоматов и автоматических линий.
В этот период крупнейшие теоретические разработки в области станковедения были осуществлены в Экспериментальном научно- исследовательском институте металлорежущих станков, а также в Московском станкоинструментальном институте, МВТУ имени Н. Э. Баумана и в некоторых других организациях. Советские станкостроители освоили выпуск самых разнообразных станков, необходимых для различных отраслей машиностроения. Это станки особо высокой точности, обеспечивающие отклонения в долях микрометров, тяжелые станки для обработки крупных деталей размерами в несколько десятков метров, станки для физико-химических методов обработки, станки-автоматы для контурной программной обработки очень сложных по форме деталей.
Особое развитие в последние десятилетия получило числовое программное управление станками. Микропроцессорные устройства управления превращают станок в станочный модуль, сочетающий гибкость и универсальность с высоким уровнем автоматизации. Станочный модуль способен обеспечивать обработку заготовок широкой номенклатуры в автономном режиме на основе малолюдной или даже безлюдной технологии. Таким образом, современное станочное оборудование является базой для развития гибкого автоматизированного производства, резко повышающего производительность труда в условиях средне- и мелкосерийного производства.
Использование гибких производственных систем, состоящих из набора станков, манипуляторов, средств контроля, объединенных общим управлением от ЭВМ, дает возможность и в многономенклатур- цом крупносерийном производстве стимулировать научно-технический прогресс, быстрый и с минимальными затратами переход к новым, более совершенным образцам выпускаемой продукции. Переход от использования набора станков и других технологических машин к машинным системам в виде гибких производственных систем технологического оборудования помимо повышения производительности труда коренным образом изменяет весь характер машиностроительного производства. Создаются условия постепенного перехода к трудосберегающему производству при наивысшей степени автоматизации.
Совершенствование современных станков должно обеспечивать повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений при соответствующем повышении мощности привода главного движения. Исключительное значение приобретает повышение надежности станков за счет насыщения их средствами контроля и измерения, а также введения в станки систем диагностирования
Повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений связано с дальнейшим совершенствованием привода станков, шпиндельных узлов, тяговых устройств и направляющих прямолинейного движения. Применение композиционных материалов для режущих инструментов позволяет уже сейчас реализовать скорость резания до 1,5—2 км/мин, а скорость подачи довести до 20—30 м/мин. Дальнейшее повышение скоростей потребует поиска новых конструкций, использующих иные физические принципы и обеспечивающих высокую работоспособность ответственных станочных узлов.
Применение станочных модулей возможно только при полной автоматизации всех вспомогательных операций за счет широкого использования манипуляторов и промышленных роботов. Это относится к операциям, связанным со сменой заготовок, режущих инструментов, технологической оснастки, с операциями измерения заготовки, инструмента, с операциями дробления и удаления стружки из рабочей зоны станка.
Оснащение станков гибкого автоматизированного производства различными контрольными и измерительными устройствами является необходимым условием их надежной работы, особенно в автономном и автоматизированном режиме. В современных станках используют широкий набор средств измерения, иногда очень точных, таких, 4
например, как лазерные интерферометры, для сбора текущей информации о состоянии станка, инструмента, вспомогательных устройств и для получения достоверных данных о исправной работе.
Современные металлорежущие станки обеспечивают исключительно высокую точность обработанных деталей. Ответственные поверхности наиболее важных деталей машин и приборов обрабатывают на станках с погрешностью в долях микрометров, а шероховатость поверхности при алмазном точении не превышает сотых долей микрометра. Требования к точности в машиностроении постоянно растут, и это, в свою очередь, ставит новые задачи перед прецизионным станкостроением.
Специалисты в области технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов находятся на одном из самых ответственных участков всего научно-технического прогресса. Задача заключается в том, чтобы в результате коренного совершенствования технологии обработки, создания новых металлорежущих станков с микропроцессорным управлением, станочных модулей для гибких производственных систем обеспечить техническое и организационное перевооружение всех отраслей машиностроения и на этой основе обеспечить существенное повышение производительности труда. Для успешного творческого труда инженеры-станкостроители должны быть фундаментально подготовлены в области математики, физики, вычислительной техники, иметь фундаментальные знания и навыки по общим инженерным дисциплинам и, наконец, хорошо знать свою будущую специальность. Необходимо ясно представлять общие важнейшие свойства и качества, определяющие технический уровень металлорежущих станков, с тем, чтобы создавать лучшие образцы и новые модели станков.
В настоящее время и в обозримом будущем потребуется создание новых моделей станков, станочных модулей, гибких производственных систем, поэтому будущие специалисты-станкостроители должны владеть основами конструирования станков и их важнейших узлов. Для успешного применения вычислительной техники при конструировании необходимо хорошо знать содержание процесса проектирования всех видов станочного оборудования, владеть методами его моделирования и оптимизации.
Современный станок органически соединил технологическую машину для размерной обработки с управляющей вычислительной машиной на основе микропроцессора. Поэтому специалист-станкостроитель должен хорошо понимать принципы числового программного управления станками, владеть навыками подготовки и контроля управляющих программ. Он должен знать устройство микропроцес сорных средств управления, основные их характеристики и возможности применительно к станочному оборудованию.
В учебнике изложены основные сведения по металлорежущим станкам,, овладев которыми будущие специалисты смогут в дальнейшем приступить к творческой инженерной деятельности и решению важных и сложных задач в области конструирования и эксплуатации станочного оборудования.
раздел!
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАНКАХ
ГЛАВА 1
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНКОВ
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Металлорежущий станок (станок) — машина для размерной обработки заготовок в основном путем снятия стружки. Кроме металлических заготовок на станках обрабатывают также детали из других материалов. К станкам относят и технологическое оборудование, использующее для обработки электрофизические и электрохимические методы, сфокусированный электронный или лазерный луч, поверхностное пластическое деформирование и некоторые другие виды обработки.
Помимо основной рабочей операции, связанной с изменением формы и размеров заготовки, на станке необходимо осуществлять вспомогательные операции для сменызаготовок, их зажима, измерения, операции по смене режущего инструмента, контроля его состояния и состояния всего станка. В связи с большим разнообразием функций, выполняемых на станках, их целесообразно рассматривать как систему, состоящую из нескольких функциональных подсистем (рис. 1.1).
Подсистема манипулирования обеспечивает доставку заготовок к месту обработки, их зажим в заданной позиции, перемещение к месту контроля и измерения и, наконец, вывод готовых изделий из рабочей зоны станка. Таким образом, подсистема манипулирования обеспечивает поток материала, проходящего через рабочую зону станка в процессе его обработки. Дополнительные функции подсистемы манипулирования необходимы также для смены режущих инструментов и дополнительных приспособлений. Подсистема управления на основе входной внешней информации и дополнительной внутренней текущей информации от контрольных и измерительных устройств обеспечивает правильное функционирование всех остальных подсистем в соответствии с поставленной задачей. Входная информация поступает в виде чертежа, маршрутной технологии или заранее подготовленной управляющей программы.
Текущая информация о правильности состояния и поведения всей технологической системы (станка, инструмента, манипуляторов, вспомогательных устройств) поступает в подсистему управления при ручном управлении от органов чувств оператора, а при автоматизации контрольных функций — от соответствующих преобразователей (датчиков) подсистемы контроля. Выходная информация дает сведения о фактических размерах обработанной на станке детали по результатам ее измерения.
Собственно станок подразделяется на несколько важнейших частей, обычно называемых узлами. Главный привод станка сообщает движение инструменту или заготовке для осуществления процесса резания с соответствующей скоростью. У подавляющего большинства станков главный привод (рис. 1.2) сообщает вращательное движение шпинделю, в котором закреплен режущий инструмент либо заготовка.
Привод подачи необходим для перемещения инструмента относительно заготовки для формирования обрабатываемой поверхности.
Рис. 1.1. Структурная схема стайка:
/0, Л — входная и выходная информация; Мо, Mi — заготовки и изделия; Е — энергия; 1 — подсистема управления; 2 — подсистема контроля; 5 — подсистема манипулирования;
4 — подсистема обработки
Рис. 1.2. Основные узлы (сборочные единицы) станка:
1 — главный привод; 2 — базовые детали; 3 — приводы подачн
У подавляющего большинства станков привод подачи сообщает узлу станка прямолинейное движение. Сочетанием нескольких прямолинейных, а иногда и вращательных движений можно реализовать любую пространственную траекторию.
Привод позиционирования необходим во многих станках для перемещения того или иного узла станка из некоторой исходной позиции в другую заданную позицию, например, при последовательной обработке нескольких отверстий или нескольких параллельных плоскостей на одной и той же заготовке. Во многих современных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции приводов подачи и позиционирования выполняет один общий привод.
Несутся система станка состоит из последовательного набора ^ соединенных между собой базовых деталей. Соединения могут быть ) неподвижными (стыки) или подвижными (направляющие). Несущая I система обеспечивает правильность взаимного расположения ре- 1 жущего инструмента и заготовки под воздействием силовых и тем- I пературных факторов.
Манипулирующие устройства необходимы для автоматизации различных вспомогательных движений в станке для смены загото- вок, их зажима, перемещения или поворота, смены режущих инструментов, удаления стружки и т. п. Современный многооперационный станок имеет набор манипуляторов, транспортеров, поворотных устройств, а в некоторых случаях обслуживается универсальным манипулятором с программным управлением (промышленным роботом).
Контрольные и измерительные устройства необходимы в станке для автоматизции наблюдения за правильностью его работы. С помощью них контролируют состояние наиболее ответственных частей станка, работоспособность режущего инструмента, измеряют заготовки и изделие. При достаточно высоком уровне автоматизации результаты контроля измерения поступают в управляющее устройство, а оттуда в виде управляющих сигналов корректируют положение узлов станка.
Устройство управления может быть с ручным обслуживанием оператором, с механической системой управления или с ЧПУ. В настоящее время происходит широкое внедрение микропроцессорных устройств ЧПУ для управления всеми видами'станочного оборудования.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНКОВ
В зависимости от целевого назначения станка для обработки тех или иных деталей или их поверхностей, выполнения соответствующих технологических операций и режущего инструмента, станки разделяют на следующие основные группы — токарные, сверлильные и расточные, фрезерные, шлифовальные. Условная классификация станков по технологическому признаку приведена в табл. 1.1. В последние годы получили распространение станки, на которых выполняются различные операции в результате автоматической смены режущих инструментов. Подобные станки получили название многооперационных станков или обрабатывающих центров. В обозначении конкретных моделей станков первая цифра указывает- на группу станка (например, токарные 1), а вторая — на тип (например, токарно-карусельные станки имеют в обозначении цифру 15), а последние цифры характеризуют размер рабочего пространства, т. е. предельно допустимые размеры обработки.
Универсальные станки, иначе называемые станками общего назначения, предназначены для изготовления широкой номенклатуры деталей, обрабатываемых небольшими партиями в условиях мелкосерийного и серийного производства. Универсальные станки с ручным управлением требуют от оператора подготовки и частичной или полной реализации программы, а также выполнения функции манипулирования (смена заготовки и инструмента), контроль и изменение. Универсальные станки с числовым управлением требуют от оператора лишь отдельных функций манипулирования и контроля. При этом становится возможным обслуживание одним оператором
нескольких станков, так называемое многостаночное обслуживание.
Гибкие производственные модули (ГПМ) представляют собой автоматизированную универсальную технологическую ячейку, основой которой является станок с полным набором манипуляторов, контрольных и измерительных устройств.
Специализированные станки предназначены для обработки заготовок сравнительно узкой номенклатуры. Примером могут служить токарные станки для обработки коленчатых валов или шлифовальные станки для обработки колец шарикоподшипников. Специализи
рованные станки имеют высокую степень автоматизации, и их используют в крупносерийном производстве при больших партиях, требующих редкой переналадки.
Рис. 1.3. Рабочее пространство токарного (а) и многооперационного (б) станковРис. 1.3. Рабочее пространство токарного (а) и многооперационного (б) станков
Рис. 1.3. Рабочее пространство токарного (а) и многооперационного (б) станков
Рис. 1.3. Рабочее пространство токарного (а) и многооперационного (б) станков
Специальные станки используют для производительной обработки одной или нескольких почти одинаковых деталей в условиях крупносерийного и особенно массового производства. Специальные станки, как правило, имеют высокую степень автоматизации.
Автоматическую линию образуют из набора станков-автоматов, расположенных последовательно в соответствии с ходом технологического процесса и связанных общим транспортом и общим управлением. Переналаживаемая автоматическая линия может в режиме автоматической переналадки переходить от обработки одной детали к обработке другой похожей на нее детали. Общее число разных деталей при этом ограничено несколькими штуками.
Станки наиболее распространенных технологических групп образуют размерные ряды, в которых за каждым станком закреплен вполне определенный диапазон размеров обрабатываемых деталей. Например, в группе токарных станков возможности станка характеризуются цилиндрическим рабочим пространством (рис. 1.3, а), а для многооперационных станков — прямоугольным рабочим пространством (рис. 1.3, б). По основному размеру рабочего пространства, максимальному диаметру для токарных станков, ширине стола Для фрезерных и многооперационных станков устанавливают ряд стандартных значений, обычно в геометрической прогрессии с не-
1,1. Классификация металлорежущих станков
Наименование
Груп-
Тип
па
0
I
2
3
4
5
6
7
8
Токарные
1
Специализированные
Одношпин- дельиые
Многошпиндельные
Револьверные !.
Сверлильноотрезные
Карусельные
Токарные и лобовые
Многорезцовые
Специализированные
Сверлильные и расточные
2
—
Вертикальносверлильные
Одношпии- дельные
Многошпии- дельиые полуавтоматы
Координатнорасточные
Радиальносверлильные
Расточные
Алмазно. расточные
Горизонтальио- сверлильные и центровые
Шлифовальные, полировальные, доводочные, заточные
3
Круглошли- - фовальные
Виутришли- фовальиые
Обдирочношлифовальные
Специализированные шлифовальные
Заточные
Плоскошлифовальные
Притирочные и полировальные
Комбинированные и физико-химической обработки
4
—
Зубо- и резьбообрабатывающие
5
Резьбонарезные
Зубострогальные для цилиндрических колес
Зуборезные для конических колес
Зубофрезерные для цилиндрических колес и шли- ' цевых валиков
Для нарезания червячных колес
Для обработки торцов зубьев колес
Резьбофрезерные
Зубоотделоч- иые, проверочные и обкатные
Зубо- и резьбошлифовальные
Фрезерные
6
Вертикальнофрезерные консольные
Фрезерные непрерывного действия
—
Копировальные и гравировальные
Вертикальные бесконсольные
Продольные
Широкоуни- версальиые
Горизонтальнофрезерные консольные
Строгальные, долбежные, протяжные
7
Продол одностоечные
тьные:
двухстоечные
Поперечно- строгальныё
Долбежные
Протяжные горизонтальные
Протяжные вертикальные
—
Разрезные
8
—
Otj резцом
резные, работаюи абразивным кругом
цие
гладким или насечным диском
Правйльно- отрезные
ленточные
Пилы:
дисковые
ножовочные
—
Разные
9
Муфто- и трубообраба* тывающие
Пилонасека- тельиые
Бесцентровообдирочные
5
Правильные-
Для испытания инстру ментов
Делительные машины
Балансировочные
—
которым знаменателем ф. Так, для станков токарной группы принят Ф = 1,25 и стандартный ряд наибольших диаметров обработки — 250, 320, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000 мм. В зависимости от массы станка, которая связана с размерами обрабатываемых деталей и его типом, принято разделять станки на легкие (до 1 т), средние (1—10 т), и тяжелые (более 10 т). Особо тяжелые станки с массой более 10 т называют уникальными. Станки также условно разделяют на классы точности — нормальной, повышенной, высокой, особо высокой и особо точные станки. Класс точности обозачают соответственно буквами Н, П, В, А, С. Таким образом, обозначение токарно-винторезного станка модели 16К20П следует расшифровать так: токарно-винторезный станок (первые две цифры) с высотой центров (половина наибольшего диаметра обработки) 200 мм, повышенной точности (П) и очередной модификации (К). При обозначении станков с числовым программным управлением (ЧПУ) добавляют еще буквы и цифры, например, 16К20ПФЗ (ФЗ — числовое управление тремя координатными движениями).
ГЛАВА 2
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СТАНКОВ
Для сравнительной оценки технического уровня станков и комплектов станочного оборудования, а также для выбора станков в соответствии с решением конкретной производственной задачи используют набор показателей,. характеризующих качество как отдельных станков, так и набора станочного оборудования.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Эффективность — комплексный (интегральный) показатель, который наиболее полно отражает главное назначение станочного оборудования — повышать производительность труда и соответственно снижать затраты труда при обработке деталей. Эффективность станков, шт./руб.,
A = N/£c,(2.1)
где N — годовой выпуск деталей; 2 е — сумма годовых затрат на их изготовление.
При проектировании или подборе станочного оборудования всегда следует стремиться к максимальной эффективности, а показатель (2.1) при этом следует рассматривать как целевую функцию
А = А//2 с->- шах.А = А//2 с->- шах.(2.2)(2.2)
А = А//2 с->- шах.
А = А//2 с->- шах.
(2.2)
(2.2)
Если задана годовая программа выпуска, то условие (2.2) приводится к минимуму приведенных затрат
^c->min.(2.3)
Сравнение эффективности двух вариантов станочного оборудования при заданной программе выпуска ведут по разности приведенных затрат
р = (2 с)1 - (2 eV,(2.4)
где индекс «2» относится к более совершенному варианту станочного оборудования при сравнении с базовым (индекс «1»),
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Производительность станка определяет его способность обеспечивать обработку определенного числа деталей в единицу времени.
Штучная производительность (шт./год) выражается числом деталей, изготовленных в единицу времени, при непрерывной безотказной работе
Q = Т6]Т,(2.5)
где То — годовой фонд времени; Т — полное время всего цикла изготовления детали.
При изготовлении на универсальном станке разных деталей его штучную производительность определяют по условной, так называемой представительной детали, форму и размеры которой берут усредненными по всему рассматриваемому множеству деталей. Все исходные параметры представительной детали (масса, размеры, допуски и т. д.) определяют для всей группы (семейства) рассматриваемых деталей как средневзвешенные величины
х = ^j xdCx/dc,
где х — величина данного параметра внутри каждого интервала; 6СХ — частость по интервалам изменения величины х; 6С — общая частость (весомость) деталей рассматриваемой группы.
Для станков широкой универсальности рассматривают набор представительных деталей, каждая из которых соответствует семейству однотипных деталей, сходных по форме и технологии обработки. Производительность определяют по среднему значению времени цикла обработки, которое без учета потерь выражается как
T = tp + ^,(2.6)
где /р — время обработки резанием; /в — время на все виды вспомогательных операций, не совмещенных по времени с обработкой.
Если процесс обработки осуществляют непрерывно и дополни- те^ное время на вспомогательные операции не затрачивается, т. е. если /в = 0, а 7 = /р, то штучная производительность совпадает с понятием технологической производительности
Qt = 1/^р,(2.7)
13
Рис. 2,1. Потери годового фонда времени: I — выходные, отпуск; 2 — отсутствие третьей смены; 3 — односменная работа; 4 — отказы; 5 — переналадка; 6 — использование стаиочиого оборудования
определяемой только по машинному времени. Штучная производительность связана с годовым выпуском деталей коэффициентом использования т|> учитывающим потери годового фонда времени (рис. 2.1) по организационным и техническим причинам:
N = Qi]- (2.8)
Кроме штучной производительности иногда используют для сравнительной оценки различ
ного по характеру оборудования и разных методов обработки другие условные показатели. Производительность формообразования измеряют площадью поверхности, обработанной на станке в единицу
времени
(2-9)(2-9)р £
(2-9)
(2-9)
L Т *
где ир, L — скорость и полный путь перемещения инструмента по образующей линии на обрабатываемой поверхности.
Производительность резания определяют объемом материала, снятого с заготовки в единицу времени. Этот показатель применяют иногда для оценки возможностей станков для предварительной обработки или для сравнения различных технологических способов размерной обработки (табл. 2.1). В таблице приведены также данные по затратам мощности при удалении 1 см3 металла за 1 мин.
Производительность размерной обработки
Вид обработки
Производитель- иость, см”'мен
Мощность, к Вт
Вид обработки
Производительность, сма/мии
Мощность, кВт
Тот нее
150U
0,06
Электрохимическая
15
10
Шлифование
800
0,6
Ультразвуковая
1
25
Электроискровая
15
1,0
Лазерная
0,01
4000
Основные пути повышения производительности станков и станочных систем связаны со следующими тенденциями: увеличением технологической производительности; совмещением разных операций во времени; сокращением времени на вспомогательные движения; сокращением всех видов внецикловых потерь.
М
Рис. 2.2. Изменение скорости резания (ориентировочные значения) при использовании режущих инструментов из:
/ — инструментальной стали; 2 — быстрорежущей стали; 3 — твердого сплава; 4 — порошкового материала; 5 — керамики
Технологическая производительность увеличивается с повышением скорости обработки (рис. 2.2) и с увеличением суммарной длины режущих кромок инструмента, участвующих в процессе формообразования. Повышение скорости обработки ограничивается свойствами материала режущего инструмента. Резкое повышение скорости возможно при переходе на новые
инструментальные материалы.
При замене режущего инструмента из быстрорежущей стали и твердо
го сплава инструментом из порошкового твердого сплава и алмазным инструментом можно ожидать существенное повышение скорости резания и соответственно подачи. Значительное повышение производительности достигается применением эффективных смазочно-охлаждающих жидкостей. Увеличение суммарной длины режущих кромок
приводит к усложнению и удорожанию режущего инструмента, что оправдывает себя, как правило, при соответствующем увеличении масштаба производства.
Большим резервом повышения производительности является совмещение во времени различных операций, как основных, так и вспомогательных. Одновременное выполнение нескольких рабочих операций осуществляется на многопозиционных станках и автоматических линиях, используемых в крупносерийном и массовом производстве. Совмещение рабочих операций с вспомогательными всегда целесообразно, если это не связано с излишним усложнением и удорожанием станка. Применение непрерывных методов обработки (бесцентрового шлифования, накатки резьбы непрерывным способом, непрерывного протягивания и др.) дает возможность полностью совместить все вспомогательные операции с рабочими и обеспечить наибольшую производительность станка.
Сокращение времени на вспомогательные движения (холостые ходы) для повышения производительности станка обеспечивается совершенствованием привода и системы управления. Ограничения по скорости вспомогательных движений связаны с возникающими при этом инерционными нагрузками и их отрицательным влиянием по различным критериям работоспособности деталей и механизмов станка. Все виды внецикловых потерь сокращаются при комплексной автоматизации и совершенствовании системы управления как отдель-
ным станком, так и всем автоматизированным производством на базе вычислительной техники.
Автоматизация смены инструмента и совмещение операций смены затупленного инструмента на станке с рабочими операциями сокращают потери времени на замену инструмента. Повышение надежности станков и автоматических систем снижает число отказов и общие затраты на устранение этих отказов.
НАДЕЖНОСТЬ
Надежность станка — свойство станка обеспечивать бесперебойный выпуск годной продукции в заданном количестве в течении определенного срока службы и в условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Нарушение работоспособности станка называют отказом. При отказе продукция либо не выдается, либо является бракованной. В автоматизированных станках и автоматических линиях отказы могут быть связаны с нестабильностью условий работы под влиянием отдельных случайных факторов и сочетания этих случайных факторов — разброса параметров заготовок, переменности сил резания и трения, отказов элементов систем управления и т. д. Кроме того, причинами отказов может быть потеря первоначальной точности станка из-за изнашивания его частей и ограниченной долговечности важнейших его деталей и механизмов (направляющих, опор, шпинделей, передач винт—гайка, фиксирующих устройств и т. п.).
Безотказность станка — свойство станка непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Безотказность может быть оценена следующими показателями.
Вероятность отказана по результатам испытаний No элементов, из которых отказали Аот = No — Na, a Na оказались исправными, определяют по формуле
Q^ = NOT/NO.(210)
Вероятность безотказной работы
Р (0 = 1 - Q (0 = NaINo.(2.11)
Интенсивность отказов — условная плотность вероятности возникновения отказа в единицу времени
<212>
Вероятность безотказной работы может быть представлена в зависимости от интенсивности отказов. Производную по времени выражения (2.11) приводят к виду'
di ~ N6 dt ~U Л Г
Откуда следует
Р^ = еи .(2.13)
Вероятность безотказной работы станка как сложной системы, состоящей из п элементов, соединенных последовательно, при условии их независимости по критерию надежности представляют в виде
РСТ(/) = ПЛ(О,(2.14)
1
где Pt (/) — вероятность безотказной работы i-ro элемента.
Отказы, имеющие постоянную интенсивность,
Л (/) —= const,
ГСр
где /ср — средняя наработка между отказами дает вероятность безотказной работы в виде
Р^ = <ГМ =(2.15)
Отказы, связанные с изнашиванием элементов станка, обычно подчиняются законам нормального распределения или логарифми- чески-нормального распределения. В первом случае известны две характеристики распределения — средняя наработка на отказ и среднеквадратичное отклонение
, _ IS^’- — /cpl2
/сР- No 2jZb ° “У Wo—1
Комплексным показателем надежности станков является коэффициент технического использования
Н "\
ч = 1Д1 + ЕМсрД(2.16)
где п — число независимых элементов, подверженных отказам; Xt—интенсивность отказов i-ro элемента; /срг — среднее время на устранение отказа (на восстановление).
Коэффициент технического использования ц дает возможность оценить фактическую производительность Qф по сравнению с номинальным значением производительности Q (при абсолютной надежности):. Qф = Qr).
Долговечность станка — свойство станка сохранять работоспособность в течение некоторого времени с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта до наступления предельного состояния. Долговечность отдельных механизмов и деталей станка связана главным образом с изнашиванием подвижных соединений, усталостью при действии переменных напряжений и старением.
Изнашивание подвижных соединений в станке (направляющих, опор шпинделя, передач винт—гайка и др.) является важнейшей причиной ограничений долговечности по критерию сохранения первоначальной точности.
Ремонтопригодность — свойство, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения
отказов, повреждений и поддержанию и ьосстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Этот критерий является особенно важным для станков с высокой степенью автоматизации и автоматических станочных систем, так как определяет стоимость затрат на устранение отказов и связанные с этим простои дорогостоящего оборудования.
Технический ресурс — наработка от начала Эксплуатации или ее возобновления после среднего и капитального ремонта до перехода в предельное состояние. Для определения долговечности отдельных элементов (деталей и механизмов станка) используют средний ресурс (математическое ожидание).
Современные станки и станочные системы (автоматические линии, участки и производства) являются сложной системой из большого числа разнородных элементов(механических,электрических и радиоэлектронных). Оценка надежности сложной системы должна осуществляться на основе учета и анализа всех действующих факторов. В соответствии с общей формулой (2.14) вероятность безотказной работы станка
Рет ^ = Pl (0 Р» (О Р» W,
где Pt (/) — надежность по внезапным отказам механических узлов; Р2 (/) — надежность радиоэлектронной аппаратуры; Р3 (О — надежность, обусловленная отказами по изнашиванию.
Технологическая надежность станков и станочных систем, как свойство сохранять во времени первоначальную точность оборудования и соответствующее качество обработки, имеет важное значение в условиях длительной и интенсивной эксплуатации. В основе аналитических методов оценки технологической надежности станков лежит разработка математической модели, отражающей характер изменения точности обработки или точности систем станка во времени.
Диагностирование является эффективным средством повышения надежности станков и станочных систем. При этом осуществляют направленный сбор текущей информации о состоянии станка и его важнейших узлов и элементов. Для сбора информации используют преобразователи, дающие сигнал по естественным для станка возмущениям или на основе специально возбуждаемых периодических воздействий. Поиск и диагностику ошибок, неисправностей, опасных отклонений от нормальной работы осуществляют различными методами. При использовании функциональной модели станок и его отдельные узлы (привод подачи, несущая система) разбивают на конечное число функциональных блоков с одним выходным контролируемым параметром. Совокупность выходных параметров, связанных в единую систему, служит основой модели всего узла или всего станка.
Диагностирование ведут на основе алгебры логики; дефектное состояние функционального блока соответствует нулевому значению параметра, а нормальное состояние соответствует булевому значению «1». Конкретный набор булевых значений оценочных параметров 18
характеризует определенный вид отказа и соответствующим образом кодируется. Для быстрого анализа ситуации и нахождения дефектного блока составляется диагностическая матрица и соответствующая программа для ЭВМ. При этом методе диагностика носит дискретный характер.
При непрерывном действии станка или его узла используют параметрический метод диагностики. В этом случае математическую модель станка составляют в виде системы дифференциальных уравнений. а параметры в уравнениях уточняют по экспериментальным данным. В соответствии с принятой целевой функцией для станка или его узла выбирают критерии оптимизации, по которым на основе текущей информации осуществляется непрерывное регулирование (адаптивное управление) и диагностика.
Иногда используют энергетическую модель, основу которой составляет диаграмма распределения энергетического потока при оптимальных условиях работы станка. Значения параметров уточняют экспериментально. Изменение распределения потоков энергии, фиксируемое встроенными в станок датчиками, анализируется; оно является основой диагностического контроля.
Для повышения надежности станков и автоматических станочных систем целесообразно: оптимизировать сроки службы наиболее дорогостоящих механизмов и деталей станков на основе статистических данных и тщательного анализа с использованием средств вычислительной техники; обеспечивать гарантированную точностную надежность станка и соответствующую долговечность ответственных подвижных соединений (опор и направляющих); применять материалы и различные виды термической обработки, обеспечивающие высокую стабильность базовых деталей несущей системы на весь срок службы станка; устранять в ответственных соединениях трение скольжения, применяя опоры и направляющие с жидкостной и газовой смазкой; применять в наиболее ответственных случаях при использовании сложных систем автоматического станочного оборудования принцип резервирования, резко повышающий безотказность системы; распространять в станках профилактические устройства обнаружения и предупреждения возможных отказов по наиболее вероятным причинам.
ГИБКОСТЬ
Гибкость станочного оборудования — способность к быстрому переналаживанию при изготовлении других, новых деталей. Чем чаще происходит смена обрабатываемых деталей н чем большее число разных деталей требует обработки, тем большей гибкостью должен обладать станок или соответствующий набор станочного оборудования. Гибкость характеризуют двумя показателями — универсальностью и переналаживаемостью.
Универсальность определяется числом разных деталей, подлежащих обработке на данном станке, т. е. номенклатурой И обрабатываемых деталей. При этом следует иметь в виду, что отношение годо-
вого выпуска N к номенклатуре И определяем серийность изготовления
(2J7)(2J7)s = N1N.
(2J7)
(2J7)
Целесообразная гибкость оборудования связана с номенклатурой обрабатываемых деталей (рис. 2.3).
Переналаживаемость определяется потерями времени и средств на переналадку станочного оборудования, при переходе от одной партии заготовок к другой партии. Таким образом, переналаживаемость является показателем тибкости оборудования и зависит от
Рис, 2.4. Оптимизация размера партии в зависимости от гибкости обо- рудоЕания:1 — затраты на незавершенную продукцию; 2 — затраты на переналадку; 3, 4 — суммарные затратыРис, 2.4. Оптимизация размера партии в зависимости от гибкости обо- рудоЕания:1 — затраты на незавершенную продукцию; 2 — затраты на переналадку; 3, 4 — суммарные затратыРис. 2.3. Примерные области использования станочного оборудования различной универсальности:i — автоматические линии; 2 — переналаживаемые автоматические линии; 3 — гибкие станочные системы; 4 — станочные модули и станки С;ЧПУ; 5 — станки с ручным управлениемРис. 2.3. Примерные области использования станочного оборудования различной универсальности:i — автоматические линии; 2 — переналаживаемые автоматические линии; 3 — гибкие станочные системы; 4 — станочные модули и станки С;ЧПУ; 5 — станки с ручным управлением
Рис, 2.4. Оптимизация размера партии в зависимости от гибкости обо- рудоЕания:
1 — затраты на незавершенную продукцию; 2 — затраты на переналадку; 3, 4 — суммарные затраты
Рис, 2.4. Оптимизация размера партии в зависимости от гибкости обо- рудоЕания:
1 — затраты на незавершенную продукцию; 2 — затраты на переналадку; 3, 4 — суммарные затраты
Рис. 2.3. Примерные области использования станочного оборудования различной универсальности:
i — автоматические линии; 2 — переналаживаемые автоматические линии; 3 — гибкие станочные системы; 4 — станочные модули и станки С;ЧПУ; 5 — станки с ручным управлением
Рис. 2.3. Примерные области использования станочного оборудования различной универсальности:
i — автоматические линии; 2 — переналаживаемые автоматические линии; 3 — гибкие станочные системы; 4 — станочные модули и станки С;ЧПУ; 5 — станки с ручным управлением
числа Р партий деталей, обрабатываемых на данном оборудовании в течение года. При этом средний размер партии
р = №Р * (2.18) связан с характером производства и с переналаживаемостью оборудования.
Для каждого вида станочного оборудования существуют вполне определенные затраты на каждую переналадку (рис. 2.4). С увеличением числа деталей в партии общие затраты на переналадку снижаются, но при этом увеличиваются затраты на хранение деталей, которые не сразу идут в дальнейшую работу, например, на сборку, а создают незавершенное производство. Таким образом, для каждого вида станочного оборудования с его переналаживаемостью существует оптимальный размер партии обрабатываемых деталей. Чем меньше оптимальный размер партии, тем большей гибкостью обладает станочное оборудование. Применение средств вычислительной техники для управления станками, оснащение их манипуляторами и устройствами ЧПУ позволили существенно повысить гибкость оборудования при. высокой степени автоматизации.
ТОЧНОСТЬ
Точность станка в основном предопределяет точность обработанных на нем изделий. По характеру и источникам возникновения все ошибки станка, влияющие на погрешности обработанной детали, условно разделяют на несколько групп.
Геометрическая точность зависит от ошибок соединений и влияет на точность взаимного расположения узлов станка при отсутствии внешних воздействйй. Геометрическая точность зависит главным образом от точности изготовления соединений базовых деталей и от качества сборки станка. На погрешности в расположении основных узлов станка существуют нормы; соответствие этим нормам проверяют для нового станка и периодически при его эксплуатации. Нормы на допустимые для данного станка геометрические погрешности зависят от требуемой точности изготовления на нем деталей.
Кинематическая точность необходима для станков, в которых сложные движения требуют согласования скоростей нескольких простых. Нарушение согласованных движений нарушает правильность заданной траектории движения инструмента относительно заготовки и искажает тем самым форму обрабатываемой поверхности. Особое значение кинематическая точность имеет для зубообрабатывающих, резьбонарезных и других станков для сложной контурной обработки.
Жесткость станков характеризует их свойство противостоять появлению упругих перемещений под действием постоянных или медленно изменяющихся во времени силовых воздействий. Жесткость — отношение силы к соответствующей упругой деформации 6 в том же направлении
/ = F16. (2.19)
Величину, обратную жесткости, Называют податливостью
с = 1// = 61F. (2.20)
Податливость сложной системы из набора упругих элементов, работающих последовательно, равна сумме податливостей этих элементов:
с0 = 2 сь (2.21)
1=1
Жесткость станка, его несущей системы должна обеспечить упругое перемещение между инструментом и заготовкой в заданных пределах, зависящих от требуемой точности обработки. Жесткость и соответственно податливость базовых деталей станка из чугуна или стали подчиняются закону Гука и для каждой детали есть величина постоянная. Жесткость большинства соединений, таких, как неподвижные стыки, направляющие, подшипники качения и скольжения, не является постоянной величиной вследствие отсутствия прямой пропорциональности между силой и упругим перемещением.
dF dd *dF dd *В этом случае жесткость следует понимать как отношение приращения силы к соответствующему приращению перемещения
dF dd *
dF dd *
(2.22)
Жесткость несущих систем станков при большом числе упругих деталей и соединений между ними обычно близка к постоянному значению (рис. 2.5). Жесткость же отдельных .соединений, предварительно не затянутых й имеющих зазоры, существенно нелинейна и зависит от характера приложения силы. Кроме того, жесткость
Рис. 2.5. Жесткость несущей системы станка:1 — упругие перемещения резца относительно заготовки; 2 — перемещения конца шпинделя; 3 — упругие перемещения стола и станиныРис. 2.5. Жесткость несущей системы станка:1 — упругие перемещения резца относительно заготовки; 2 — перемещения конца шпинделя; 3 — упругие перемещения стола и станиныРис. 2.6. Жесткость токарного станка по результатам испытания 25 токарных станков:/ — у переднего центра; 2 — в середине рабочего пространства; 3 — у заднего центраРис. 2.6. Жесткость токарного станка по результатам испытания 25 токарных станков:/ — у переднего центра; 2 — в середине рабочего пространства; 3 — у заднего центра
Рис. 2.5. Жесткость несущей системы станка:
1 — упругие перемещения резца относительно заготовки; 2 — перемещения конца шпинделя; 3 — упругие перемещения стола и станины
Рис. 2.5. Жесткость несущей системы станка:
1 — упругие перемещения резца относительно заготовки; 2 — перемещения конца шпинделя; 3 — упругие перемещения стола и станины
Рис. 2.6. Жесткость токарного станка по результатам испытания 25 токарных станков:
/ — у переднего центра; 2 — в середине рабочего пространства; 3 — у заднего центра
Рис. 2.6. Жесткость токарного станка по результатам испытания 25 токарных станков:
/ — у переднего центра; 2 — в середине рабочего пространства; 3 — у заднего центра
соединений зависит от случайных изменений рельефа контактирующих поверхностей в первую очередь от шероховатости и волнистости. В связи с этим жесткость соединений и жесткость сложных деталей, изменяющаяся из-за изменения, например, толщины стенок, могут влиять на разброс значений жесткости даже одинаковых станков (рис. 2.6). На общую жесткость станков большое влияние оказывают соединения инструмента и заготовки с соответствующими узлами станка, поскольку эти соединения типа конусов, кулачков патрона, центровых отверстий имеют небольшую жесткость. Для повышения общей жесткости станка целесообразно выявлять элементы с пониженной жесткостью и затем принимать меры к ее повышению до уровня жесткости других последовательно нагруженных упругих звеньев.
Виброустойчивость станка или динамическое его качество определяет его способность противодействовать возникновению колебаний (рис. 2.7), снижающих точность и производительность станка. Наиболее опасны колебания инструмента относительно заготовки. Вынужденные колебания возникают в упругой системе станка из-за неуравновешенности вращающихся звеньев привода и роторов 22 ,
электродвигателей, из-за периодических погрешностей в передачах и от внешних периодических возмущений. Особую, опасность при вынужденных колебаниях представляют резонансные колебания, возникающие при совпадении частоты внешних воздействий с частотой собственных колебаний одного из упругих звеньев станка. Автоколебания или самовозбуждающиеся колебания связаны с характером протекания процессов резания и трения в подвижных соединениях. В условиях потери устойчивости возникают колебания, которые поддерживаются внешним источником энергии от привода станка.
Рис. 2,7, Формы колебаний станка:
*. U, г — амплитуды колебаний, мкм
Параметрические колебания имеют место при периодически изменяющейся жесткости, например, при наличии шпоночной канавки на вращающемся валу. Возникающие при этом колебания сходны с вынужденными колебаниями.
Низкочастотные фрикционные колебания наблюдаются при перемещении узлов станка недостаточно жестким приводом в условиях трения скольжения. В этих случаях непрерывное движение узла может при определенных условиях превратиться в прерывистое с периодически чередующимися скачками и остановками.
Колебания в упругой системе станка возникают также во время переходных процессов, обусловленных пуском, остановкой, резким изменением режима работы.
Основные пути повышения виброустойчивости станков: устранение источников периодических возмущений; подбор параметров упругой системы для обеспечения устойчивости; повышение демпфирующих свойств; применение систем автоматического управления Уровнем колебаний. -
Теплостойкость станка характеризует его сопротивляемость возникновению недопустимых температурных деформаций при дей-
Рис. 2.8. Температурные смещения: 1 — при постоянном источнике нагрева; 2 — при чередующихся периодах включения и выключения источника нагреваРис. 2.8. Температурные смещения: 1 — при постоянном источнике нагрева; 2 — при чередующихся периодах включения и выключения источника нагреваствии тех или и&ых источников- теплоты. К основным источникам теплоты относятся процесс резания, двигатели, подвижные соединения, особенно при значительных скоростях относительного движения. При постоянно действующем источнике теплоты нагрев и температурное смещение изменяются с течением времени по экспоненте
Рис. 2.8. Температурные смещения: 1 — при постоянном источнике нагрева; 2 — при чередующихся периодах включения и выключения источника нагрева
Рис. 2.8. Температурные смещения: 1 — при постоянном источнике нагрева; 2 — при чередующихся периодах включения и выключения источника нагрева
6t = 60(l-е-«Ч,(2.23)
где т — время; а — коэффициент, зависящий от материала и конструкции; 60 = б4 при т -^-оо.
При чередующихся с паузами периодах работы изменения температурных смещений носят случайный характер (рис. 2.8), что усложняет применение различных методов компенсации температурных погрешностей.
Точность позиционирования характеризуется ошибкой вывода узла станка в заданную позицию по одной или нескольким координатам. На точность позиционирования влияет большое число систематических и случайных погрешностей. Стабильность позиционирования определяют зоной рассеяния (дисперсией) положений узла станка при его подводе к определенному положению с одного и toi;o же направления. Ошибку перемещения характеризуют систематической составляющей при фиксированном направлении подвода. Зоной нечувствительности называют разность ошибок положения узла при подводе его к заданой точке с разных сторон.
Точность позиционирования является важной характеристикой качества всех станков с числовым программным управлением. Если известна характеристика точности позиционирования для данного конкретного станка, то ее можно уточнить при отработке управляющей программы.
ГЛАВА 3
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ НА СТАНКАХ
■ Тело любой детали есть замкнутое пространство, ограниченное реальными геометрическими поверхностями, которые образованы в результате обработки тем или иным способом (литьем, штамповкой, резанием и т. д.). При этом какой бы способ обработки ни был применен, реальные поверхности детали всегда отличаются от идеальных геометрических поверхностей, которыми мы мысленно оперируем при конструировании. Поверхности, полученные на металлорежущих станках резанием, отличаются от идеальных формой, 24
размерами и шероховатостью. Теоретически процесс формирования реальных поверхностей на станках аналогичен процессу образования идеальных поверхностей в геометрии, т. е. базируется на идеальных геометрических представлениях.
Любую поверхность можно представить как след движения одной линии (образующей) по другой (направляющей). Обе эти линии называют производящими, причем образующая может быть направляющей, и наоборот. Например, круговая цилиндрическая поверхность может быть представлена как след движения прямой линии по окружности (рис. 3.1, а) или след движения окружности по прямой (рис. 3.1, б). Боковую поверхность зуба прямозубого цилиндрического колеса можно рассматривать как след движения
Рис. 3.1. Образование поверхностей:
1 — образующая производящая линия; 2 — направляющая производящая линия
эвольвенты вдоль прямой линии (рис. 3.1, в) или след движения прямой по эвольвенте (рис. 3.1, г). Таким образом, с геометрической точки зрения процесс образования поверхности сводится к осуществлению движения одной производящей линии по другой.
Производящие линии на станках образуются материальными точками и линиями режущей кромки инструмента за счет согласованных относительных движений заготовки и инструмента. Причем следует подчеркнуть, что почти все производящие линии на станках непрерывно образуются (имитируются) в течение всего времени формирования поверхности. В процессе непрерывной имитации обеих производящих линий и формируется с помощью резания требуемая поверхность.
Согласованные относительные движения заготовки и режущего инструмента, которые непрерывно создают производящие линии, а следовательно, поверхность заданной формы в целом, называют формообразующими (рабочими) и обозначают буквой Ф. В зависимости от формы производящей линии и метода ее образования движения формообразования могут быть простыми и сложными. К простым движениям формообразования относят вращательное, которое обозначают Ф (В), и прямолинейное — Ф (П).
Сложными формообразующими движениями являются те, траектории которых образуются в результате согласованности взаимозависимых двух и более вращательных или прямолинейных движений, а также их сочетаний. Примеры условной записи сложных формообразующих движений: Ф (BiBa), Ф (BiB2), Ф (В1П2П3) и т. п.
Запись двух и более простых движений в одних общих скобках говорит о том, что они зависят друг от друга и тем самым создают единое сложное движение.
МЕТОДЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДЯЩИХ ЛИНИЙ
При обработке поверхностей резанием в зависимости от вида режущего инструмента и формы его режущей кромки используют четыре метода образования производящих линий: копирование, обкат, след и касание. Сущность этих методов рассмотрим на примере образования дуги окружности и выявим число и характер формообразующих движений для осуществления каждого метода.
Рис. 3.2. Методы образования производящих линий:
1 — линия режущей кромки инструмента; 2 — образуемые производящие линии; 3 — траектория движения точки А режущей кромки инструмента; 4 режущая точка инструмента;
5 — точки касания образуемой производящей лияни режущей точной 4 инструмента; 6 = траектория режущей точки 4 инструмента; ut, v» — относительные скорости
Метод копирования (рис. 3.2, а) состоит в том, что форма производящей линии получается в виде копии (отпечатка) формы режущей кромки инструмента или его профиля. Другими словами, формы образуемой производящей линии и режущей кромки инструмента совпадают (идентичны). Этот метод применяют в тех случаях, когда для получения производящих линий используют фасонный режущий инструмент. В связи с тем, что форма образуемой производящей линии уже заложена непосредственно в режущем инструменте, для получения производящей линии методом копирования не требуется никакого формообразующего движения.
Метод обката (рис. 3.2, б) заключается в том, что форма образуемой производящей линии возникает в виде огибающей ряда 26
последовательных положений, занимаемых режущей кромкой инструмента при обкатывании ею без скольжения образуемой линии. В процессе получения производящей линии либо режущая кромка инструмента катится по образуемой ею же линии, либо они взаимно обкатываются. Другими словами, образуемая производящая линия и линия режущей кромки инструмента должны быть взаимоогибае- мыми. Для получения производящей линии методом обката требуется одно, но всегда сложное формообразующее движение — движение обката (качения).
Метод следа (рис. 3.2, в) состоит в том, что форма производящей линии получается в виде следа режущей точки (практически это весьма короткий отрезок линии) кромки инструмента при относительном движении заготовки и инструмента. Поэтому для получения производящей линии методом следа необходимо одно простое или сложное формообразующее движение (в зависимости от формы образуемой линии).
Метод касания (рис. 3.2, г) заключается в том, что форма производящей линии возникает в виде огибающей мест касания множества режущих точек вращающегося инструмента в результате относительных движений оси вращения инструмента (шпинделя) и заготовки. Этот метод характерен при образовании производящих линий с участием таких инструментов, как фрезы и шлифовальные круги, имеющих множество режущих точек, а следовательно, точек касания, формирующих траекторию образуемой производящей линии. Для получения производящей линии методом касания требуется два, реже три формообразующих движения.
ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Процесс образования поверхностей резанием состоит в том, что за счет согласованных относительных движений заготовки и инструмента непрерывно образуются обе производящие линии при одновременном относительном их перемещении. Каждая производящая линия образуется одним из указанных выше четырех методов, поэтому образование поверхностей характеризуется сочетанием двух из четырех методов образования производящих линий, причем это может быть сочетание одноименных методов. Например, при образовании круговой цилиндрической поверхности с помощью резца обе производящие линии (окружность и прямая) получаются одним и тем же методом — методом следа (рис. 3.3, а). В общем случае число движений формообразования для создания поверхности определяется суммой движений формообразования, необходимых для образования обеих производящих линий. Однако нередко встречаются случаи, когда одно вращательное движение одновременно участвует в создании обеих производящих линий, необходимых для образования поверхности, т. е. вращательное движение выполняет сразу две функции. Существуют две формы участия вращательного Движения в одновременном образовании обеих производящих линий: 1) вращательное движение по отношению к каждой из двух произво-
дящих линий выступает как отдельно взятое движение формообразования, например, вращательное движение фрезы при обработке штампов, и пресс-форм концевыми фрезами со сферическим режущим концом; 2) вращательное движение, участвующее в процессе образования поверхности, по отношению к одной производящей линии выступает в роли формообразующего движения, а по отношению к Другой является составной частью сложного формообразующего движения, необходимого для образования второй производящей линии, например, вращательное движение фрезы при обработке цилиндрических колес червячными фрезами. Во всех подобных случаях общее число формообразующих движений при формировании поверхностей
Рис. 3.3. Исполнительные движения:
а — формообразования; б — установочное; в — врезания; г — деления
резанием становится меньше на единицу по отношению к теоретически подсчитанной сумме и практически не превышает трех. Поэтому металлорежущие станки бывают с одним, двумя или тремя движениями формообразования.
Так как в металлорежущих станках образование поверхностей осуществляется резанием, то все формообразующие движения станка одновременно являются движениями резания. Причем если в станке имеется одно движение формообразования, то оно является движением скорости резания (обозначается Фо). Если в станке есть два движения формообразования, то одно из них, имеющее большую скорость, является движением скорости резания Фо, а второе, имеющее меньшую скорость, является движением подачи (обозначается Ф8). Из трех движений формообразования в станке одно будет движением скорости резания Фи, имеющим наибольшую скорость, а два других — движениями подачи Ф8Х и Ф6-2.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В СТАНКАХ
Все движения в станках, в том числе и формообразующие, называются исполнительными. По целевому признаку их можно разделить на движения: формообразования Ф, установочные Уст, деления Д, управления Упр, вспомогательные Всп (определение формообразующих движений дано выше).
Установочными называют движения заготовки и инструмента, необходимые для перемещения их в такое относительное положение, при котором становится возможным с помощью формообразующих движений получать поверхности, требуемого размера. Примером установочного движения является поперечное движение Уст (П) резца для установления его в положение, позволяющее получить круговой цилиндр требуемого диаметра D (рис. 3.3, б). Иногда установочное движение, при котором отсутствует резание, называют наладочным.
Есдти при установочном движении происходит резание материала, то такое движение называют движением врезания (обозначается Вр). Например, поперечное перемещение резца для образования канавки требуемого диаметра d (рис. 3.3, в) будет движением врезания Вр (П). Иногда движение врезания по своей структуре может совпадать с движением формообразования или осуществляться одновременно с ним.
Делительными называют движения, необходимые для обеспечения равномерного расположения на заготовке одинаковых образуемых поверхностей. Например, при нарезании двухзаходной резьбы фасонным резцом после нарезания одной винтовой канавки требуется повернуть заготовку на 180° для нарезания второй винтовой канавки. Поворот заготовки на 180° и будет делительным движением. Движением деления будет также движение Д (В) поворота дисковой фрезы на угол а при затыловании ее зубьев (рис. 3.3, г).
Делительные движения могут быть периодическими или непрерывными, что зависит в основном от конструкции режущего инструмента. Непрерывные делительные движения по своей структуре совпадают с одним из формообразующих движений, которое выполняет одновременно процессы формообразования и деления.
К вспомогательным движениям относятся движения, обеспечивающие установку, зажим, освобождение, транспортирование, быстрое перемещение заготовки и режущего инструмента в зону резания, охлаждение, смазывание, удаление стружки, правку инструмента и т. п.
К движениям управления относят те, которые совершают органы управления, регулирования и координирования всех других исполнительных движений станка. К таким органам относятся муфты, реверсирующие устройства, кулачки, ограничители хода и др.
Определяющую роль в формировании кинематической структуры станка играют движения формообразования, установочные (врезания) и деления.
Любое исполнительное движение в станке можно охарактеризовать пятью пространственными параметрами: траекторией, скоростью,
направлением, путем и исходной точкой. Наиболее важными параметрами любого движения являются траектория и скорость.
В зависимости от характера исполнительного движения, формы его траектории, схемы резания, вида и конструкции режущего инструмента движение теоретически можно настраивать по .двум, трем, четырем или пяти параметрам. Наибольшее число параметров настройки может потребоваться лишь сложному движению с незамкнутой траекторией. По четырем параметрам(за исключением настройки на траекторию) осуществляется настройка простого движения- с незамкнутой траекторией, по трем параметрам (на траекторию, скорость и направление) — сложное движение с замкнутой траекторией.
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ГРУППА
Каждое исполнительное движение в станках осуществляется кинематической группой, представляющей собой совокупность источника движения, исполнительного органа (органов), кинематических связей и органов настроек, обеспечивающих требуемые параметры движения. Название кинематической группы ана7 логично названию создаваемого ею исполнительного движения. Например, группу, создающую формообразующее движение, называют формообразующей группой и т. п.
Структура кинематической группы может быть разнообразной и зависит от характера осуществляемого движения, числа исполнительных органов, потребности регулирования параметров движения.
Под исполнительными органами понимают подвижные конечные звенья кинематической группы, непосредственно участвующие в образовании траектории исполнительного движения. Исполнительные органы, осуществляющие абсолютное или относительное движение заготовки или режущего инструмента в процессе формообразования, называют рабочими. Например, рабочими органами являются такие звенья станка, как стол, шпиндель, суппорт, ползун и т. п.
В большинстве случаев исполнительные органы совершают вращательное или прямолинейное движение, т. е. являются подвижными звеньями вращательной или поступательной исполнительной кинематической пары (рис. 3.4).
В зависимости от числа исполнительных органов кинематические группы делятся на простые и сложные. Простые группы имеют один исполнительный орган, а сложные —
два и более исполнительных органов.
Любая кинематическая группа включает в себя два качественно различных вида кинематической связи— внутреннюю и внешнюю.
Под кинематической связью в станках понимают такую связь между звеньями или
Рис. 3.4. Исполнительные кинематические пары; а — вращательная; 6 — поступательная
исполнительными органами станка, которая накладывает условия ограничения, не позволяющие занимать произвольные положения в пространстве относительно друг друга и иметь произвольные скорости.
Под внутренней кинематической связью группы понимают совокупность кинематических звеньев и их соединений, обеспечивающих качественную характеристику движения, т. е. его траекторию. Внутренняя кинематическая связь группы в станках реализуется разными путями в зависимости от характера исполнительного движеиия, числа исполнительных органов в группе, требуемой точности образуемой производящей линии (траектории движения) и других факторов. Например, в простых кинематических группах она осуществляется соединением двух соприкасающихся звеньев исполнительной группы, одним из которых является сам исполнительный орган I группы, т. е. шпиндель, стол (рис. 3.4, а), ползун (рис. .3.4, б) и т. д.
В сложных кинематических группах с двумя и более исполнительными органами внутренняя кинематическая связь реализуется в виде кинематической цепи (цепей), связывающей подвижные исполнительные органы группы и обеспечивающей строгую функциональную согласованность их перемещений или скоростей. Эти цепи называют внутренними или функциональными. Причем кинематическое соединение исполнительных органов сложной группы может быть как механическим, т. е. цепью механических передач, так и немеханическим, например, в виде электрической цепи, как в станках с ЧПУ. Необходимое минимальное число внутренних кинематических цепей в сложной группе ие должно быть меньше, чем на единицу числа исполнительных органов. Например (рис. 3.5, а), группа, обеспечивающая сложное движение фхВ^ и имеющая два исполнительных органа I и II, должна содержать в своей структуре, как минимум, одну внутреннюю кинематическую цепь 1—4—2 между исполнительными органами Ч
Под внешней кинематической связью группы понимают совокупность кинематических звеньев и их соединений, обеспечивающих количественные характеристики движения, т. е. его скорость, направление, путь и исходную точку. Обычно внешняя кинематическая связь сложной группы реализуется в виде кинематической цепи 3—4 между источником движения М и одним из звеньев внутренней связи группы. Для простой кинематической группы внешняя кинематическая связь есть цепь !—2 между источником движения М и исполнительным органом группы / (рис. 3.5, б). Внешняя кинематическая связь предназначена для передачи энергии от источника движения М во внутреннюю связь группы.
На рис. 3.5, в показана структурная схема кинематической группы, обеспечивающей исполнительное движение (BgBg/Jg) и
1 Здесь и далее иа структурных кинематических схемах кинематические цепи с механическими звеньями обозначены штриховыми линиями, а немеханические Участки цепей — двумя штриховыми линиями.
имеющей три исполнительных органа. Для обеспечения функциональной согласованности перемещений или скоростей исполнительных органов /, //, III достаточно двух функциональных кинематических цепей, например, /—5—2 и 2—5—3 или другого их сочетания. Внешняя кинематическая связь группы реализуется кинематической цепью 4—5.
Для изменения и регулирования параметров движения в станках используют специальные устройства, которые в общем случае называются органами настройки. Органы настройки таких параметров движения, как траектория, скорость и иногда путь, на структурных
Рис. 3.5. Структурные схемы кинематических групп:
а — сложной с двумя исполнительными органами; б — простой; в — сложной с тремя исполнительными органами
схемах обозначают знаком ^^^ с буквой i, а орган настройки направления движения—знаком | Н |. Заштрихованная часть ’ знака ^^> указывает на фактическое направление передачи движения через орган настройки. Органы настройки движения на | исходную точку и в большинстве случаев на путь в структурных ] схемах не показывают, так как регулирование этих параметров | обычно осуществляется вручную.1
Органы настройки, регулирующие количественные характери- | стики движения, т. е. изменяющие скорость, направление, путь и | исходную точку, всегда располагают во внешней связи кинематиче- j ской группы (в цепи между источником движения и внутренней 1 кинематической связью группы).1
Органы настройки, регулирующие качественную характеристику 1 движения, т. е. его траекторию, располагают только во внутренней 1 321
кинематической связи группы. Причем в простых кинематических группах, имеющих один исполнительный орган и обеспечивающих вращательное или прямолинейное движение, необходимость в органе настройки на траекторию отсутствует. Это связано с тем, что траектория движения в таких группах неизменна и обеспечивается характером соединения звеньев исполнительной кинематической пары, одним из которых является сам исполнительный орган.
Сложные кинематические группы всегда имеют органы настройки на траекторию. Таких органов может быть несколько, но не меньше числа внутренних кинематических цепей в группе. Например, если группа имеет две внутренние кинематические цепи, то органов настройки на траекторию должно быть, как минимум, два, т. е. по органу настройки на каждую внутреннюю кинематическую цепь.
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ структура станков
Кинематическая структура станка представляет собой совокупность кинематических групп; Группы могут быть соединены между собой разными способами; их соединение зависит от многих факторов. Наибольшее влияние на соединение кинематических групй оказывают общность их исполнительных органов и источника движения, а также необходимость координации во времени создаваемых группами движений. Всякое соединение двух кинематических групп осуществляется специальными дополнительными устройствами, такими, как суммирующие механизмы, реверсы, муфты и т. д.
Главной и определяющей частью кинематической структуры любого станка является его формообразующая часть, составляющая общее число и характер групп формообразования, а также их кинематическое соединение. По этому признаку все многообразие кинематических структур металлорежущих станков можно разделить на три класса.
Класс элементарных структур Э, к которому относятся станки с кинематической структурой, содержащей только простые группы формообразования, т. е. группы, создающие движение Ф (В) и ФДП).
Класс сложных структур С, к которому относятся станки с кинематической структурой, содержащей только сложные группы формообразования, т. е. группы, создающие движения Ф (BiB2), Ф (В3П4П5) и т. д.
Класс комбинированных структур К, к которому относятся станки с кинематической структурой, содержащей одновременно и простые и сложные группы формообразования.
Каждый класс содержит определенное число типовых кинематических структур станков, которое можно условно записа^ть буквой с последующими двумя цифрами. Буква указывает на класс, первая цифра—на число формообразующих групп, вторая цифра,— на суммарное число простых вращательных и прямолинейных движений, составляющих все формообразующие движения станка. Например, запись К24 означает, что станок имеет комбинированную структуру, две группы формообразования с четырьмя простыми движениями.
33332 П/р В. Э. Пуша
33
33
Если учесть, что максимально возможное число групп формообразования в структуре станка равно трем, то можно составить таблицу типовых кинематических структур всех станков (табл. 3.1).
При составлении и анализе кинематической структуры станков следует четко представлять себе изделие в целом и те его поверхности, которые должны быть обработаны резанием. Это означает, что обработанную поверхность необходимо охарактеризовать как в поперечном, так и в продольном сечениях, т. е. установить соот- при относительном движении которых может быть образо-
Класс структурыСтруктура станка при числе групп формообразования123Элеменгар ныйэпЭ22эззСложный020304С24 (С25)(С36) (С37)Комбинированный—К23К24К25(К26)К34 -(К35) (К36)(К37)Класс структурыСтруктура станка при числе групп формообразования123Элеменгар ныйэпЭ22эззСложный020304С24 (С25)(С36) (С37)Комбинированный—К23К24К25(К26)К34 -(К35) (К36)(К37)ветствующие производящие линии,3.1. Кинематические структуры станковветствующие производящие линии,3.1. Кинематические структуры станковПримечание. В скобках указаны структуры станков, которые редко встречаются в станкостроении.Примечание. В скобках указаны структуры станков, которые редко встречаются в станкостроении.вана данная поверхность.
Класс структуры
Структура станка при числе групп формообразования
1
2
3
Элеменгар ный
эп
Э22
эзз
Сложный
02
03
04
С24 (С25)
(С36) (С37)
Комбинированный
—
К23
К24
К25
(К26)
К34 -
(К35) (К36)
(К37)
Класс структуры
Структура станка при числе групп формообразования
1
2
3
Элеменгар ный
эп
Э22
эзз
Сложный
02
03
04
С24 (С25)
(С36) (С37)
Комбинированный
—
К23
К24
К25
(К26)
К34 -
(К35) (К36)
(К37)
ветствующие производящие линии,
3.1. Кинематические структуры станков
ветствующие производящие линии,
3.1. Кинематические структуры станков
Примечание. В скобках указаны структуры станков, которые редко встречаются в станкостроении.
Примечание. В скобках указаны структуры станков, которые редко встречаются в станкостроении.
Необходимо также отчетливо представлять себе конструкцию режущего инструмента и форму его режущих кромок, а также относительное взаимное положение обрабатываемой заготовки и инструмента в процессе формообразования требуемой поверхности.
Анализ и сопоставление форм производящих линий и режущей кромки инструмента, а также учет специфики обработки (фрезерование, шлифование и т. д.) позволяли установить метод образования поверхности, а также количество, характер и состав движений формо-
образования, необходимых для реализации выбранного метода.
Устанавливая методы образования производящих линий, необ-
ходимо иметь в виду следующее.
Если для обработки используют фасонный режущий инструмент (резец, фрезу, шлифовальный круг и т. д.), то первая образующая производящая линия получается методом копирования, вторая производящая линия (направляющая) методом следа или касания.
Если поверхность фрезеруют или шлифуют при относительном перемещении заготовки или инструмента, то хотя бы одна из производящих линий образуется методом касания.
В результате анализа схемы резания, расположения обрабатываемых поверхностей и конструкции инструмента устанавливают потребность в движениях деления и врезания, н если они необходимы, то определяют их характер. После того как определены все движения формообразования, деления и врезания, которые определяют кинематику станка в основном, можно приступать к составлению и анализу структур кинематических групп, обеспечивающих эти движения.
Составление и анализ структур кинематических групп станка проводят последовательно от одной к другой в следующем порядке.
Устанавливают число исполнительных органов; как правило, оно соответствует числу простых движений, образующих исполнительное движение.
Определяют внутреннюю кинематическую связь группы; для простых групп — это связь между звеньями кинематической исполнительной пары, а для сложной группы — функциональные цепи (цепь) между исполнительными органами.
Определяют источник движения и внешнюю кинематическую связь группы.
Устанавливают число и расположение органов настройки параметров движения.
Примечания: 1. Иногда исполнительные органы могут одновременно принадлежать двум или более кинематическим группам.
Нередко один и тот же источник движения принадлежит нескольким или всем кинематическим группам.
кинематическая настройка станков
Под кинематической настройкой станка понимают настройку его цепей, обеспечивающую требуемые скорости движений исполнительных органов станка, а также, при необходимости, условия кинематического согласования перемещений или скоростей исполнительных органов между собой. Цель таких согласований — образование поверхности с заданными формой, рзмерами, точностью и шероховатостью. Кинематическая настройка является составной частью наладки станка.
В большинстве металлорежущих станков с механическими связями для настройки кинематических цепей применяют органы кинематической настройки в виде гитар сменных зубчатых колес, а также ременных передач, вариаторов, регулируемых электродвигателей, коробок скоростей и подач, характеристикой которых является общее передаточное отношение i органа.
Значение передаточного отношения органа настройки определяют по формуле настройки и затем реализуют в гитарах сменных зубчатых колес подбором и установкой соответствующих колес в гитаре, а в коробках скоростей и подач — зацеплением соответствующих зубчатых колес.
Для вывода формулы настройки любого органа кинематической настройки необходимо по кинематической схеме станка наметить такую цепь передач, в которой расположен данный орган и известны перемещения или скорости конечных звеньев этой цепи, связанные функциональной или требуемой зависимостью. Желательно, чтобы такая цепь передач, называемая в дальнейшем цепью согласования, включала в себя только один орган настройки, для которого выводят формулу.
Для выбранной цепи согласования составляют условие кинематического согласования перемещений ее конечных звеньев, совер-
Рис. 3.6. Схема расположения и относительных движений обрабатываемого зубчатого колеса и шлифовального круга в процессе формообразованияРис. 3.6. Схема расположения и относительных движений обрабатываемого зубчатого колеса и шлифовального круга в процессе формообразованияшающихся в течение определенного промежутка времени, или их скоростей. Эти перемещения могут быть угловыми, линейно-угловыми и линейными. С учетом условия согласования перемещений или скоростей составляют уравнение кинематического баланса цепи согласования, _ в котором неизвестным является передаточное отношение I органа настройки. При этом следует учитывать, что при совпадении порядка записи с направлением передачи движения через орган настройки символ i записывают в числитель; при отсутствии этого условия — в знаменатель. Уравнение баланса можно записывать от любого конца цепи согласования. Решение уравнения баланса относительно переда
Рис. 3.6. Схема расположения и относительных движений обрабатываемого зубчатого колеса и шлифовального круга в процессе формообразования
Рис. 3.6. Схема расположения и относительных движений обрабатываемого зубчатого колеса и шлифовального круга в процессе формообразования
точного отношения органа настройки представляет собой формулу настройки.
В общем виде формула настройки показывает зависимость передаточного отношения органа настройки от переменных параметров условия кинематического согласования перемещений конечных звеньев цепи согласования и ее постоянной, т. е. / = / (С, переменные параметры условия согласования), где I — передаточное отношение органа настройки; С — постоянная цепи согласования, зависящая от передаточных отношений ее промежуточных передач и постоянных параметров условия согласования перемещений.
Рассмотрим методику анализа кинематической структуры станка и его кинематическую настройку на примере зубошлифовального станка для обработки прямозубых цилиндрических колес.
На данном стайке производится шлифование боковых поверхностей зубьев прямозубых цилиндрических колес дисковым обкатным кругом. В процессе формообразования оси обрабатываемого колеса и шлифовального круга взаимно перпендикулярны (рис. 3.6). Боковые поверхности зубьев обрабатываемого колеса в поперечном сечении характеризуются эвольвентой, а в продольном — прямой линией.
Для формирования боковой поверхности зубьев колеса в продольном направлении используют метод касания, который в данном случае реализуется двумя движениями формообразования — вращением шлифовального круга Фо (SJ и возвратно-поступательным движением ползуна Ф51 (/72) вдоль зуба колеса.
Профиль шлифовального круга имеет очертание профиля зуба прямозубой рейки, поэтому боковая поверхность зубьев колеса в поперечном направлении образуется методом обката, для чего необходимо одно сложное движение качения Ф52 (/73В4). Так как
шлифовальный круг имеет вид диска, шлифование боковых поверхностей зубьев колеса ведется последовательно от одной впадины к другой. Поэтому в станке должно быть движение деления Д (В6), реализуемое поворотом колеса на определенный угол.
Таким образом, кинематическая структура анализируемого станка должна содержать три группы формообразования и одну группу деления, причем три из них простые и одна — сложная.
Рис. 3.7. Кинематическая схема станка для шлифования дисковым кругом прямозубых цилиндрических колес
Теперь следует проанализировать структуру каждой кинематической группы станка в отдельности (рис. 3.7).
Группа движения Фо (В^. Исполнительным органом группы является шпиндель шлифовального круга. Внутренняя кинематическая связь группы осуществляется через связь вращательной кинематической пары, подвижным звеном которой является шпиндель круга, а неподвижным — опоры шпинделя. Внешняя кинематическая связь группы состоит из ременной передачи d^d^, соединяющей источник движения Мг (электродвигатель) со шпинделем шлифовального круга. Группа обеспечивает вращательное движение с замкнутой траекторией, которое теоретически можно настраивать лишь по двум параметрам — скорости и направлению. Однако- практической
необходимости в настройке движения по этим параметрам нет. и поэтому его вообще не регулируют.
Группа движения Ф8У (/7г). Исполнительным органом группы является ползун, совершающий возвратно-поступательное движение вместе с установленным на нем шлифовальным кругом. Внутренняя кинематическая связь группы осуществляется через поступательную кинематическую пару ползун — направляющие стойки. Внешняя кинематическая связь представляет собой цепь между электродвигателем М3 и ползуном. В ее состав входят следующие кинематические пары, звенья и механизмы: Л42 -► цилиндрическая пара i = = -^—► кривошипный механизм -► ползун. Эта группа обеспечи-, вает простое возвратно-поступательное движение с незамкнутой траекторией; ее настраивают: на скорость — четырехскоростным электродвигателем /И2; на путь — изменением величины эксцентриситета пальца кривошипного диска; на исходную точку — изменением положения точки крепления шатуна к ползуну.
Группа движения Ф^ ^ПаВ^. Эта кинематическая группа сложная, так как должна обеспечивать движение обкатки обрабатываемого зубчатого колеса относительно шлифовального круга, имитирующего зуб прямозубой рейки. Группа имеет два исполнительных органа: шпиндель стола, на котором закрепляют обрабатываемое колесо, и каретку, на которой смонтирован поворотный стол. Поворотный стол получает вращательное движение В4, а каретка — прямолинейное поступательное 773.z
Внутренняя кинематическая связь группы осуществляется через функциональную цепь между 'кареткой и столом и имеет следующую структуру: каретка (/73) -► пара винт—гайка с шагом р = 2л —► 96
-► цилиндрическая пара -^—► гитара профилирования 1прОф -►суммирующий механизм (дифференциал) £-► червячная пара -^--►стол (S4).
Внешняя кинематическая связь группы представляет собой цепь между электродвигателем М3 и звеном присоединения к внутренней связи группы: М3 червячная пара ——► реверс Р4 -► гитара
2735
подач ts-► цилиндрические пары.-^- и -^-. Вал с шестерней z = 54 является звеном соединения внешней связи с внутренней.
Рассматриваемая группа обеспечивает сложное движение обката 082 Щ3В^ с незамкнутой траекторией, которое нужно -настраивать по пяти параметрам. На траекторию движения настраивают гитару профилирования 1проф, на скорость — гитару подач is, на направление — реверс Ри на исходную точку — вручную перемещение каретки с помощью ходового винта с шагом р = 2л, на путь — относительное положение устройств, ограничивающих перемещение каретки (на схеме они не показаны).
Группа движения Д{В6). Группа движения деления простая, и ее исполнительным органом является шпиндель поворотного'
2 ->■ червячная пара —2 ->■ червячная пара —стола. Внутренняя кинематическая связь группы обеспечивается связью вращательной кинематической пары поворотный стол — каретка. Внешняя кинематическая связь группы представляет собой кинематическую цепь от электродвигателя Ма до шпинделя стола: Л43гитара скорости деления 1’ск.дел ->■ цилиндрические колеса с i = 1 —>- делительный механизм с дисками Дх и Да-^- гитара деления /дел -►■ суммирующий механизм
2 ->■ червячная пара —
2 ->■ червячная пара —
—стол (В6).
Движение деления простое, с незамкнутой траекторией и на- страивается, не по четырем параметрам, а по трем: на путь — гитарой деления /дал: на скорость — гитарой скорости деления tCK. дал и на исходную,точку—вручную. Настройку на параметр направления не применяют.
Так как группы движений Ф82 (Л3В4) и Д (Вь) имеют общий исполнительный орган — шпиндель стола, то они должны быть кинематически соединены между собой. Группы соединены цилиндрическим дифференциалом 2- Он позволяет, не прекращая движения Ф8г (ПаВ4У осуществить делительное движение Д (В^. Поэтому во время делительного процесса благодаря дифференциалу шпиндель стола получает суммарное движение В4 ± В5. Сам же делительный процесс наступает тогда, когда включена муфта / и вынут из прорезей делительных дисков Дх и Дг фиксатор //, и оканчивается после западания фиксатора одновременно в прорези обоих делительных дисков и отключения муфты I. Так как шлифование впадин между зубьями обрабатываемого колеса происходит последовательно, то за время одного делительного цикла обрабатываемое колесо, закрепленное на столе, поворачивается на-1- целого оборота, где г — число зубьев обрабатываемого колеса.
В данном станке кинематическая настройка осуществляется пятью органами настройки: электродвигателем М2 и четырьмя гитарами сменных зубчатых колес (профилирования /11рОф, подач is, деления 1деп и скорости деления /ск.дел)- Каждый орган настройки имеет свою формулу настройки.
Формула настройки скорости электродвигателя М^. Электродвигатель служит не только источником движения ползуна с шлифовальным кругом со скоростью Пг, но и выполняет роль органа настройки этой скорости.
Вывод формулы настройки:
кинематическая цепь согласования: электродвигатель Ма — ползун;
условие согласования скоростей конечных звеньев цепи: гц электродвигателя Ма ♦- к ползуна,
где п2 — частота вращения электродвигателя Л12, мин-1; к — число двойных ходов ползуна в минуту; «— — знак соответствия.
уравнение кинематического баланса
П2 8 - R2.2Яи.д ’
где у — скорость движения долбяка, м/мин; Кк.д— радиус кривошипного диска; м; L — ход долбяка, м;
формула настройки:
Формула настройки гитары профилирования «прОф. Этой гитарой устанавливается функциональное согласование перемещений стола с заготовкой и каретки, т. е. производится настройка на траекторию движения Ф82 (П3В4У
Вывод формулы настройки:
кинематическая цепь согласования: шпиндель стола—каретка;
условие согласования перемещений конечных звеньев цепи: 1 об. заготовки ♦- л/nz [мм 1 перемещений каретки,
где т — модуль обрабатываемого зубчатого колеса, мм; г — число зубьев обрабатываемого колеса;
• в) уравнение кинематического баланса: 1
. ,904236124 о
об. заготовки-—:г;5=—:57-2л = nmz;
Z£ 21 ^проф
г) формула настройки:
_ 1201пРоф ~ mz •
Следует заметить, что уравнение кинематического баланса любой кинематической цепи согласования может быть записано в двух вариантах. Вариант записи уравнения баланса зависит от того, с какого конца цепи его записывают. В рассматриваемом случае при втором варианте записи уравнение баланса цепи шпиндель стола — каретка имеет вид ,196 .272111
мм перемещения карет ки1проф.
Формула настройки гитары подачи is. Этой гитарой устанавливается согласование скоростей электродвигателя Л13 и каретки, т. е. производится настройка на скорость движения Ф82 (П3В^.
Вывод формулы настройки:
кинематическая цепь согласования: электродвигатель Л43 — каретка;
условие согласования скоростей конечных звеньев цепи: 1400 [мин-1] электродвигателя М3 «-* S перемещения каретки; в) уравнение кинематического баланса
340 . 273524 - _ „
1400‘ 35 ‘ 40 "ls" 48 " 5496 -2л’
г) формула настройки:
S
69 *
ческое движение происходит, когда включена муфта I и фиксатор // вынут из прорезей делительных дисков Дх и Д2. При этом диски освобождены для вращения, и движение Д ф^ передается через делительный диск Дх, гитару деления inen и дифференциал к столу. Время осуществления этого движения называют делительным циклом.
Выводы формулы настройки:
кинематическая цепь согласования: делительный диск Дх — шпиндель стола;
условие согласования перемещений конечных звеньев цепи: пд, оборотов делительного диска Дх *-♦ -у- оборота стола;
уравнение кинематического баланса:
11
Яд,-! дел "Is'-до— ,
' где ix — передаточное отношение дифференциала;
формула настройки:
,.У—
дел «Д1^
Определим численное значение дД1 оборотов диска Д\ за один делительный цикл и t2 — передаточное отношение дифференциала.
После того как фиксатор II вынут из прорезей дисков Дх и Д2, они начинают вращаться, причем с различными скоростями. Через некоторое время прорези дисков окажутся в одной плоскости, и фи- , ксатор западает одновременно в прорези обоих дисков. В этот момент оканчивается делительный цикл.
Подсчитаем относительные повороты дисков. За один оборот /84277
диска Дх диск Д2 должен сделать -gy-gj- = "p" оборота. Следовательно, диск Д2 вращается быстрее диска Дх, и за время делительного цикла диск Д2 делает семь оборотов, а диск Дх — шесть оборотов, т. е. пД1 = 6.
Передаточное отношение дифференциала ia = -у- определим по формуле Виллиса:
Л 42 «в 2721 е
«27 — пв — 36 " 42 ’
при п2, = О получим —- = -р = is, где z?42, п27 и пв — частоты вращения соответственно колес z = 42, z = 27 и водила дифференциала..
С учетом численных значений лД1 и is формула настройки гитары деления имеет вид
‘•дел~ •
Формула настройки гитары скорости деления ?ск. дел. Данная гитара предназначена для установления согласования оборотов делительного диска Дг и электродвигателя Мэ за время делительного цикла.
Вывод формулы настройки:
кинематическая цепь согласования: делительный диск Дг — электродвигатель М3;
условия согласования перемещений конечных звеньев цепи согласования:
6 об. делительного диска Дл «-* —^— t об. электродвигателя М3, где t — время делительного цикла, с;
уравнение кинематического баланса:
6 84 11— 1400
24 1ск. дел 6®
формула настройки:
— 9
*ск. дел — щ,^ •
ГЛАВА 4
КИНЕМАТИКА СТАНКОВ
В этой главе рассмотрена кинематика резьбо- и зубообрабатывающих станков, как наиболее распространенных среди станков со сложными и комбинированными кинематическими структурами."
РЕЗЬБООБРАБАТЫВАЮЩИЕ СТАНКИ
Резьбообрабатывающие станки предназначены для формообразования на заготовках винтовых поверхностей, которые широко применяют в машиностроении в неподвижных резьбовых соединениях, винтовых и червячных передачах, а также в большинстве режущих инструментов, применяемых при формообразовании на станках винтовых поверхностей.
Резьбы (винтовые поверхности) характеризуются в продольном направлении винтовой линией и в поперечном сечении, проходящем через ось тела вращения — профилем. Профиль может быть треугольным, прямоугольным, трапецеидальным, полукруглым и т. д,
Для формообразования винтовых поверхностей в большинстве случаев используют режущие и абразивные инструменты, форма режущей кромки или контура которых совпадает с профилем нарезаемой резьбы. Поэтому основным методом образования профиля винтовых поверхностей является метод копирования, и этот метод осуществляется резьбовыми резцами (рис. 4.1, а), метчиками (рис. 4.1,6), плашками (рис. 4.1, в), резьбовыми гребенками (рис. 4.1, а), резьбонарезными головками, дисковыми резьбовыми
фрезами (рис. 4.1,5), многониточными гребенч'атыми фрезами (рис. 4.1, е), дисковыми (рис. 4.1, ж) и многониточными (рис. 4.1, з) шлифовальными кругами.
Для образования профиля у цилиндрических и глобоидных червяков, а также у ходовых винтов при нарезании их чашечным обкаточным резцом используют метод обката. В продольном направлении форма винтовых поверхностей образуется методом следа иля касания в зависимости от применяемого инструмента.
Рис. 4.1. Формообразование инструментами 2Рис. 4.1. Формообразование инструментами 2винтовых поверхностей на заготовках 1 режущимивинтовых поверхностей на заготовках 1 режущими
Рис. 4.1. Формообразование инструментами 2
Рис. 4.1. Формообразование инструментами 2
винтовых поверхностей на заготовках 1 режущими
винтовых поверхностей на заготовках 1 режущими
В связи с тем, что наиболее распространенным методом образования профиля резьбы является метод копирования, не требующий движения формообразования, кинематическая структура большинства резьбообрабатывающих станков состоит только из кинематических групп, создающих движения для образования винтовой линии. При образовании винтовой линии методом следа (резцом, метчиком,, плашкой, резьбовой гребенкой) требуется одно сложное винтовое движение Фо (Вь ГЦ, а методом касания (резьбонарезной головкой,' фрезой, шлифовальным кругом) — два движения: одно простое Фо (В^ — вращение инструмента, и второе сложное винтовое Фе (В2П3). Таким образом, кинематическая структура резьбообра-
батывающих станков в первом случае состоит из одной группы формообразования, а во втором — из двух.
На рис. 4.2 показана структурная кинематическая схема токарновинторезного станка, предназначенного для нарезания резьб фасонным резцом или резьбовой гребенкой. Станок имеет одну сложную группу формообразования, создающую винтовое движение Фо (BJl^ инструмента относительно заготовки. Внутренняя кинематическая связь группы осуществляется винтонарезной цепью 1—2 между шпинделем заготовки и продольным суппортом с органами настройки 1ВИНТ на шаг резьбы и Pv на направление подачи. Внешняя связь группы осуществляется через цепь 3—1, связывающую источник
Рис. 4.2. Структурная кинематическая схема токарно-винторезного станкаРис. 4.2. Структурная кинематическая схема токарно-винторезного станка
Рис. 4.2. Структурная кинематическая схема токарно-винторезного станка
Рис. 4.2. Структурная кинематическая схема токарно-винторезного станка
движения М с одним из звеньев винтонарезной цепи (точка /) и имеющую органы настройки iD на скорость и Р2 на направление винтового движения (правая или левая резьба).
В станках, нарезающих резьбу метчиками или плашками, винтонарезная цепь отсутствует. Внутренняя связь группы, создающей винтовое движение Фм (BJl^, из-за особой конструкции этих инструментов осуществляется связью винтовой кинематической пары инструмент — заготовка. Поэтому станок имеет простую кинематическую группу формообразования. Настройка на шаг нарезаемой резьбы здесь отпадает, так как на метчике или плашке режущие кромки расположены по винтовой линии с шагом, равным шагу нарезаемой резьбы.
Кинематическая структура станков, обрабатывающих резьбу фасонными дисковыми и кольцевыми гребенчатыми фрезами, а также дисковыми и многониточными шлифовальными кругами, имеет две группы формообразования. Одна группа простая Фо (BJ, сообщающая вращательное движение инструменту, а вторая — сложная Ф8 (В2/73), которая создает сложное винтовое движение заготовки и инструмента. Группа Фв (В^ в большинстве резьбофрезерных станков имеет орган настройки на скорость 1В, а в резьбошлифовальных станках он, как правило, отсутствует. Сложная группа Ф8 (В2/73) имеет два органа настройки: iBHHT (на траекторию винтового движения) и is (на скорость подачи).
Наиболее сложными структурами резьбообрабатывающих станков являются структуры с двумя сложными группами формообразования. Это относится к станкам, нарезающим резьбу червячной резьбовой фрезой с профилем зуба, шагом и длиной, соответствующими
Рис. 4.3. Структурная кинематическая схема стайка для нарезания многозаходных цилиндрических червяков и ходовых винтов обкаточным чашечным резцомРис. 4.3. Структурная кинематическая схема стайка для нарезания многозаходных цилиндрических червяков и ходовых винтов обкаточным чашечным резцомйрофилю, шагу и длине нарезаемой резьбы, а также к станкам, нарезающим многозаходные цилиндрические червяки и ходовые винты обкаточным чашечным резцом (рис. 4.3). Первая группа Фо (ВГВ2) создает движение скорости резания и содержит внутреннюю кинематическую цепь 1—6—2—2, соединяющую шпиндель заготовки со шпинделем инструмента, включая орган настройки *обк только для станков, работающих чашечным резцом. В станках, работающих червячной фрезой, во внутренней цепи группы Фо (BLBa) орган настройки на шаг резьбы отсутствует, так как шаг нарезаемой резьбы, обеспечивает сам инструмент. Вторая сложная группа Ф8 (В8Л4) создает движение подачи и содержит внутреннюю цепь 2—2—4—3, соединяющую шпиндель заготовки с продольным суп-
Рис. 4.3. Структурная кинематическая схема стайка для нарезания многозаходных цилиндрических червяков и ходовых винтов обкаточным чашечным резцом
Рис. 4.3. Структурная кинематическая схема стайка для нарезания многозаходных цилиндрических червяков и ходовых винтов обкаточным чашечным резцом
Рис. 4.4. Схема формообразования при нарезании глобоидного червяка обкаточным чашечным резцом
портом, на котором расположен инструмент, и имеющую орган настройки на траекторию движения гвинт- Обе группы Фо и Ф8 имеют органы настройки на скорость i„ и подачу is, располагающиеся соответственно во внешних связях М—1 и М—5—6—2—2—4. В связи с тем, что обе группы имеют общий исполнительный орган — шпиндель заготовки, а создаваемые ими движения осуществляются в одно и то же время, в структуре рассматриваемых станков имеется суммирующий механизм 2> соединяющий обе группы и обеспечивающий на шпинделе суммарное движение Вг + В3.
Кинематическая структура станка для нарезания обкаточным резцом глобоидного червяка (рис. 4.4) содержит одну сложную группу формообразования Фв (В4В2) с органами настройки iots» и iy ‘и одну простую группу, создающую движение радиального врезания Вр (П3) с органом настройки гвр.
При нарезании конических резьб фасонным резцом траектория винтового движения усложняется, так как вместо цилиндрической винтовой линии необходимо создать коническую винтовую линию. В соответствии с этим усложняется кинематическая группа, создающая в станке движение с такой траекторией. Внутренняя связь Фо (В^П^Пэ) такой группы включает в себя не одну, а две кинематические цепи с органами настройки гввнт и iK0H.
В резьбообрабатывающих станках внутренние кинематические цепи групп формообразования через соответствующие им органы настройки должны обеспечивать следующие условия кинематического согласования перемещений своих конечных звеньев.
Винторезные цепи с органом настройки гвоит-
об. заготовки •— Р мм продольного перемещения инструмента, где Р — шаг нарезаемой резьбы.
Цепи обкатки с органом настройки (обк:
об. заготовки—* — об. чашечного резца, где г — число зубьев чашечного резца; к — число витков нарезаемой резьбы (червяка).
Внутренняя цепь с органом настройки zK0H:
L мм продольного перемещения «-* L-tg а мм поперечного перемещения инструмента,
где L — произвольная величина перемещения; а — половина угла при вершине конуса заготовки.
ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИЕ СТАНКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС
К зубообрабатывающим станкам для нарезания цилиндрических и червячных колес относятся зубопротяжные, зубодолбежные, зубофрезерные и зубоотделочные (зубошлифовальные, зубо- шевннговальные) станки.
Рис. 4.5. Формообразование при нарезании зубьев у цилиндрических колес и реек
Зубодолбежные станки предназначены для нарезания цилиндрических колес с прямым и винтовым зубом внешнего и внутреннего зацепления, а также шевронных зубчатых колес. Для их нарезания применяют зуборезные долбяки (рис. 4.5, а), зуборезные гребенки (рис. 4.5, 6} и в массовом производстве зубодолбежные (многорезцовые) головки (рис. 4.5, в), профили рабочей части резцов которых соответствуют профилю впадин между зубьями нарезаемого колеса. Зуборезными гребенками можно нарезать цилиндрические колеса только с внешним зацеплением.
На рейкодолбежных станках нарезают рейки с прямым и косым зубом с помощью зуборезных долбяков (рис. 4.5, г), а на зубопротяжных станках — цилиндрические колеса с внутренним зацеплением фасонными протяжками.
Профиль зубьев (эвольвента) цилиндрических колес получают методом копирования или обкатки. Метод копирования используют только при нарезании колес зубодолбежными головками на зубодолбежных станках и фасонными протяжками на зубопротяжных станках. Во всех остальных случаях применяют метод обкатки. Этот же метод используют и при формировании профиля зубьев реек.
Рис. 4.6. Схема нарезания зуборезным долбяком винтовых зубьев у цилиндрического колесаРис. 4.6. Схема нарезания зуборезным долбяком винтовых зубьев у цилиндрического колесаРис. 4.7. Структурная кинематическая схема зубодолбежного станкаРис. 4.7. Структурная кинематическая схема зубодолбежного станка
Рис. 4.6. Схема нарезания зуборезным долбяком винтовых зубьев у цилиндрического колеса
Рис. 4.6. Схема нарезания зуборезным долбяком винтовых зубьев у цилиндрического колеса
Рис. 4.7. Структурная кинематическая схема зубодолбежного станка
Рис. 4.7. Структурная кинематическая схема зубодолбежного станка
Формообразующая часть кинематической структуры зубодолбежных станков включает в себя одну или две группы формообразования. Станки, в которых для образования профиля зубьев используется метод копирования, имеют одну простую группу формообразования Фу (Л^, создающую возвратно-поступательное движение зубодолбежной головки в зубодолбежном станке или поступательное движение протяжки в зубопротяжном. Станки, в которых для образования профиля зубьев используется метод обката, имеют две формообразующие группы: простую и сложную. Простой является группа скорости резания, создающая возвратно-поступательное прямолинейное движение Ф„ (/7t) долбяка или гребенки при нарезании прямых зубьев или возвратно-поступательное винтовое движение Фо фхВ^ долбяка (рис. 4.6) при нарезании винтовых зубьев у колес и косых — у реек. У обеих групп внутренняя связь обеспечивается связью кинематической пары: у группы Фо (/7J — поступательной пары ползун — прямолинейные направляющие стойки станка; у группы Фо фф^ '— винтовой пары ползун — винтовые направляющие сменных копиров. Внешняя связь групп Фу обеспечивается кинематической цепью /—2—3 (рис. 4.7) между источником движения и пол-
зуном, включая орган настройки i„ и кривошипный механизм. Сложной формообразующей группой является группа подачи, создающая медленное обкаточное движение Ф8 (В3В4) для образования профиля зубьев при обкате долбяка относительно нарезаемого колеса или движение Ф8 (П3ВД при обкате долбяка относительно нарезаемой рейки или зуборезной рейки относительно нарезаемого колеса. Внутренняя связь группы Ф8 (В3В^ обеспечивается одной кинематической цепью 4—5—6 с. органом настройки 10бк, а внешняя — цепью /—2—5 между источником движения и одним из звеньев внутренней цепи с органом настройки 18. В зубодолбежных станках для нарезания цилиндрических колес имеет место группа радиального врезания Вр Щ5У Внутренняя связь этой группы обеспечивается связью поступательной пары -каретка стола — направляющие станины (в некоторых моделях станков связью суппорт с долбяком— поперечные направляющие стойки), а внешняя связь осуществляется через цепь 1—2—7 от двигателя М через кулачок к каретке стола (суппорту с долбяком) с органом настройки zBp.
Во всех зубодолбежных и зубопротяжных станках помимо формообразующего процесса осуществляется и делительный процесс, необходимый для равномерного размещения нарезаемых зубьев на заготовке. Однако большинство этих станков не имеют самостоятельных делительных групп из-за того, что процесс деления осуществляется попутно с процессом формообразования вследствие много- лезвийности режущего инструмента и замкнутости линии, на которой расположены резцы и режущие зубья. Исключение составляют станки для нарезания колес зуборезными гребенками. Кинематическая структура этих станков включает в себя группу Д (В6), создающую делительное движение поворота заготовки для нарезания зубьев на участке, где еще они не нарезаны.
Зубодолбежные станки, на которых обрабатывают зубчатые колеса зубодолбежной головкой или долбяком, имеют в своей структуре группу Вр Щ^, создающую движение радиального врезания резцов головки или зубьев-резцов долбяка в заготовку (см. рис. 4.5, в). Помимо перечисленных и рассмотренных выше движений зубодолбежные станки имеют еще ряд различных простых вспомогательных движений и соответствующие им кинематические группы.
Кинематическая настройка зубодолбежных станков, как и любых других, сводится к настройке его цепей. Структура зубодолбежных станков содержит лишь одну сложную группу Ф8, которая имеет одну внутреннюю кинематическую цепь с органом настройки 10бк. Эта цепь в группе Ф8 (ВзВ^ должна обеспечивать условие кинематического согласования вращений нарезаемого колеса и долбяка следующего вида:
1 об. заготовки*-»—^— об. долбяка,^ Oil
а внутренняя цепь в группе Ф8 (ПдВ^ должна обеспечивать условие кинематического согласования перемещения нарезаемой (или зубо-
резной) рейки с вращением долбяка (или нарезаемого колеса) следующего вида: , '
об. долбяка (колеса) «-* лтгдол (nmzyar) мм перемещения рейки, где гзаг — число нарезаемых зубьев колеса; 2Д0Л — число зубьев долбяка; т — модуль нарезаемых зубьев.
Настройка движения Фа на скорость осуществляется гитарой iD, посредством которой обеспечивается согласование вращения ротора электродвигателя М с возвратно-поступательным перемещением ползуна следующего вида:
пм об/мин ротора электродвигателя «-* к дв. ход/мин ползуна, где к — число двойных ходов ползуна в минуту.
»)6)в)
Рис. 4.8. Формообразование зубьев цилиндрических колес с помощью фрез: а — фасонной дисковой; б — фасонной .пальцевой; в — червячной модульной
Скорость движения подачи исчисляется в миллиметрах перемещения 5дуг по диаметру начальной окружности долбяка за один его двойной ход. Настройка на скорость подачи осуществляется через гитару подач ts, которая должна обеспечить следующее условие согласования перемещений ползуна с поворотом долбяка:
дв. ход ползуна -5ду^- об. долбяка.
Л/И2дод
Зубофрезерные станки предназначены для нарезания цилиндрических колес с прямым и винтовым зубом внешнего зацепления с помощью фасонных дисковых (рис. 4.8, а), пальцевых (рис. 4.8, б) и червячных модульных (рис. 4.8, в) фрез. Если в зубофрезерном станке имеется помимо вертикального ходовой винт радиального или тангенциального перемещения инструмента относительно заготовки, то на нем можно также нарезать червячными фрезами червячные колеса. Станок, имеющий все три перечисленных винта, относится к универсальным зубофрезерным станкам. Профиль зубьев нарезаемых колес фрезерованием образуется методом копирования или обката, а форма зубьев по длине — методом касания. Станки, использующие метод копирования в сочетании с методом касания прй нарезании колес фасонными дисковыми или пальцевыми фрезами, имеют простую структуру, состоящую из двух простых групп Фа (В^ и Ф8 фф а также группы Д фф Сложнее кинемати-
ческая структура зубофрезернух станков, в которых используют метод обката при нарезании колес червячными фрезами. Структура таких станков включает две или три формообразующие группы и не имеет отдельной группы деления. Для образования профиля зубьев
Рис. 4.9. Формообразование зубьев червячного колеса методами врезания: а — радиального; б —■ тангенциальногоРис. 4.9. Формообразование зубьев червячного колеса методами врезания: а — радиального; б —■ тангенциального
Рис. 4.9. Формообразование зубьев червячного колеса методами врезания: а — радиального; б —■ тангенциального
Рис. 4.9. Формообразование зубьев червячного колеса методами врезания: а — радиального; б —■ тангенциального
1111lvlv11ЧбкЧбк1212В? 84 В6В? 84 В6Рис. 4.10. Кинематическая структура универсального зубофрезерного станкаРис. 4.10. Кинематическая структура универсального зубофрезерного станка‘5яр 1щанг‘5яр 1щанг
11
11
lv
lv
1
1
Чбк
Чбк
12
12
В? 84 В6
В? 84 В6
Рис. 4.10. Кинематическая структура универсального зубофрезерного станка
Рис. 4.10. Кинематическая структура универсального зубофрезерного станка
‘5яр 1щанг
‘5яр 1щанг
применяют сложное движение Ф„ (BYB^, а для образования формы зуба по длине применяют для прямого зуба движение Ф8 (/73), для винтового зуба Ф8 (/73В4) и при фрезеровании винтового зуба с диагональной подачей — Ф81 (П3В^ и Ф83 (ПьВе).
Формообразование зубьев червячного колеса осуществляется методами радиального (рис. 4.9, а) и тангенциального (рис. 4.9, б) врезания. При первом методе используют винт радиального перемещения. Формирование боковых поверхностей зубьев по профилю и длине, а также делительный процесс осуществляются одним сложным движением Фо (В^^. Процесс радиального врезания зубьев фрезы в заготовку осуществляется движением Вр {П^. При втором методе используют винт тангенциального перемещения и специальную червячную фрезу с заборным конусом. Образование профиля и формы зуба по длине, а также делительный процесс
осуществляются, как и при первом методе, движением Фа (BLB2y Вторым движением Ф82 (^5^6) осуществляется тангенциальное врезание за счет конусной части фрезы и еще раз формирование боковых поверхностей нарезаемых зубьев, поэтому второй метод используют ' для нарезания более точных червячных колес.
Как видно из приведенного анализа, наиболее сложную структуру имеет универсальный зубофрезерный станок (рис. 4.10), име-
50
ющий несколько частных структур. Станок содержит три сложных группы формообразования. Структура каждой кинематической группы состоит из внутренней связи в виде внутренней кинематической цепи и внешней связи, через которую движение от двигателя передается во внутреннюю связь. Внутренняя цепь 1—2—3—4 группы движения резания Фо (BiB^, вызываемая цепью обката или профилирования, а также и цепью деления, связывает шпиндель фрезы со шпинделем заготовки (столом) и через гитару iq6k обеспечивает условие кинематического согласования вращений фрезы и заготовки следующего вида:
об. фрезы*-» — об. заготовки,
где к — число фрезы; г — число зубьев нарезаемого колёса.
Скорость движения Фо (BtB^ настраивается посредством органа настройки iB, который расположен во внешней связи группы Фв. Через орган настройки 1В обеспечивается условие согласования вращений ротора двигателя М и шпинделя фрезы:
пм об/мин электродвигателя М -> п^, об/мин фрезы.
Внутренняя цепь 5—6—7—8—9—3—4 группы движения подачи Ф81 (П3В^, называемой дифференциальной цепью, соединяет через дифференциал гайку вертикального, ходового винта, жестко связанную либо со столом, либо с суппортом фрезы, со шпинделем заготовки и через гитару гдиф обеспечивает условие кинематического согласования относительного перемещения фрезы вдоль оси заготовки.с ее вращением следующего-вида:
об. заготовки ** Т мм относительного перемещения фрезы вдоль оси заготовки,
где Т — шаг винтовой линии зуба, Т = -^ ; тн — нормальный модуль; р — угол наклона винтового зуба.
Скорость движения Ф81 Щ3В^ настраивается посредством гитары подач i8, которая располагается в цепи подач 4—3—10—7—6—5, соединяющей гайку вертикального ходового винта (стол или суппорт фрезы) со шпинделем заготовки, но не проходящей через дифференциал. Условие согласования перемещений конечных звеньев цепи подач имеет вид
об. заготовки *-* SB мм относительного перемещения фрезы вдоль оси заготовки,
где SB — подача на 1 об.
Встречаются станки, в которых группа движения продольной подачи Ф81 (П3В4) имеет свой отдельный двигатель Mi. В таком случае цепью подач будет цепь, соединяющая этот двигатель с гайкой вертикального ходового винта, а условие согласования перемещений конечных звеньев такой цепи будет иметь вид
пмг о^ычу. электродвигателя Mi ** 5Ф мм/мин
продольного перемещения фрезы или заготовки в зависимости от того, с суппортом фрезы или со столом жестко связана гайка вертикального ходового винта.
Внутренняя цепь группы тангенциального врезания Ф82 (/75В6) связывает гайку осевого (тангенциального) ходового винта со шпинделем заготовки; ее используют при нарезании на станке червячного колеса методом тангенциального врезания. В этом случае рассматриваемая цепь 11—12—13—9—3—4 вместе с органом настройки гтада должна обеспечить условие кинематического согласования перемещений своих конечных звеньев следующего вида:
L мм тангенциального перемещения фрезы «-* L - об. заготовки,
где L — произвольное тангенциальное перемещение фрезы.
Скорость движения Ф82 (776В6) настраивается посредством гитары осевой подачи, расположенной в цепи осевых подач. Встречаются два вида структуры этой цепи. Если группа Ф82 (ПЬВ^ имеет свой отдельный источник движения М2 или общий источник движения с группой Ф81 (П3В^, то цепью осевых подач будет цепь, связывающая двигатель Мг или Мх с гайкой осевого ходового винта. Условие согласования перемещений конечных звеньев такой цепи будет:
Пм, (М,) об/мин электродвигателя М2 (MJ ** 50 мм осевого перемещения фрезы. .
Если группа Ф82 (/7вВ6) имеет в качестве источника движения двигатель М, общий для всех трех групп Фо, Ф81 и Ф82, то цепью осевых подач будет цепь 4—<3—10—7—12—И, соединяющая шпиндель заготовки с гайкой осевого ходового винта. Условие согласования перемещений конечных звеньев такой цепи будет:
об. заготовки «-* So мм осевого перемещения фрезы.
В этом случае осевая подача 30 становится зависимой от скорости вращения заготовки.
При нарезании червячных колес методом радиального врезания помимо группы движения Фо (В1В2) используется кинематическая группа движения Вр (Т77), у которой внутренняя связь осуществлена относительным радиальным перемещением заготовки или фрезы. Внешняя связь осуществляется через цепь 4—3—10—14 радиальной подачи. Как и предыдущие цепи подач (продольная и осевая), эта цепь имеет два вида структур и в соответствии с этим через гитару is обеспечивает одно из следующих условий согласования перемещений своих конечных звеньев:
пМг (м,) об/мин электродвигателя Mi (Mi) —► Зрад мм/мин радиального перемещения фрезы или
об. заготовки ♦— Зрад мм радиального перемещения фрезы.
Анализ движений формообразования, обеспечивающих нарезание зубчатых колес червячными фрезами, показывает, что при нарезании цилиндрических колес с винтовым зубом и червячных колес 62
методом тангенциального врезания шпиндель заготовки совершает суммарное вращение В2 ± В4 или В2 ± Вв, а при диагональной подаче даже В2 ± В4 ± В6. Это связано с тем, что шпиндель заготовки является общим исполнительным органом двух или трех групп Ф и получает суммарное вращение с помощью одного или двух дифференциалов за счет физического суммирования. Поэтому кинематическую структуру зубофрезерных станков, имеющих дифференциалы, и их кинематическую настройку называют дифференциальными.
Указанные виды колес можно нарезать также на зубофрезерных станках, не имеющих дифференциалов и соответственно внутренних цепей с органами настройки гдиф и г1анг, воспользовавшись методом бездифференциальной настройки этих станков. Сущность этого метода сводится к тому, что условия кинематического согласования перемещений конечных звеньев цепей с гитарами гдаф и iTaro учитываются согласованием вращений заготовки и фрезы цепи обката с гитарой гобк.
При нарезании цилиндрического колеса с винтовым зубом это условие будет иметь вид
об. заготовки —^ -^- ^ 1 ± ^-^ об. фрезы;
при нарезании червячного колеса методом тангенциального врезания оно будет:
об. заготовки *_> "j- ^ 1 + 7^7) °®- Фрезы, где 8В и So — продольное и осевое перемещения фрезы, отнесенные к одному обороту заготовки; т — модуль червячного колеса.
Знаки «+» или «—» берут в зависимости от сочетания направлений винтовых линий на заготовке и фрезе.
ЗУБОШЛИФОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС
Зубошлифовальные станки предназначены для окончательной обработки цилиндрических колес. Наибольшее распространение. в формировании боковых поверхностей зубьев колес шлифованием получили те же методы, что и при их фрезеровании. Метод копирования в сочетании с методом касания используют при шлифовании колес профильным шлифовальным кругом (рис. 4.11, а). Кинематическая структура станков, работающих таким кругом, наиболее простая. Она содержит две простые группы формообразования: группа Фо (BJ создает вращательное движение кругу, а группа Ф8 (/72) — возвратно-поступательное прямолинейное движение вдоль зуба колеса. Помимо этих групп в структуре станка имеется делительная группа Д (B^), создающая делительное движение.
Метод обката в сочетании с методом касания используют при шлифовании колес червячными (рис. 4.11, б), дисковым обкатным (рис. 4.11, в) и двумя обкатными тарельчатыми (рис. 4.11, г и б)
шлифовальными кругами. Кинематическая структура станка, работающего червячным кругом, и его кинематическая настройка аналогичны структуре и настройке зубофрезерного станка, обрабатывающего цилиндрические колеса червячной фрезой. Обкатные
Рис. 4.11. Формообразование при шлифовании цилиндрических колес шлифовальными кругами^
а — профильным; б — червячным; в — дисковым обкатным; г, д — двумя обкатными тарельчатыми
дисковый и два тарельчатых круга в процессе формообразования образуют профиль зуба воображаемой рейки, по которой катится без скольжения шлифуемое колесо.
Кинематическая структура зубошлифовальных станков (рис. 4.12), работающих обкатными дисковыми или тарельчатыми кругами, включает три группы формообразования. С помощью движений Фо (BJ и Ф81 (Л2) методом касания образуется форма зуба 54
Рис. 4.12. Кинематическая структура зубошлифовального станка, работающего обкатным дисковым кругомРис. 4.12. Кинематическая структура зубошлифовального станка, работающего обкатным дисковым кругом
Рис. 4.12. Кинематическая структура зубошлифовального станка, работающего обкатным дисковым кругом
Рис. 4.12. Кинематическая структура зубошлифовального станка, работающего обкатным дисковым кругом
по длине, а обкаточным движением Ф82 (Л3В4) — профиль зуба (индексы у групп Ф даны для станков, работающих дисковым кругом). Последняя группа сложная, и ее внутренняя кинематическая связь обеспечивается цепью профилирования (обката) 1—2—2]—^ с органом настройки 1Проф- Эта цепь должна обеспечивать условие кинематического согласования вращения В4 шпинделя стола (заготовки) с перемещением П3 каретка следующего вида: 1 об. заготовки лтг мм перемещения каретки, '
где m и z — модуль и число зубьев заготовки.
Внешняя связь группы Ф8з (П3Вь) обеспечивает передачу движения от источника движения М3 во внутреннюю связь. Настройка этого движения на скорость осуществляется гитарой подач iS2, расположенной в цепи подачи обката, соединяющей двигатель М3 с кареткой. Условие согласования вращения ротора двигателя с перемещением каретки имеет вид
/?м, об/мин электродвигателя М3 — SM мм/мин перемещений каретки, где SM — скорость перемещения каретки.
Структура станка содержит также группу движения деления Д (В5). Внутренняя связь группы обеспечивается связью вращательной кинематической пары шпиндель стола — каретка, а внешняя связь —цепью 4—5—6—7—5, соединяющей двигатель со шпинделем стола. Так как шпиндель стола принадлежит двум группам Ф82 и Д, то эти группы должны быть кинематически соединены между собой. Для их соединения может быть использован один из трех способов — последовательный, параллельный и смешанный.
Движения деления Д (BaY как и всякое другое делительное движение, обычно настраивается по одному параметру (по пути) посредством гитары деления /дел. В общем виде условие согласования перемещений конечных звеньев цепи деления выглядит так:
п об. отсчетного звена — -^- ^или -у) об. заготовки,
где Zt — число зубьев заготовки, пропускаемых за один делительный цикл при смешанном способе соединения групп Ф82 и Д; z —число зубьев заготовки; п — число оборотов отсчетного звена за делительный цикл.
Рис. 4.13. Схема зубошлифовального станка, работающего тарельчатыми кругамиРис. 4.13. Схема зубошлифовального станка, работающего тарельчатыми кругамиДля формирования профиля зубьев цилиндрических колес при зубошлифовании применяют также метод следа. Используют его при образовании профиля зубьев профилирующими точками режущей кромки двух тарельчатых кругов (см. рис. 4.11,5), расположенными на прямой линии, касательной к основной окружности шлифуемого колеса. Форма зуба по длине образуется методом касания. Кинематическая структура станка, использующего этот метод
Рис. 4.13. Схема зубошлифовального станка, работающего тарельчатыми кругами
Рис. 4.13. Схема зубошлифовального станка, работающего тарельчатыми кругами
формирования боковых поверхностей зубьев, аналогична структуре станков, работающих обкатными кругами. . Однако в отличие от станков, работающих дисковым обкатным кругом, в станках, работающих тарельчатыми кругами, скорость движения обката Фя (ДЭВ4) значительно больше, чем скорость движения продольной подачи, которая создается группой Ф82 (Д2). Другими словами, вначале образуется профиль зуба, а затем его форма по длине.
Особенностью станков, работающих тарельчатыми кругами (рис. 4.13), является также и то, что в группе Ф81 (/73В4) внутренней профилирующей цепью является, как правило, короткая цепь, обеспечивающая обкаточное движение с помощью барабана с лентами, ходового винта с гайкой и совсем редко кулака с толкателем: Цепи с такими механизмами работают точно, но настройка их затруднена необходимостью иметь перечисленные механизмы сменными, что очень дорого.
Все зубошлифовальные станки помимо группы Ф имеют группы движения правки шлифовальных кругов и группу деления Д (В6). Последняя отсутствует лишь в станках, работающих червячным шлифовальным кругом. Группа Д(В6) может иметь отдельный или общий двигатель с группой Ф8 \П3В^- а их структуры отличаться наличием или отсутствием гитары настройки на время деления.
ЗУБОРЕЗНЫЕ СТАНКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ
КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС
Форма боковой поверхности зубьев конических колес характеризуется профилем зуба и формой его по длине. Профиль зубьев представляет собой пространственную кривую, несколько отличающуюся от плоской эвольвенты. Форма зубьев по длине может быть разнообразной. Наибольшее распространение получили зубчатые колеса с прямыми и круговыми (дуговыми) зубьями.
Для образования профиля зубьев конических колес в основном применяют метод обката и весьма редко метод следа и копирования, которые используют при нарезании крупногабаритных конических колес с прямым зубом. Форму зубьев по длине образуют методами 56
следа или касания. Как правило, вначале получают форму зуба по длине, а затем профиль. В случаях же формообразования боковых поверхностей зубьев конических колес профильной круговой протяжкой (рис. 4.14, а) и фрезой (рис. 4.14, б), а также при шлифовании профильным кругом с использованием метода копирования в сочетании с методами следа или касания вначале получают профиль зуба, а затем его форму по длине. При нарезании зубчатых колес остроконечными резцами по копиру (рис. 4.14, в) используют малопроизводительный метод двойного следа.
Наиболее простые кинематические структуры имеют зуборезные станки, в которых образование профиля обрабатываемых зубьев
Рис. 4.14. Формообразование зубьев конических колес с помощью:Рис. 4.14. Формообразование зубьев конических колес с помощью:а — профильной круговой по копируа — профильной круговой по копирупротяжки; б — профильной фрезы; в — остроконечных резцовпротяжки; б — профильной фрезы; в — остроконечных резцов
Рис. 4.14. Формообразование зубьев конических колес с помощью:
Рис. 4.14. Формообразование зубьев конических колес с помощью:
а — профильной круговой по копиру
а — профильной круговой по копиру
протяжки; б — профильной фрезы; в — остроконечных резцов
протяжки; б — профильной фрезы; в — остроконечных резцов
осуществляется методами копирования или следа. Структура таких станков содержит только простые кинематические группы — одну или две группы формообразования и группу деления.
> Наибольшее распространение при нарезании конических колес получил метод следа в сочетании с методом обката или, как его называют короче, метод обката. Этот метод основан на воспроизводстве ' зацепления пары сопряженных конических зубчатых колес (рис. 4.15), одним из которых является обрабатываемое колесо, а дру- , гим — имитируемое одним зубом или впадиной производящее зубчатое колесо.
В процессе обработки они взаимно обкатываются с целью образования профиля зуба методом обката. Так как реального производящего колеса нет, а есть только имитация его движения, которую осуществляет люлька, то такое колесо называют воображаемым производящим колесом. Профиль зуба или впадины между двумя соседними зубьями воображаемого производящего колеса также имитируется движением режущих (производящих) кромок инструмента, перемещающихся с достаточно большой скоростью по линии, характеризующей форму зуба по длине обрабатываемого колеса. В качестве воображаемого производящего колеса используют плоское либо чаще плосковершинное колесо с углом при вершине начального конуса 2ф = 180° — 2у (где у — угол ножки зуба нарезаемого колеса). Плоское колесо представляет собой круговую рейку; оно является предельным коническим колесом в том же смысле, в каком прямолинейная зубчатая рейка представляет собой предель-
кое цилиндрическое колесо с радиусом R -> со. Как и у прямолинейной зубчатой рейки, у круговой рейки профили зубьев очерчены прямыми линиями. Это является основным при использовании плоского или плосковершинного конического колеса в качестве производящего.
Рис. 4.15. Схема зацеплении обрабатываемого конического колеса с плоским производящим воображаемым колесом
Рис. 4.16. Схема нарезания зубьев конического колесаРис. 4.16. Схема нарезания зубьев конического колесаКинематическая структура любого из зуборезных станков, нарезающих конические колеса по методу обката (рис. 4.16), будет состоять из двух, а в некоторых случаях, из трех групп формообразования и группы деления. Нарезание прямозубых конических колес осуществляется чаще с помощью двух зубострогальных резцов, а нарезание колес с дуговым зубом — резцовыми головками, режущие зубья которых расположены на окружности. Структура этих станков однотипна. Она содержит сложную группу формообразования Ф8 (В2В3), обеспечивающую обкаточное движение заготовки и люльки для образования профиля зубьев, и простую группу Фо (П,) или Фр (Si), обеспечивающую движение резцов или резцовой головки для получения формы зубьев по длине. Помимо групп формообразования структура зуборезных станков включает группу деления Д (В4). Исполнительным органом ее является шпиндель заготовки, являющийся также одним из исполнительных орга-
Рис. 4.16. Схема нарезания зубьев конического колеса
Рис. 4.16. Схема нарезания зубьев конического колеса
нов группы Ф8 (В2В3). Поэтому группы Ф8 и Д должны иметь между собой кинематическое соединение. Для этого применяют один из трех способов соединения: параллельный, последовательный или смешанный (параллельно-последовательный). В зависимости от способа соединения групп Ф8 н Д видоизменяются структура станка и его кинематическая настройка.
Рис. 4.17. Кинематическая структура зуборезного станка для нарезания конических колес:Рис. 4.17. Кинематическая структура зуборезного станка для нарезания конических колес:° — при параллельном способе соединения групп Д и Ф^ б — при смешанном способе соединения групп Д и Фк° — при параллельном способе соединения групп Д и Ф^ б — при смешанном способе соединения групп Д и Фк
Рис. 4.17. Кинематическая структура зуборезного станка для нарезания конических колес:
Рис. 4.17. Кинематическая структура зуборезного станка для нарезания конических колес:
° — при параллельном способе соединения групп Д и Ф^ б — при смешанном способе соединения групп Д и Фк
° — при параллельном способе соединения групп Д и Ф^ б — при смешанном способе соединения групп Д и Фк
/по1^5»™™ CUC1VM1между (рис. 4.17, а) двигателем М/по1^5»™™ CUC1VM1между (рис. 4.17, а) двигателем Ми ползунами или резцо-и ползунами или резцо-
/по1^5»™™ CUC1VM1
между (рис. 4.17, а) двигателем М
/по1^5»™™ CUC1VM1
между (рис. 4.17, а) двигателем М
и ползунами или резцо-
и ползунами или резцо-
Структура групп Фв ф^ и Фо (BJ простая, и внутренняя связь их обеспечивается связью либо поступательной пары ползуна с резцами — люлька, либо вращательной пары резцовая головка — люлька. Внешняя связь группы Ф„ состоит из кинематической цепи / 0 ‘3 iztrutz TTX ГЛ 1 ''
вой головкой, обеспечивающей условие согласования перемещений ее конечных звеньев следующего вида:
пм об/мин двигателя М «-* к дв. ход/мин резцов или
пм об/мин двигателя М *^ пр.р об/мин резцовой головки.
Группа движения подачи Ф8 (В2В3) сложная: ее внутренняя связь обеспечивается кинематической цепью 5—6—7 между люлькой и шпинделем заготовки, называемой цепью профилирования или обката. Эта цепь с органом настройки (гитарой профилирования гПрОф) должна обеспечивать следующее условие кинематического согласования вращений своих конечных звеньев:
об. люльки «-* -^22- об. заготовки,гзаг
где гзаг — число нарезаемых зубьев колеса; гпл = z3ar/sin <р — условное число зубьев плоского производящего колеса, здесь <р — половина угла при вершине начального конуса нарезаемого колеса.
Внешняя связь группы Ф8 обеспечивает передачу движения от двигателя М во внутреннюю связь группы по цепи 1—2—8—6 и содержит орган настройки на скорость обкаточного движения — гитару подач is. Помимо настройки на скорость обкаточное движение Ф8 (В2В3) должно настраиваться на путь — угол качания 6° люльки, необходимый для полного профилирования одного зуба нарезаемого колеса, после чего люлька должна возвратиться в исходное положение для профилирования следующего зуба.
Все зуборезные станки работают в цикловом режиме. За время цикла (ц принимают время обработки одного зуба (впадины). Этим же временем условно задается подача, и поэтому ее называют цикловой. Время цикла /ц есть сумма /р + tx, где tp — время рабочего хода люльки (ее поворот в процессе профилирования зуба) и tx —время вспомогательного хода (ее поворот в исходное положение). Для повышения производительности обработки стремятся, чтобы /х < < tp. Для этого нередко в зуборезных станках во внешней связи группы Ф8 (B2BS) применяют передачи или цепь передач, позволяющие получать ускоренное вращение люльки при вспомогательном ходе. Включение и отключение этих передач осуществляется с помощью распределительного вала барабана автомата, который за время цикла всегда совершает один оборот.
Настройка на скорость подачи обкаточного движения осуществляется через гитару подач is. Формулу настройки гитары определяют из уравнения кинематического баланса цепи между двигателем и распределительным валом. Условие согласования их вращения можно представить следующим образом:
об. распределительного валаоб. двигателя,
где —число оборотов двигателя в секунду.
Если при вспомогательном ходе люльки движение к ней передается минуя гитару подач is, то распределительный вал имеет две 66
различные скорости, причем во время вспомогательного хода распределительный вал всегда вращается с постоянной скоростью. В этом случае условие согласования вращений распределительного вала и двигателя будет иметь вид
6°пм
■ ^о- об. распределительного вала—gg-^р об. двигателя,
где 6р — угол поворота распределительного вала, соответствующий времени /р.
Угол 6р зависит от соотношения скоростей вращения люльки при рабочем и вспомогательном ходах и определяется для каждого конкретного станка и передаточных отношений зубчатых колес механизма реверса люльки.
Настройка движения Ф8 (В2В3) на путь, т. е. на угол качания 0° люльки, зависит от способа соединения групп Д (В4) и Ф8 (В2В3). Наибольшее распространение получили даа способа — параллельный и смешанный.
При параллельном способе соединения групп Д и Ф8 (рис. 4.17, а) периодическое делительное движение Д (В^ суммируется через дифференциал 2 с движением заготовки В3 в период реверсирования обкаточного движения Ф8 (В2В3), т. е. возврата люльки в исходное положение для профилирования следующего зуба или впадины нарезаемого колеса. При этом заготовка за время реверсирования, т. е. за /х, как правило, поворачивается на 1/гзаг оборота.
При смешанном способе соединения групп Д и Ф8 (рис. 4.17, б) реверсируется лишь люлька, а заготовка продолжает непрерывно вращаться в одну сторону. Причем за время возвращения люльки в исходное положение заготовка проворачивается на г;/гзаг оборота, где zt —число зубьев заготовки, пропускаемых между двумя последовательными циклами деления, zt не имеет общих множителей с z3ar.
При обоих способах соединения групп Д и Ф8 для возврата люльки в исходное положение необходим в структуре станка реверс. При параллельном способе для реверсирования люльки и заготовки реверс располагают во внешней связи группы Ф8 (В2В3) на участке 8—6. При смешанном соединении надо реверсировать только люльку, и поэтому реверс располагают во внутренней связи группы Ф8 (В2В^ на участке 6—15—16—5 цепи профилирования от звена присоединения внешней связи к внутренней до люльки. В этом случае наибольшее распространение получил специальный реверс в виде составного зубчатого колеса, составленного из нескольких зубчатых секторов внешнего и внутреннего зацепления. Вращение ведущего колеса гвщ в одну сторону и постоянство его зацепления с внутренним замкнутым контуром составного колеса будет сообщать последнему вращательное движение то в одну, то в другую сторону и тем самым осуществлять реверсирование люльки. Колесо гвщ обходит один раз полностью весь внутренний контур составного колеса за время цикла обработки одного зуба нарезаемого колеса.
При параллельном способе соединения групп Д и Ф8 настройка на путь движения Ф8 (В2Ва) осуществляется через гитару угла качания люльки iK. л. Формулу настройки гитары iK. л определяют из уравнения кинематического баланса цепи, обеспечивающей следующее условие согласования вращений распределительного вала и люльки:
З^о об. распределительного вала «-* об. люльки.
Угол 90 = ф°-^^, где •ф0 —угол поворота заготовки для пол- гпл
кого профилирования зуба нарезаемого колеса, который выбирают по специальным номограммам в зависимости от числа нарезаемых
зубьев, модуля и других параметров колеса.
При смешанном способе соединения групп Д и Ф8 путь обкатного движения Ф8 (В5В3) настраивают посредством гитар профилирования «преф и деления /дел. в формулах настройки которых фигурирует число г,, являющееся функцией угла качания люльки и соответственно угла поворота ф° заготовки. Функцию zt ~ f (ф°) определяют отдельно для каждого конкретного станка, используя для этого следующее условие согласования поворотов распределительного вала
и шпинделя заготовки:
--57.no об. распределительного вала <-> - „гД об. заготовки.
Внутренняя связь группы деления Д (В^ обеспечивается связью вращательной пары шпиндель заготовки — делительная бабка. Внешняя связь группы Д обеспечивается цепью от двигателя к шпинделю заготовки, в которую входят общие участки внешней и внутренней связи группы Ф8 (В^В^. При параллельном способе соединения групп Ф8 и Д этой цепью будет цепь /—2—8—10—11—2—7 (см. рис. 4.17, а), а при смешанном —цепь /—2—10—11—12—8—6—■ 7 (см. рис. 4.17, б). Движение деления —периодическое включение и отключение его — осуществляется с помощью распределительного вала барабана-автомата Б—А. Движение Д (В4) настраивается на путь через орган настройки — гитару деления (дел. Формулу настройки гитары 1дел определяют из уравнения кинематического баланса цепи, обеспечивающей условие согласования перемещений отсчетного звена и шпинделя заготовки. При параллельном способе соединения групп Д и Ф8 это условие будет иметь вид
„ об. отсчетного звена —об. заготовки, °"3г8аг
причем отсчетным звеном может быть, например, делительный диск (ДД).
При смешанном способе отсчетным звеном является распределительный вал барабана-автомата, и условие согласования будет иметь вид
об. распределительного вала «— -^— об. заготовки.
Для нарезания прямозубых конических колес применяют также две дисковые фрезы большого диаметра, имитирующие зуб плоского производящего колеса. Нарезание фрезами осуществляется без подачи вдоль зуба, и поэтому на станке нарезают конические колеса с небольшой длиной зуба. Кинематическая структура такого станка аналогична рассмотренным выше.
Существуют также станки и для шлифования зубьев конических колес. Конические колеса с прямым зубом шлифуют двумя дисковыми кругами с продольной подачей их вдоль зуба. Структура такого станка имеет три группы формообразования: Фв (BJ, Ф81 (772) и Ф84 (В3В4), а также группу деления Д (В6). Конические колеса с круговыми зубьями шлифуются чашечным кругом. Структура такого станка аналогична структуре станка, работающего резцовой головкой.
ГЛАВА 5
СТАНКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
УСТРОЙСТВО ТОКАРНЫХ СТАНКОВ
На станках токарной группы обрабатывают детали типа валов, дисков и втулок, осуществляя обтачивание наружных цилиндрических поверхностей, торцов и уступов, прорезание канавок и отрезку, растачивание отверстий (цилиндрических, конических и фасонных), обтачивание конических и фасонных поверхностей, сверление, зенкерование и развертывание отверстий, нарезание наружной и внутренней резьбы резцом, нарезание резьбы метчиком и плашкой, вихревое нарезание резьбы, накатывание рифленых поверхностей.
Главным движением, определяющим скорость резания, является вращение шпинделя, несущего заготовку. Движением, определяющим величины продольных и поперечных подач, является движение суппорта, в котором закрепляют резцы, а при обработке концевым инструментом движение подачи получает задняя бабка станка. По классификации (см. табл. 1.1) токарные станки относят к 1-й группе.
Традиционная компоновка токарно-винторезного станка общего назначения показана на рис. 5.1. На основании 1 закреплены станина 11 и корыто 12. На станине размещены-передняя бабка 3 и коробка подач 2. По направляющим станины перемещаются суппорт 6 с фартуком 9 и задняя бабка 7. Двигатель установлен в основании и закрыт кожухом.
Движение от коробки подач передается механизмам фартука или через ходовой вал 8 (при точении), или через ходовой винт 10 (при нарезании резьбы резцом). На передних стенках фартука, коробки передач и передней бабки сосредоточены рукоятки управления станком. Экран 4 и щиток 5 обеспечивают безопасность
работы на станке. Основное электрооборудование станка сосредоточено в электрошкафу 13.
В легких токарных станках, применяют разделенный привод главного движения. В этом случае коробку скоростей устанавливают в основании станка, а в передней бабке (шпиндельной) размещают шпиндель и перебор.
Рис. 5.1. Токарно-винторезный станокРис. 5.1. Токарно-винторезный станок
Рис. 5.1. Токарно-винторезный станок
Рис. 5.1. Токарно-винторезный станок
Станки с числовым программным управлением имеют часто традиционную компоновку станков общего назначения такого же размера (рис. 5.2). Многооперационные станки токарного типа имеют компоновки, существенно отличные от традиционной.
Станины токарных станков представляют собой сложные корпусные отливки коробчатой формы; они служат для монтажа основных узлов станка.
Развертка валов передней бабки токарно-винторезного станка общего назначения приведена на рис. 5.3. Изменение частот вращения шпинделя / осуществляется посредством групповых передач с подвижными блоками 2, 4, 5, 6. Муфта 3 предназначена для изменения направления вращения шпинделя. Она имеет два пакета фрикционных дисков. Включение левого пакета обеспечивает прямое направление вращения шпин-
Рис. 5.2. Токарный станок с числовым программным управлениемРис. 5.2. Токарный станок с числовым программным управлениемделя.
Рис. 5.2. Токарный станок с числовым программным управлением
Рис. 5.2. Токарный станок с числовым программным управлением
В передней бабке расположен привод механизма подач, содержащий звено увеличения шага и реверсивный механизм. В качестве передней опоры шпинделя использован двухрядный роликоподшипник типа 3182000 с короткими цилиндриче-
сними роликами. Он установлен на конической шейке шпинделя с конусностью 1 : 12.
В качестве опор шпинделей токарных станков применяют и другие конструкции подшипников качения. На рис. 5.4, а показан шпиндельный узел, в котором в качестве радиальных опор при-
менены роликовые подшипники, а в качестве осевой опоры использован упорно-радиальный шарикоподшипник 2. Предварительный натяг в передней опоре шпинделя обеспечивается гайкой / и двумя дистанционными кольцами 3 и 4, размер которых определяют заранее. Таким образом, удается одной гайкой 1 обеспечить регулирование двух подшипников.
На рис. -5.4, б показан шпиндельный узел, в качестве передней и задней опор которого использованы конические роликовые под-
65653 П/р В. Э. Пуша
65
65
ширинки, воспринимающие как радиальную, так и осевую нагрузки. Натяг в этих опорах регулируют гайками 1 и 3 и дистанционными кольцами 2 и 4. Роликовый подшипник, установленный в задней
опоре шпинделя, имеет пружинную компенсацию возникающего в процессе эксплуатации зазора.
На рис. 5.4, в представлен шпиндельный узел быстроходного токарного станка, в качестве передней опоры шпинделя которого 66
применены радиально-упорные шариковые подшипники, их натяг обеспечивается гайкой 1 и дистанционным кольцом 2.
В станках особо высокой точности в передней бабке располагают только шпиндель, причем в качестве опор преимущественно используют гидродинамические или гидростатические подшипники.
Коробки подач (рис. 5.5) станков общего назначения представляют собой многоваловые коробки с групповыми передачами, переключаемыми блоками. Направление движения от вала к валу изменяется зубчатыми муфтами внутреннего зацепления М1( М2, Ма и М4. В токарно-винторезных станках выходными звеньями коробок подач являются ходовой винт / и ходовой вал 2.
Суппорт токарно-винторезного станка показан на рис. 5.6. По направляющим станины посредством винтовой или реечной передачи (на рисунке не показаны) перемещается каретка 6, по которой ходят поперечные салазки 4. Механическое или ручное перемещение салазок осуществляется парой винт—гайка 7—8. На салазках 4 установлена поворотная плита 3, имеющая направляющие типа ласточкина хвоста, по которым перемещаются верхние (резцовые) салазки 2. На резцовых салазках установлены передний поворотный 1 и задний 5 резцедержатели.
В станках с числовым программным управлением на поперечном суппорте устанавливают многопозиционные поворотные резцедержатели и револьверные головки.
Поворотный резцедержатель с горизонтальной осью вращения, несущий шестипозиционную инструментальную головку, показан на рис. 5.7. В исходном положении инструментальная головка (рис. 5.8) закреплена на валу 9 (см. рис. 5.7), полумуфта 7 жестко связана с валом и уведена в зацепление с полумуфтой 6, закрепленной на корпусе 13. Зубья полумуфт 7 и 6 выполнены плоскими и предназначены для точной фиксации положения инструментальной головки. Пружина / сжата, а кулачки кулачковых. полумуфт 3 и 8 контактируют по торцам. При подаче команды на поворот электродвигатель 12 через цилиндрическую и червячную 5—2 передачи поворачивает кулачковую полумуфту 8; при этом полумуфта 3, жестко закрепленная на валу 9, под действием пружины 1 входит в зацепление с полумуфтой 8, а вал подается влево, и полумуфты 6 и 7 выходят из зацепления. Вал 9 с инструментальной головкой продолжает вращаться до тех пор, пока кулачок 10 не нажмет на конечный выключатель И. При этом двигатель 12 реверсируется, а полумуфта 7 фиксируется фиксатором (на рисунке не показан), допускающим ее осевое перемещение. Реверс полумуфты 8 вызывает осевое перемещение вала 9 вправо, так как кулачки зафиксированной от поворота полумуфты 3 выходят из зацепления с кулачками полумуфты 8. При перемещении вала 9 вправо полумуфты 6 и 7 входят в зацепление, сжимая пружину / и точно фиксируя угловое положение инструментальной головки. В конце хода вала 9 фиксатор зажима выключает электродвигатель 12. Резцедержатель готов к выполнению очередной операции.
Рис. 5.6. Суппорт токарно-винторезного станка
Рис. 5.8. Инструментальная головка
Задняя бабка токарного станка общего назначения показана ■ на рис. 5.9. Корпус 14 бабки устанавливают На основании 15, которое крепят к направляющим станины 1 планкой 3 и винтами 2 и 4, один из которых (4) связан с эксцентриковым механизмом 5 с рукояткой 6. В корпусе 14 размещена пиноль 10 с центром 12. Пиноль 10 ■ перемещается парой винт—гайка 9—8. Неподвижный в осевом на- ‘ правлении винт 9 связан с маховиком 7. Положение пиноли фиксируют поворотом рукоятки 11, связанной с винтом 13. При зажиме по винту перемещаются встречно две втулки 16 и 17 со скосами, контактирующими с наружной поверхностью пиноли.
Рие. 5.9. Задняя бабка токарно-винторезного станка
Задняя бабка может быть соединена с кареткой суппорта для получения подачи. В станках с числовым программным управлением пиноль задней бабки перемещает автономный привод, чаще гидравлический.
Для облегчения перемещения задней бабки по направляющим станины применяют пневморазгрузку. Воздух подается от цеховой пневмосети к направляющим бабки через пневмораспределитель, связанный с рукояткой зажима-разжима бабки.
Приспособления для токарных станков можно разделить на два вида: приспособления, предназначенные для крепления деталей, и приспособления, предназначенные для крепления инструмента. К первому виду относят патроны (самоцентрирующие и поводковые), хомутики, упорные центры, люнеты и оправки.
Трехкулачковые самоцентрирующие патроны с различными механизмами привода кулачков приведены иа рис. 5.10. Патрон с клиновым зажимом и шестеренно-реечным механизмом синхронизации перемещения кулачков показан на рис. 5.10, а. На торцах кулачков 1 и гранях реек 2 выполнены клиновые поверхности. Рейки 2 связаны с центральной шестерней 4. Одна из реек перемещается вручную винтом 3. Патрон со спирально-реечным механизмом зажима и механизмом синхронизации показан на рис. 5.10, б. На торцах 70
кулачков 1 нарезаны зубья рейки, взаимодействующие со спиральным диском 2, на задней поверхности которого нарезаны зубья конического венца 3, зацепляющиеся с ведущими шестернями 4.
Патрон с эксцентриковым механизмом зажима и механизмом синхронизации показан на рис. 5.10, в.'На кулачках 1 выполнены
Рис. 5.10. Трехкулачковые самоцентрирующие патроны
впадины, входящие в зацепление с эксцентричными выступами 2, расположенными на торце червячного колеса 3, которое вращают посредством червяка 4. Патрон с винтовым механизмом зажима и шестеренным механизмом синхронизации показан на рис. 5.10, г.
На торцах кулачков 1 нарезаны гайки, взаимодействующие с закрепленными в корпусе патрона винтами 2, на концах которых выполнены конические зубчатые колеса 3, зацепляющиеся с центральным коническим колесом 4. На периферии колеса 4 нарезан червячный венец, взаимодействующий с червяком 5, поворачнва-
емым при разжиме-зажиме посредством ключа. Для закрепления некруглых и несимметричных деталей используют четырехкулачковые патроны.
В станках с числовым .программным управлением применяет патроны с электромеханическим, гидравлическим и пневматическим приводами. ■ .*sa
Электромеханический привод рычажного токарного патрона показан на рис. 5.11. Электродвигатель 1 через зубчатый редуктор (колеса 2—6^ вращает колесо 7, свободно сидящее на гайке 9. На колесе 7 и гайке 9 имеются выступы 8 и 10, образующие однооборотную муфту. Гайка 9 взаимодействует с винтом 11, установленным в корпусе редуктора с возможностью осевого перемещения и связанным с тягой 12, размещенной в отверстии шпинделя станка. Перемещение тяги 12 вызывает поворот рычагов 13 и радиальное перемещение кулачков 14 патрона.
Самозажимной поводковый патрон (рис. 5.12) широко применяют в тех случаях, когда деталь уже установлена в центрах станка и требуется только передача крутящего момента от шпинделя к детали.
НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ
ТОКАРНЫЕ СТАНКИ
Токарно-винторезный станок 16К20 предназначен для выполнения различных токарных и резьбонарезных работ в условиях единичного й мелкосерийного производства, а также для ремонтных работ.
Техническая характеристика
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм: над станиной 400
над поперечным суппортом 220
Расстояние между центрами (РМЦ), мм 700, 1000, 1400, 2000
Число частот вращения шпинделя 24 (22 различных зна
чения)
Частота вращения шпинделя, мин'1..12,5—1600
Подача, мм/об: продольная 0,055—2,8
поперечная 0,025—1,4
Шаг нарезаемой резьбы: метрической, мм 0,5—112
дюймовой, число инток на Г . 56—0,5
модульной, мм 0,5—112
питчевой, Питч 56—0,5
Мощность электродвигателя главного привода, кВт. . . .7,5; 10
Габаритные размеры станка, мм:
длина . . . . 2470,2760,3160, 3760
высота . . 1470
ширина ..1195
Масса станка (РМЦ 1000 мм), кг 3000
Кинематическая схема станка приведена на рис. 5^.13. Главное движение—вращение шпинделя. Вращение шпинделю VI сообщается от электродвигателя Ml через клиноременную передачу со шкивами диаметром 154 и 268 мм и коробку скоростей. На первом валу коробкй скоростей установлена двусторонняя фрикционная муфта Mv обеспечивающая прямое и обратное вращение шпийделя. При включении муфты Мг влево движение на вал // передается через передачи -^- или -gg-. Таким образом, вал // получает две раз- „292438
личные частоты вращения. Далее через передачи-^-, или -^-, или-gg- движение передается на вал ///, который получает, таким образом, шесть различных частот вращения. Движение передается т/ гп60
шпинделю VI станка двумя путями. При включении передачи -^д- 30
или -gg- шпиндель получает двенадцать высоких частот вращения. Передача высоких частот вращения по короткой кинематической цепи снижает потери на трение. При установке блока шестерен 48, 60 4515
в правое крайнее положение и включении передач -^- или -gg- посредством .перемещения блока 45, 60 в одно из крайних положений движение с вала /// передается на шпиндель VI через промежуточные валы IV н V. Таким образом обеспечивается получение двенад-
Рис. 5.13. Кинематическая схема токарио-вииторезного стайка 16К20Рис. 5.13. Кинематическая схема токарио-вииторезного стайка 16К20■П-14В0 мин-'■П-14В0 мин-'
Рис. 5.13. Кинематическая схема токарио-вииторезного стайка 16К20
Рис. 5.13. Кинематическая схема токарио-вииторезного стайка 16К20
■П-14В0 мин-'
■П-14В0 мин-'
цати низких частот вращения. Частоты вращения шпинделя 500 и 630 мин-1 повторяются дважды, поэтому фактически шпиндель имеет 22 частоты вращения. Обратное вращение шпиндель VI получает при включении муфты Мх вправо. В этом случае движение передается с вала / на вал // через промежуточный вал VII и пере- 5036„
дачи -^- и -gg-. Далее движение на шпиндель передается так же, как при прямом вращении. Обратные частоты вращения изменяются в пределах 19—1900 мин-1.
Движение подач. Привод подач имеет звено увеличения шага, механизм реверса (изменения направления вращения), гитары сменных колес, коробки подач и механизма фартука. Вращение от шпинделя передается либо на ходовой винт, либо на ходовой вал.
Зубчатые колеса звена увеличения шага установлены на валах ///, VI и VIII (см. рис. 5.13), поэтому вращение на вал VIII может передаваться либо непосредственно от шпинделя при включенной 60-г г г45 п
передаче -gg-, либо от вала III через передачу -gg-. В этом случае подача и шаг нарезаемой резьбы увеличиваются в 2,8 и 32 раза, в зависимости от положения блоков 45, 60 и 48, 60. Вращение с вала VIII на вал X передается либо через передачу -gg-, либо через промежу- , v3025.
точный вал IX и передачи -^- и -gg-, что обеспечивает изменение направления вращения вала X.
Гитара сменных колес расположена между валами X, XI и XII (гитара двухпарная, с постоянными осями) и содержит две пары сменных зубчатых колес а — b и с — d. Для получения механической подачи и нарезания метрических и дюймовых резьб устанавли- 4086 .,
ваются передачи -gg- и -gg- (в зацеплении участвуют три зубчатых
колеса). Для получения модульных и питчевых резьб устанавли- 6086 .
ваются передачи -yg- и -gg- (в зацеплении участвуют четыре колеса; на рисунке не показаны).
Входной вал коробки подач XII получает вращение от сменного колеса d гитары. С вала XII движение может передаваться по двум кинематическим цепям. Если включены муфты Ма и М4, то движение 28
передается с вала XII на вал XIII через передачу -^g- и далее на 28283042
вал XIV через одну из передач -gg-, -gg- . -gg-» -gg-, а затем на вал XV множительного механизма. Если муфты Ма и М4 выключены, то движение передается с вала XII на вал XIV через передачи -Ц- и -||-, 302535
далее с вала XIV на вал XIII через одну из передач -тк-,
-||- и с вала XIII на вал XV множительного механизма через пере- 30 ■
дачу -gg-.
При нарезании метрических и модульных резьб и получении продольных и поперечных механических подач включают муфты М3 и М4 при выключенной муфте М2. При нарезании дюймовых и питчевых резьб отключают муфты М2, М3 и М4.
Множительный механизм содержит два подвижных блока 18, 28 и 28, 48, размещенных на валах XV и XVII, и три зубчатых колеса 45, 35 и 15, жестко закрепленных на валу XVI. Множительной механизм при включении различных комбинаций передач обеспечивает получение четырех различных передаточных отношений1, t =
,2835. I. 1835
= 1 —- включены передачи -у и -у, t = -sпередачи -у и-у , Ou ZoZZo
,12815 . .11815
i = — - передачи -^-и- передачи и
С вала XVII при включенной муфте М5 движение передается на вал XVIII— ходовой винт с шагом 12 мм. Муфта М6 включается в том случае, когда нарезают резьбу. Ходовой вал XX получает 23 24,,28
вращение через передачи -у, -у, обгонную муфту MQ, передачу -у• иУиО
При этом муфту М5 выключают. Обгонная муфта позволяет совместить вращение ходового вала от коробки подач с вращением его от отдельного привода вспомогательных перемещений, содержащего двигатель М2 и ременную передачу От ходового вала вращение передается механизму фартука и далее — на тяговые устройства.
Получение продольной подачи обеспечивается включением муфт М6 и М7 (реверс подачи). Тогда движение на реечную передачу v ■■w3032 . 32
передается от ходового вала XX через передачи -у, -у, -у, uZ uZ
,436
предохранительную муфту, червячную передачу.-^, передачи-^-, 41'17
-^-, муфты М6 или М7, передачу -^ на шестерню 10 реечной передачи.
Получение поперечной подачи обеспечивается включением муфт М8 или М%; Тогда движение с вала червячного колеса 21 передаётся 36363455
через передачи -у, -у, муфты М^ или Л410, передачи -у, -у, • DUоиZy
29
-jg- на ходовой винт поперечной подачи с шагом 5 мм.
На станке может быть установлен суппорт с механическим приводом резцовых салазок. Тогда движение с вала реечной шестерни передается на винт подачи резцовых салазок с шагом 5 мм через 5529202023302820
передачи 2д, (8, 2д, 23, 30, 28, 36, 20 •
Токарный патронно-центровый станок 16К20ФЗ предназначен для выполнение различных токарных работ в полуавтоматическом цикле. В зависимости от возможностей используемой системы ЧПУ на станке можно обрабатывать различные резьбы. Станок выпускают на базе станка 16К20. 76
Техническая характеристика
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм: иад станиной над суппортом
Число инструментов
Число частот вращения шпинделя
[^^стота вращения шпинделя, мин*1
Регулирование подач
Подача, мм/мии: продольная поперечная . . . . .
Скорость быстрых перемещений, мм/мии: продольных поперечных
Дискретность перемещений, мм: продольных поперечных
Габаритные размеры станка, мм: длина высота .. . .
ширина
400220612 (по программе 9)35—1600Бесступенчатое3—2003—500480024000,010,005336017101750400220612 (по программе 9)35—1600Бесступенчатое3—2003—500480024000,010,005336017101750Рис. 5.14. Кинематическая схема токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗРис. 5.14. Кинематическая схема токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗСтанок оснащен системой ЧПУ, которая обеспечивает управление по двум координатам, изменение частот вращения шпинделя и величин подач, индексацию револьверной головки и нарезание резьбы по программе.
400
220
6
12 (по программе 9)35—1600Бесступенчатое
3—200
3—500
4800
2400
0,01
0,005
3360
1710
1750
400
220
6
12 (по программе 9)35—1600Бесступенчатое
3—200
3—500
4800
2400
0,01
0,005
3360
1710
1750
Рис. 5.14. Кинематическая схема токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ
Рис. 5.14. Кинематическая схема токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ
Кинематическая схема станка приведена на рис. 5.14. Главное движение — вращение шпинделя. Вращение шпинделю VI сооб- щается от двигателя ml через клиноременную передачу , автоматическую коробку скоростей (АКС), вал ///, клиноременную * 0 200,НО6530
передачу зубчатую передачу -^ и передачу -^ или -^.
На валу / АКС свободно установлены зубчатые колеса 36, 30, 24 н электромагнитные муфты Мх, Мг и М3, при включении которых зубчатые колеса передают крутящий момент на вал //. На этом валу жестко установлены зубчатые колеса 14, 42, 30, 48, передающие вращение свободно установленным на валу /// зубчатым колесам 56, 42, 24 и далее через электромагнитные муфты М4, М5, Мв на вал III и затем на шпиндель. Таким образом, АКС обеспечивает получение девяти автоматически переключаемых частот вращения.
Ручное переключение групповой передачи обеспечивает два диапазона частот вращения шпинделя: 35—560 и 100—1600 мин-1. Поскольку шесть частот в указанных диапазонах совпадают по величине, шпиндель фактически имеет двенадцать частот вращения.
Одновременным включением муфт М4 И Мв осуществляется торможение шпинделя (кинематический замок).
Движение подач. Приводы продольной и поперечной подач суппорта могут иметь два исполнения. В первом исполнении в качестве двигателя, вращающего ходовые винты X и VIII, используют элек- трбгидравлический шаговый двигатель. Во втором исполнении используют высокомоментный двигатель постоянного тока. В обоих случаях движение на винты передается через редуцирующую беззазорную зубчатую передачу (малое зубчатое колесо установлено на валу двигателя). При применении высокомоментного двигателя постоянного тока на ходовых винтах VIII и X устанавливают датчики обратной связи.
ГЛАВ А 6
СТАНКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ - ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
ФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ
Фрезерные станки предназначены для обработки плоских н фасонных поверхностей с помощью фрез — многолезвийных инструментов с режущими кромками, расположенными на поверхности тела вращения или на его торце.
Фрезы могут быть самых различных конструкций, из которых наиболее распространенными являются цилиндрические, дисковые, концевые, торцовые, фасонные (рис. 6.1).
Главным движением во фрезерных станках является вращение фрезы, а движением подачи — относительное перемещение фрезы и заготовки.
Согласно классификации (см. табл. 1.1), фрезерные станки относятся к 6-й группе.
В зависимости от расположения узлов станка (компоновки) различают консольные и бесконсольные фрезерные станки. Основным конструктивным отличием консольно-фрезерных станков (рис. 6.2) является наличие консоли 1, перемещающейся в вертикаль- 78
ном направлении по направляющим станины 2. На консоли выполнены горизонтальные направляющие, по которым движутся салазки 3, несущие стол 4, на котором закрепляют заготовку.
Консольные горизонтальные универсальные станки отличаются тем, что на салазках 3 установлена промежуточная поворотная
г)а)
Рис. 6.1. Основные типы фрез:
a — цилиндрическая; б— дисковая; в — концевая; г = торцовая; д — фасонная
Рис. 6,2, Коисольно-фрезерные станки:
a — широкоуииверсальный; б — горизонтальный универсальный; в — вертикальный
плита 5, по горизонтальным направляющим которой перемещается стол 4. Шпиндель 6 станка расположен горизонтально, а на станине 2 смонтирован хобот 7, несущий поддерживающую серьгу 8. Фрезу или набор фрез закрепляют в оправке, один конец которой устанавливают в шпиндель, а другой — в отверстие серьги.
Широкоуниверсальный горизонтально-фрезерный станок отличается наличием дополнительной шпиндельной головки 9, смонтированной на выдвижном хоботе. Головка может поворачиваться на любой угол в вертикальной плоскости. Еще большую универсальность придает станку наличие накладной фрезерной головки 10 , со шпинделем, поворачивающимся под любым углом в горизонтальной плоскости. В этих станках отсутствует поворотная плита.
Рис. 6.3. Бесконсольные фрезерные станки: а — вертикальный; б — горизонтальныйРис. 6.3. Бесконсольные фрезерные станки: а — вертикальный; б — горизонтальный
Рис. 6.3. Бесконсольные фрезерные станки: а — вертикальный; б — горизонтальный
Рис. 6.3. Бесконсольные фрезерные станки: а — вертикальный; б — горизонтальный
Вертикальный консольно-фрезерный станок имеет вертикально расположенную шпиндельную головку 11, которая может поворачиваться в вертикальной плоскости. Известны конструкции станков
этого типа, в которых имеется осевое перемещение шпинделя.
Бесцонсольные вертикально- и горизонтально-фрезерные станки (рис. 6;3) отличаются тем, что салазки 2, несущие стол 3, перемещаются по горизонтальным направляющим станины 1, а шпиндель
ная бабка 4 перемещается в вертикальном направлении по направля- ‘ ющим стойки 5.
Продольно-фрезерные станки (одностоечные и двухстоечные) предназначены для обработки крупногабаритных деталей в основном торцовыми фрезами (рис. 6.4). По горизонтальным направляющим станины 1 перемещается стол 2, а шпиндельные головки 3 перемещаются по стойкам 4 портала, связанного балкой 5, или по направляющим поперечины 6, которая перемещается " по направляющим портала.
Карусельно-фрезерные и барабанно-фрезерные станки имеют круглый стол с горизонтальной
осью вращения или многогранный барабан с вертикальной осью вращения, что обеспечивает круговую подачу. На стойках или на портале размещены шпиндельные головки с одним или несколькими шпинделями. Эти станки предназначены для обработки различных деталей в условиях крупносерийного и массового производства.
Z-37 2-46 2=26 Z=J8 2-82 2=65
Рис. 6.5. Коробка передач горизонтально-фрезерного станка
Станины и стойки фрезерных станков представляют собой корпусные отливки коробчатой формы с ребрами жесткости и служат для размещения основных узлов станка. На станинах выполняют литые или накладные направляющие для перемещения узлов.
Коробки скоростей фрезерных станков предназначены для обеспечения главного движения — вращения шпинделя с различными частотами (рис. 6.5).
В горизонтально-фрезерных станках шпиндель и валы коробки скоростей часто монтируются непосредственно в стойке. Изменение частот вращения шпинделя обеспечивается рядом последовательно включенных групповых передач с подвижными блоками шестерен. В станках повышенной точности часто применяют разделенный
привод, имеющий коробки с групповыми передачами в отдельном корпусе.
В продольно-фрезерных станках шпиндель и коробка скоростей представляют собой отдельную шпиндельную головку (рис. 6.6), перемещаемую по направляющим стойки или поперечины. Перемещение на глубину фрезерования и некоторые другие виды работ требуют наличия осевого перемещения шпинделя. В этом случае шпиндель 1 монтируют в пиноли 2, которая перемещается парой
Рис. 6.6. Шпиндельная головка продольно-фрезерного станка
шестерня—рейка 3. В рабочем положении пиноль закрепляют механизмом зажима 4, представляющим собой винт с разнонаправленной нарезкой и две резьбовые втулки со скосами, контактирующими с наружной цилиндрической поверхностью пиноли.
Шпиндели фрезерных станков имеют сквозное отверстие для размещения тяги механизма зажима. Передний конец шпинделя имеет внутреннее коническое отверстие с конусностью 7 : 24 для базирования оправки или фрезы. На переднем торце шпинделя установлена шпонка, входящая в паз оправки, и имеются резьбовые отверстия для крепления оправки или корпуса фрезы.
Опоры шпинделей фрезерных станков мало отличаются от опор, применяемых в токарных станках.
Поскольку процесс фрезерования характеризуется переменной величиной силы резания, на шпинделях фрезерных станков иногда устанавливают маховики, повышающие равномерность вращения шпинделя. В ряде случаев роль маховика выполняет шестерня большого диаметра, которую желательно размещать непосредственно у переднего конца шпинделя (например, г = 69 на рис. 6.5).
Коробки подач фрезерных станков общего назначения представляют собой многоваловые коробки, изменение частот вращения выходного вала которых обеспечивается рядом групповых передач с подвижными блоками или кулачковыми муфтами. Коробки подач обеспечивают ряд рабочих подач и ускоренные перемещения. Для предохранения механизма подач от перегрузок в коробках предусматривают предохранительные шариковые или дисковые фрикционные муфты.
В станках с числовым программным управлением коробки подач отсутствуют, и вращение от высокомоментного двигателя с широким диапазоном регулирования передается непосредственно (или через несложный редуктор) на тяговое устройство (ходовой винт). Требуемая частота вращения шпинделя и подача во фрезерных станках обеспечиваются относительно сложным, но удобным в эксплуатации механизмом управления. Назначение этих механизмов — предварительный выбор требуемой частоты или подачи во время работы станка на предыдущей операции и, после остановки станка, включение новой частоты или подачи одной рукояткой. Очевидно, такой механизм должен обеспечить перемещение блоков и включение кулачковых муфт в определенной, наперед заданной комбинации.
Механизм управления главным движением фрезерного станка показан на рис. 6.7. В отдельном корпусе /, монтируемом на передней стенке коробки скоростей, расположен указатель 2 частот вращения шпинделя. Поворачивая этот указатель, через установленные на валиках 4 и 6 конические колеса 5 и 7 можно поворачивать диск переключения 16. В диске переключения имеются концентрично расположенные отверстия определенного диаметра, которые при фиксированном повороте диска устанавливаются против каждой пары толкателей 14 и15, предназначенных для переключения одного блока. Число пар толкателей соответствует числу перемещаемых блоков зубчатых колес или кулачковых муфт. На рисунке показан только один блок 11. Толкатели связаны между собой шестереннореечной передачей 8, 9, 10, причем на одном из толкателей закреплена вилка 12, взаимодействующая с блоком. Правые концы толкателей выполнены ступенчатыми для обеспечения двух или трех положений блока. Рукояткой 18 через сектор-рейку 20 перемещают вилку управления диском 17. Между рейками шестеренно-реечной передачи и толкателем установлены пружины 13, которые сжимаются при совпадении зубьев блока и шестерни по торцам. Положение рукоятки 18 и указателя 2 фиксируется соответственно фиксаторами 19 и 3.
В начале переключения рукояткой 18 отводят диск 16 в правое положение. Затем указателем 2 поворачивают диск 16, угловое по-
ложеиие которого соответствует заданной частоте вращения шпинделя. Рукояткой 18 диск перемещают влево. Если против одного из толкателей каждой пары отсутствует отверстие (против другого толкателя пары в этот момент находится отверстие), то толкатель или непосредственно, или через реечную передачу перемещает блок в нужное положение. Если требуется перемещать тройной блок, то толкатели блока на левом конце имеют две ступени.
Аналогично устроен и механизм управления движением подачи. В тяжелых фрезерных станках механизм переключения имеет гидравлический или электрический привод.
Механизм управления главным движением фрезерного стайка с гидравлическим приводом приведен на рис. 6.8. Блоки шестерен /, 2, 19, 22 перемещаются соответственно вилками 12, 6, 18, 23, которые закреплены на штоках 11, 5, 17, 21 гидроцилиндров 14, 3, 16, 20. Штоки 5 и 77 в отличие от штоков 17 и 21 выполнены ступенчатыми. В гидроцилиндрах 14, 3, 9, 8 установлены втулки 13, 10, 7, 4. Это сделано для того, чтобы обеспечить нейтральное положение блоков 1 и 2 при блокировке и среднее положение при применении тройного блока. Жидкость насосом 24 подается к поворотному распределителю 15 и от него в требуемые полости гидроцилиндров; при этом противоположные полости соединяют со сливом. Для установления блоков 7 и 2 в среднем положении жидкость поступает в противоположные полости одновременно.
Приспособления, применяемые во фрезерных станках, можно разделить на приспособления для закрепления заготовок, приспособления для закрепления фрез и приспособления, расширяющие технологические возможности фрезерных станков.
Для закрепления заготовок непосредственно на столе станка служат прихваты различной формы, подставки и угловые плиты (простые и:универсальные). Нередко заготовки крепят в различного вида машинных тисках. Тиски могут иметь ручной или гидравлический (пневматический) привод. Заготовки можно закреплять также на накладных столах, поворотных и неповоротных, в патронах и на оправках, в универсальных сборных приспособлениях.
Рис. 6.8. Механизм управления главным движениемРис. 6.8. Механизм управления главным движениемРис. 6.9. Гидравлическое приспособление для затяжки тяги
Рис. 6.8. Механизм управления главным движением
Рис. 6.8. Механизм управления главным движением
Фрезы крепят на оправках, которые имеют конический хвостовик с резьбовым гнездом на торце. Хвостовик устанавливают в коническое отверстие шпинделя станка и плотно притягивают тягой, проходящей через сквозное отверстие шпинделя станка. Тяга имеет резьбовой конец, взаимодействующий с резьбовым гнездом оправки. Крупные торцовые фрезы имеют хвостовик, который устанавливают непосредственно в коническое отверстие шпинделя. Корпус фрезы притягивают к торцу шпинделя винтами, входящими в резьбовые отверстия, предусмотренные на переднем торце шпинделя станка. Концевые фрезы имеют конический или цилиндрический хвостовики; их крепят в патронах, устанавливаемых на шпиндель станка.
При закреплении тяжелых фрез используют гидравлические или механические приспособления для перемещения тяги. Гидравлическое устройство для закрепления тяги показано на рис. 6.9. Конический хвостовик оправки / и конец тяги 3 снабжены байонетным захватом 2. Фрезу 8 вводят в шпиндель станка и поворачивают так, чтобы сработал байонетный захват. Тяга 3 перемещается вверх
пакетом тарельчатых пружин 4, связанных с ней шариковым устройством 5. Пружина 4 обеспечивает при этом силу зажима. Гидроцилиндр 6, воздействуя через шарик 7 на торец тяги, осуществляет разжим.
Для расширения технологических возможностей фрезерных станков используют различные приспособления, позволяющие сообщить закрепляемой детали дополнительные рабочие или вспомогательные движения. К ним относятся круглые поворотные столы с механизмом поворота, связанным с механизмом подачи стола станка, делительные
Рис. 6.10. Оптическая делительная головка:
а — общий вид; б — осевое сечение по шпинделю; в — шкала микроскопа
головки с прерывистым и непрерывным поворотом, одношпиндельные и многошпиндельные, сверлильные, долбежные и шлифовальные головки.
Оптическую делительную головку (рис. 6.10) используют при обработке особо точных деталей. Шпиндель / делительной головки приводят во вращение маховиком 7 через червячную пару 2—8. На шпинделе закреплен стеклянный диск 8 со шкалой, с ценой деления 1°. Углы отсчитывают с помощью микроскопа 5, в оптическую систему которого включена неподвижная шкала 6, на которой нанесено 60 делений с ценой деления Г. Свет через окно 4 падает на шкалу 6 и отражается на стеклянном диске 3. В окуляре микроскопа 5 видны совмещенные изображения шкалы 6 и шкалы на диске 3. Точность отсчета углового положения шпинделя с помощью такой головки до Г.
Вертикально-фрезерный консольный станок с числовым программным управлением 6Р13РФЗ предназначен для обработки дета- 86
лей сложной формы торцовыми и концевыми фрезами. Станок снабжен револьверной головкой, в которой могут быть установлены также сверла, зенкеры, развертки.
Техническая характеристика
Размер рабочей поверхности стола (длинах ширина), мм. , , , .1600X 400
Частота вращения шпинделя, мин'1 40—2000
Число частот вращения шпинделя 18
Рабочая подача, мм/мин: по осим X' и Y' 8—1200
по оси Z 8—800
РегулированиеБесступенчатое
Скорость быстрых перемещений по осям X' и У', мм/мин; . / <4000
Габаритные размеры стайка, мм: длина 2575
высота ••2180
ширина .•2480
Число инструментов в револьверной головке 5
Число управляемых координат: всего - •6
одновременно 3
Дискретность отсчета по осям координат, мм 0,01
Системы числового управления Н331 или Н331М обеспечивают формообразование по трем координатам. Кинематическая схема станка показана на рис. 6.11.
Привод главного движения. Вращение на шпиндель VIII поворотной револьверной головки передается от электродвигателя постоян- 2722
ного тока Ml типа ПБСТ-63 через передачи -^-, -^-, групповые
3827781934
передачи -^-, ---> -ц-, -55* и далее через цилиндрическую -хт-
44 ОУ
2022
и коническую или передачи.
Комбинация двигателя с бесступенчатым регулированием и коробки скоростей обеспечивает 18 частот вращения шпинделя в диапазоне 40—2000 мин-1, переключаемых автоматически по заданной программе.
Привод подач и установочных перемещений стола и консоли осу- ществ'ляется от шаговых двигателей М3, М4, М5 типа ШД5-Д1 с гидроусилителями моментов Э32Г18-24.
Поперечная подача стола осуществляется по цепи: М3 — пере- 2021„о
дача -^передача -^— шариковый ходовой винт с шагом 8 мм.
Вертикальная подача консоли по цепи: М4 — коническая передача -|^цилиндрическая передача -||— шариковый ходовой винт с шагом 8 мм. Ходовой винт вертикальной подачи связан через коническую и гидравлические передачи с гидравлической муфтой Мг, предохраняющей консоль от самопроизвольного опускания.
Пр'6^ подача стола по цепи: М5 — передача*-^-— пере- дача — шариковый ходовой винт е шагом 8 мм.Поворот револьверной головки осуществляется от гидродвигателя Г12-22 через передачи -§| ^|— вал X// с водилом и мальтийский крест. . - ■Пр'6^ подача стола по цепи: М5 — передача*-^-— пере- дача — шариковый ходовой винт е шагом 8 мм.Поворот револьверной головки осуществляется от гидродвигателя Г12-22 через передачи -§| ^|— вал X// с водилом и мальтийский крест. . - ■Рис. 6.11. Кинематическая схема вертикально-фрезерного консольного станка с числовым программным управлениемРис. 6.11. Кинематическая схема вертикально-фрезерного консольного станка с числовым программным управлением
Пр'6^ подача стола по цепи: М5 — передача*-^-— пере- дача — шариковый ходовой винт е шагом 8 мм.
Поворот револьверной головки осуществляется от гидродвигателя Г12-22 через передачи -§| ^|— вал X// с водилом и мальтийский крест. . - ■
Пр'6^ подача стола по цепи: М5 — передача*-^-— пере- дача — шариковый ходовой винт е шагом 8 мм.
Поворот револьверной головки осуществляется от гидродвигателя Г12-22 через передачи -§| ^|— вал X// с водилом и мальтийский крест. . - ■
Рис. 6.11. Кинематическая схема вертикально-фрезерного консольного станка с числовым программным управлением
Рис. 6.11. Кинематическая схема вертикально-фрезерного консольного станка с числовым программным управлением
Техннческаи характеристикаРазмер рабочей поверхности стола, мм:Техннческаи характеристикаРазмер рабочей поверхности стола, мм:Вертикальио-фрезериый станок МА655ФЗ с крестовым столом и числовым управлением предназначен для обработки деталей сложной конфигурации в условиях единичного и мелкосерийного производства, может быть использован в автоматизированном комплексе с управлением от ЭВМ.
Техннческаи характеристика
Размер рабочей поверхности стола, мм:
Техннческаи характеристика
Размер рабочей поверхности стола, мм:
длина 1250
ширина 500
Частота вращения шпинделя,мин-1. . : 63—2500
Число частот вращения шпинделя .. .17
Рабочая подача, мм/мин: стола 12—700
ползуна 12—700
Бесступенчатое1400Бесступенчатое1400.1000 ь500 ;6'3. Фазово-импульсная типа УМС-2Ф.1000 ь500 ;6'3. Фазово-импульсная типа УМС-2ФN»5»5«BmN»5»5«BmРис. 6.12. Кинематическая схема вертикально-фрезерного станка с числовым программным управлениемРис. 6.12. Кинематическая схема вертикально-фрезерного станка с числовым программным управлением
Бесступенчатое
1400
Бесступенчатое
1400
.1000 ь
500 ;
6'
3
. Фазово-импульсная типа УМС-2Ф
.1000 ь
500 ;
6'
3
. Фазово-импульсная типа УМС-2Ф
N»5»5«Bm
N»5»5«Bm
Рис. 6.12. Кинематическая схема вертикально-фрезерного станка с числовым программным управлением
Рис. 6.12. Кинематическая схема вертикально-фрезерного станка с числовым программным управлением
Регулирование подач отола и ползуна ,. .... ... ; . . Скорость быстрых перемещений стола и ползуна, мм/мин Наибольшее перемещение стола, мм:
продольное . . . .
поперечное .у,г . . . .
Число управляемых координат:
всего . ..
одновременно
Система числового управления
Кинематическая схема станка приведена на рис. 6.12.
Привод главного движения содержит асинхронный двигатель и ступенчатую коробку скоростей. Посредством пяти подвижных
89
блоков, управляемых селективным механизмом, получают 17 различных частот вращения шпинделя (в станке применена структура привода главного движения с перекрытием ряда частот вращения).
Приводы подач и установочных перемещений стола и ползуна выполнены в виде тиристорных следящих электроприводов с использованием двигателей ПГТ-2. Контроль по пути и скорости осу-, ществляется соответственно вращающимися трансформаторами ВТ и тахогенераторами.
Вертикальное перемещение ползуна осуществляется от двига- 1236
теля М2 через передачи ^- и -zj- на ходовой винт с шагом 6 мм. Зубчатые передачи выполнены беззазорными. Поперечное перемещение салазок и продольное перемещение по ним стола осуществляется соответственно от двигателей М4 и М3 через беззазорные червячные редукторы на ходовые винты с шагом 12 мм. Червячные редукторы имеют две параллельные кинематические цепи, зазор в которых выбирают осевым смещением одного из червяков. Ходовые винты связаны через беззазорные зубчатые передачи с вращающимися трансформаторами ВТ.
Шпиндельная бабка, по направляющим которой перемещается ползун, имеет вертикальное установочное перемещение, осуществляемое от электродвигателя переменного тока М5 через червяч- 2,40
ную передачу —gg-, зубчатую передачу -^- и ходовой винт с шагом 8 мм.
МНОГООПЕРАЦИОННЫЕ СТАНКИ
Многооперационные (многоцелевые) станки с числовым программным управлением предназначены для комплексной обработки деталей с автоматической сменой инструментов. Многооперационные станки в основном используют для обработки призматических и корпусных деталей, имеющих большое число гладких, ступенчатых и резьбовых отверстий различных диаметров и расположенных с разных сторон детали. Кроме того, возможна обработка плоскостей и сложных контуров.
Таким образом, на многооперационных станках производят сверление, зенкерование, растачивание, развертывание, нарезание резьбы, подрезание торцов, фрезерование контуров и плоскостей. Известны станки, на которых кроме указанных операций возможны разметка, строгание, протягивание.
Отличительной особенностью этих станков является максимальная концентрация операций на одной позиции, т. е. замена одним многооперационным станком нескольких станков, каждый из которых осуществлял бы свою операцию. Следовательно, назначение многооперационных станков диктует необходимость иметь значительный запас инструментов, автоматическую их смену, устройство для периодического деления, обеспечивающее обработку с нескольких сторон, и приспособление для автоматической смены заготовок, 90
Автоматическая обработка сложной корпусной детали в условиях мелкосерийного производства требует оснащения многооперационных станков универсальной системой числового программного управления, обеспечивающей управлением циклом, установку координат, контурную обработку, периодическую установку в исходное положение, изменение режимов резания, автоматическую смену инструментов, автоматический поворот заготовки, автоматическую смену заготовки.
Рис. 6.13. Горизонтальный многооперацнонный станокРис. 6.13. Горизонтальный многооперацнонный станок12
Рис. 6.13. Горизонтальный многооперацнонный станок
Рис. 6.13. Горизонтальный многооперацнонный станок
На станках этого типа, как правило, обрабатывают дорогостоящие детали, поэтому многооперационные станки должны обладать высокой надежностью. С этой целью станки оснащают системами диагностики и контроля детали и инструмента, а в системе числового управления должна быть предусмотрена возможность ручной (с пульта) или автоматической коррекции положения и перемещения узлов станка и инструментов, а также режимов резания в соответствии с показаниями контрольно-измерительной аппаратуры.
Наиболее распространенные многооперационные станки имеют компоновку, сходную с компоновками станков общего назначения. На рис. 6.13 приведена компоновка многооперационного станка, выполненного иа базе горизонтально-расточного станка. Стойка 3
перемещается по горизонтальным направляющим станины в направ- лении,совпадающем с направлением оси шпинделя /. Стол станка состоит из двух частей: нижняя часть 10 перемещается по горизонтальным направляющим станины в направлении, перпендикулярном оси вращения шпинделя; верхняя часть 11 — поворотная. Шпиндель установлен в выдвижной пиноли. Шпиндельная бабка 2 перемещается по вертикальным направляющим стойки. Станок снабжен инструментальным магазином 5, выполненным в виде бесконечной цепи, звенья которой несут гнезда для размещения оправок с инструментами. Из магазина требуемый инструмент извлекает автооператор 4 и передает его в шпиндель станка. На станине S установ-
Рис. >6.14. Многооперационный станок токарного типа
лен дополнительный стол 9 с приспособлением-спутником 7, на котором закрепляют подготовленную к обработке заготовку 6. В начале цикла обработки приспособление-спутник вместе с заготовкой перемещается по столу 9 в направлении стола 10 станка, который в этот момент установлен в положение загрузки. После передачи приспособления-спутника с заготовкой на поворотный стол И станка и закрепления его нижний стол 10 станка перемещается в зону обработки. С противоположной стороны установлен аналогичный дополнительный -стол 12 с приспособлением-спутником, на котором во время обработки предыдущей заготовки закрепляют последующую. После полной обработки деталь возвращается на стол 9, и следующая заготовка со стола 12 устанавливается в зону обработки. Такой «маятниковый» способ загрузки детали позволяет совместить вспомогательное время, затрачиваемое на закрепление детали, с машинным временем обработки, что существенно повышает производительность станка.
Многооперационный станок токарного типа приведен на рис. 6.14. Заготовку крепят в патроне 4, установленном на шпин-
деле станка. На суппорте 7, совершающем продольное и поперечное перемещения, смонтирован корпус 2, несущий револьверную головку 3, в которой устанавливают инструменты, обеспечивающие обработку, характерную для токарных станков (обтачивание, растачивание, сверление, зенкерование, нарезание резьбы). Для обработки длинномерных заготовок в центрах предусмотрена задняя бабка 8. Однако, в отличие от токарных станков, на корпусе 2 установлены дополнительный инструментальный шпиндель 7 и магазин 5 с инструментами, а шпиндельная бабка станка имеет верти-
Рис. 6.15. Агрегатный многооперационный станок
кальное перемещение и фиксированный поворот шпинделя на заданный угол. Это позволяет изменять положение заготовки относительно инструментального шпинделя и фрезеровать шпоночные канавки, пазы и уступы на валиках, а также обрабатывать отверстия, оси которых перпендикулярны оси вращения шпинделя станка. Смена инструментов в инструментальном шпинделе осуществляется автооператором 6. Для удаления стружки служат скребковый конвейер 10 и тележка 9.
Многооперационный станок, выполненный по принципу агрегатных станков, показан на рис. 6.15. Корпусные детали закрепляются на поворотном столе 6. С двух противоположных сторон стола на кронштейнах 4 и 8 расположены шпиндельные бабки 3 и 9, которые могут перемещаться в трех направлениях: вертикально вместе с кронштейнами, горизонтально перпендикулярно оси шпинделя по направляющим кронштейнов вместе с салазками 5 и 7 и в направлении оси шпинделя по направляющим салазок. Каждая шпиндельная бабка оснащена магазином, в котором установлено 15 сменных
инструментов. Смена инструментов осуществляется при повороте и осевом перемещении магазинов / н 2; при этом шпиндельные бабки находятся в верхнем положении.
Известны компоновки многоинструментных станков на базе продольно-фрезерных и сверлильных станков общего назначения, а также агрегатные многооперациониые станки со сменными шпиндельными коробками.
Конструкции шпиндельных бабок многооперационных станков существенно зависят от компоновки станка. В станках, скомпонованных на базе вертикально-фрезерного станка, конструкция шпинделя и его опор не отличается от аналогичных конструкций станков общего назначения. Шпиндель монтируют или непосредственно в корпусе шпиндельной бабки,-или, для облегчения сборки, в неподвижной гильзе, установленной в корпус бабки. В качестве опор шпинделей применяют радиальные подшипники типа 3182000, радиально-упорные и упорные подшипники, а также подшипники типа 178000. Выбор радиальных и осевых зазоров осуществляется обычными средствами.
В отличие от станков общего назначения, привод вращения шпинделя осуществляется электродвигателем постоянного тока с широким диапазоном регулирования частот вращения, связанных непосредственно или через ременную передачу с коробками скоростей, содержащими одну или две групповые передачи. Коробку скоростей применяют для увеличения диапазона регулирования частот вращения с постоянной мощностью. Автоматическое управление перемещением скользящих блоков в групповых передачах осуществляется электромеханическими и гидравлическими устройствами.
Развертка валов шпиндельной бабки многооперационного фрезерно-сверлильного станка показана на рис. 6.16. Вращение шпинделя 1 осуществляется или непосредственно через ременную передачу 7, минуя коробку скоростей, что происходит при включенной полумуфте 2 и среднем положении блока шестерен 3, или через коробку скоростей при выключенной полумуфте 2 и включенном в зацепление блоке 3 с одной из шестерен 4 или 5, закрепленных на втулке 6, связанной со шпинделем шлицевым соединением. Таким образом, привод вращения шпинделя имеет сложенную структуру.
На развертке показан механизм перемещения вилки 12, включающей полумуфту 2 и передачу 8, 9. От электродвигателя 17 через зубчатую передачу 11 вращается винт 10, который перемещает вилку 12. Между гайкой и вилкой установлена пружина 18, которая сжимается в случае совпадения зубьев переключаемых элементов, а затем при их относительно медленном повороте досылает полумуфту 2 или блок 3 в требуемое положение. Конечные положения вилки определяют кулачками 13 и 14, воздействующими на микропереключатели 15 и 16. Аналогично устроен и механизм перемещения блока 3.
Вариант механизма перемещения скользящих блоков с гидравлическим приводом приведен на рис. 6.17. В момент переключения двигатель главного движения затормаживается, и жидкость по-
дается в полость 1 гидроцилиндра 2 с неподвижным штоком 3. При этом корпус гидроцилиндра перемещается и нажимает вначале на подпружиненный шток 8, который воздействует на микропереключатель 6. При этом электродвигатель включается на работу в ре-
Рис. 6.16. Шпиндельная бабка фрезерно-сверлильного многооперационного станка
жиме импульсного качательного движения. Затем корпус гидро- цилиндра перемещает втулку 4, которая перемещает вал-шестерню 9. При дальнейшем движении втулки подпружиненный шток 7 западает в углубление втулки; при этом включается микропереключа-
Рис. 6.17. Механизм переключения скользящих блоков с гидравлическим приводом
тель 5, и двигатель переходит в режим нормального вращения. Для обратного перемещения вала-шестерни 9 в полость 10 подается жидкость, корпус гидроцилиндра 2 перемещается в обратном направлении, шток 7 выходит из отверстия, срабатывает микропереключатель 5, и двигатель переходит на работу в режиме качательного движения. Втулка 4 перемещает вал-шестерню
в противоположном направлении, освобождается шток 8, и микропереключатель 6 переключает двигатель главного движения на работу в режиме нормального вращения.
Если многооперационный станок (рис. 6.18) скомпонован на базе горизонтально-расточного станка, то внутри основного полого шпинделя 1 располагают выдвижной расточной шпиндель 2, причем оба шпинделя имеют автономные устройства для закрепления инструмента .<
Шпиндельные бабки токарных многооперационных станков часто выполняют подвижными. Вариант выполнения шпиндельной бабки, подвижной в осевом направлении, показан на рис. 6.19. Шпиндель 1 станка размещен в отдельном корпусе 2, перемещаемом по направляющим. Вращение шпинделя в широком диапазоне ча- Стот осуществляется от неподвижной коробки скоростей 5, связанной со шпинделем подвижным шлицевым соединением 6. Фиксированный поворот шпинделя производится отдельным электродвигателем 4, установленным на шпиндельной бабке, через зубчатые передачи и контролируется датчиком 3 обратной связи. Такая компоновка привода главного движения позволяет получить легкую термосимметричную шпиндельную бабку, что обеспечивает повышение точности станка.
Многооперационные станки, как правило, имеют приводы подач, выполненные в виде шариковых винтовых пар, связанных соединительными муфтами (рис. 6.20) с высокомоментными электродвигателями. Между корпусом 1 муфты и валом 2 установлены тонкие конические втулки 3, затягиваемые в коническое отверстие корпуса • винтами 4. При этом втулки радиально деформируются и плотно охватывают вал. Корпуса 1 и 6 соединены между собой стальным гофрированным кольцом 5 (сильфоном), допускающим некоторое смещение или перекос осей валов, но исключающим их относительный поворот.
Один из вариантов крепления ходового винта и гайки качения j показан на рис. 6.21. Винт 4 растянут между опорами 2 и 5 гай- 1 96.1
Рис. 6.19. Шпиндельная бабка токарного многооперационного станкаРис. 6.19. Шпиндельная бабка токарного многооперационного станка
Рис. 6.19. Шпиндельная бабка токарного многооперационного станка
Рис. 6.19. Шпиндельная бабка токарного многооперационного станка
55Рис. 6.20. Сильфонная муфтаРис. 6.20. Сильфонная муфтаРис. 6.21. Крепление ходового шарикового винтаРис. 6.21. Крепление ходового шарикового винта
5
5
Рис. 6.20. Сильфонная муфта
Рис. 6.20. Сильфонная муфта
Рис. 6.21. Крепление ходового шарикового винта
Рис. 6.21. Крепление ходового шарикового винта
ками 1 и 6, а в паре винт 4 — гайка 3 создан предварительный натяг. Такое двухопорное крепление растянутого винта компенсирует погрешности монтажа и температурные деформации.
В качестве направляющих подвижных узлов многооперационных станков, как правило, используют направляющие качения. Известно использование в станках этого типа гидростатических и аэростатических направляющих, а также полимерных материалов на основе фторопласта, обеспечивающих коэффициент трения покоя 0,002—0,003.
Низкий коэффициент трения покоя всех видов направляющих диктует необходимость введения устройств для зажима подвижных
узлов многооперационных станков.
Устройства для автоматической смены инструментов, применяемые в многооперационных станках, разнообразны по конструкции и могут быть укрупненно разделены на три группы: устройства,
обеспечивающие смену инструментов путем поворота револьверной головки, в которой они установлены; устройства для автоматической смены инструментов без автооператора; устройства для смены инструментов с автооператором.
Устройства первой группы по конструкции мало отличаются от устройств, применяемых в токарно-револьверных станках и автоматах. Единственным отличием является обеспечение выборочного поворота револьверной головки в любом направлении и установка ее в любой позиции.
В устройствах второй группы предусмотрен перенос инструментов из магазина в шпиндель станка и обратно только за счет движений, сообщаемых магазину и шпинделю. Есть конструкции, в ко-
8)
Рис. 6.22. Устройства для автоматической смены инструмента с магазином, расположенным соосно со шпинделем (а) и параллельно ему (б, в)
торых магазин 1 размещен соосно со шпинделем 2 (рис. 6.22, с), и. конструкции, в которых ось магазина 1 параллельна оси шпинделя 2 (рис. 6.22, б, в).
а — дисковым; б — цепным; 6 *— расположенным иа стойке станка
Недостатком устройств этой группы является большая потеря времени на перегрузку инструментов, так как она связана с перемещениями узлов значительной массы. Кроме того, вместимость магазина относительно невелика (12—15 инструментов).
В устройствах третьей группы (рис. 6.23) обязательно наличие одного или двух автооператоров 1. Автооператор — приспособление 100
Рис. 6.24. Устройство для автоматической смены инструмента с автооператором и позицией ожиданияРис. 6.24. Устройство для автоматической смены инструмента с автооператором и позицией ожиданиямалой массы, совершающее поворотное и осевое движения и перемещающее инструменты из магазина 2 в шпиндель 3 станка и обратно. Магазины этих устройств большой вместимости (до 100 инструментов) дискового или цепного типа располагают вне станка на отдельных стойках или на верхнем торце стойки станка.
Рис. 6.24. Устройство для автоматической смены инструмента с автооператором и позицией ожидания
Рис. 6.24. Устройство для автоматической смены инструмента с автооператором и позицией ожидания
Известны устройства смены инструмента, имеющие промежуточную позицию, в которой временно находится перемещаемый инстру-
мент «позиция ожидания». В этом случае медленное вращение магазина большой вместимости, при условии кодирования гнезда магазина, совпадает со временем обработки, а подготовленный к загрузке в шпиндель или извлеченный из шпинделя инструмент находится в позиции ожидания. На рис. 6.24х приведено устройство такого типа для многооперационных станков с горизонтальным рас
положением шпинделя.
Три инструментальных магазина 1, 2, 3 вместимостью до 30 инструментов установлены на отдельной стойке. Поворотное гнездо 5 позиции ожидания и основной автооператор 6 размещены на шпиндельной бабке 4. Для переноса инструментов из магазинов в позицию ожидания и обратно служит дополнительный автооператор 7, который может поворачиваться вокруг своей оси и перемещаться вертикально по дополнительным направляющим стойки 8. Таким образом, загрузка позиции ожидания и шпинделя может присходить при любом положении шпиндельной бабки. Автооператор 7 забирает инструмент из любого магазина и переносит его в позицию ожидания. Гнездо позиции ожидания поворачивается на 909, что обеспечивает установку его в плоскости действия автооператора 6, обеспечивающего загрузку и удаление инструмента.
Устройства для зажима инструментов в шпинделе станка мало отличаются от устройств для механизированного зажима, применяемых в станках общего назначения. В наиболее распространенных зажимных устройствах зажим осуществляется пакетом тарельчатых пружин, а разжим — гидроцилиндром. В устройствах для автоматической смены инструмента передний конец тяги оснащен замком, который может быть выполнен в виде шарикового, цангового, рычажного или кулачкового захвата, взаимодействующего с переходником, ввернутым в резьбовое отверстие оправки инструмента.
В поворотных рычагах автооператоров оправки инструментов закрепляют подпружиненными фиксаторами, которые отводятся кулачками. В гнездах магазинов оправки инструментов закрепляют подпружиненными защелками, срабатывающими при осевом перемещении оправки.
Многооперационный станок 2623ПМФ-4 предназначен для обработки в корпусных деталях отверстий концевыми инструментами. На станке производят сверление, зенкерование, растачивание, развертывание, нарезание резьбы, фрезерование.
Техническая характеристика
Диаметр выдвижного шпинделя, мм НО
Коиус крепления инструментав шпинделе №50
Размер встроенного поворотного стола н стола-спутника, мм: ширина 1 120
длина 1250
Наибольшая масса устанавливаемой заготовки, кг: на столе‘ 4 000
на столе-спутнике 2 000
Перемещения, мм:
вертикальное шпиндельной бабки 1250
продольное шпинделя 500
продольное стойки 1000
поперечное стола 1600
Круговое перемещение стола, ° 360
Частота вращения шпиндели, мин-15—1 250
Число частот вращения шпинделя 25
Наибольший диаметр отверстий, растачиваемых шпинделем, мм320
Наибольшая тяговая сила подачн, Н: стойки 15000
шпинделя 10000
шпиндельной бабкн 8000
стола (поперечная) 8000
Подача подвижных узлов (регулирование бесступеичатое), мм/мин . . . 2—1 600
Скорость быстрых перемещений подвижных узлов, мм/мин 8 000
Число инструментов в магазине, шт. 50
Мощность главного привода, кВт 15
Габаритные размеры станка, мм: длина 8300
высот а 7500
ширина 4500
Масса станка, кг 31000
Станок снабжен инструментальным магазином с цепным приводом и устройством для автоматической смены столов-спутников, а 7ак же системой числового программного управления подвижными узлами по пяти координатам.
Кинематическая схема станка приведена на рис. 6.25. Кинематика станка исключительно простая и не требует подробных пояснений. Привод главного движения (вращение шпинделя) имеет широкий диапазон регулирования; в него входят двигатель постоянного тока мощностью 15 кВт при п = 750 мин-1 и двухступенчатая коробка скоростей. Частота вращения шпинделя регулируется в диапазоне 750—2350 мин-1 при постоянной мощности и в диапазоне 47—750 мин-1 при постоянном моменте. Механизм переключения зубчатых колес в коробке скоростей гидравлический с приводом от гидроцилиндра. В момент переключения двигатель главного движения затормаживается и переходит на работу в режиме медленного качательного движения, а в конце хода гидроцилиндра нормальное вращение двигателя восстанавливается.
Привод перемещения шпиндельной бабки осуществляется от высокомоментного двигателя постоянного тока, связанного (без редуктора) с винтом специальной муфтой, обеспечивающей возможность установки двигателя с некоторым отклонением от соосности и беззазорное соединение с винтом с высокой жесткостью на кручение. Самопроизвольное перемещение бабки при отказе гидравлического механизма ее уравновешивания предотвращается тормозом
55
Mi, связанным с ходовым винтом передачей -^-.
ГЛАВА 7
СТАНКИ ДЛЯ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
круглошлифовальные станки
Круглошлифовальные станки предназначены для наружного шлифования гладких и прерывистых цилиндрических и торцовых поверхностей тел вращения. На станках этого типа можно выполнять продольное и врезное шлифование при ручном или автоматическом управлении.
Рнс. 7.1. Компоновка круглошлифовального центрового станка
Наиболее распространенная компоновка круглошлифовального центрового станка показана на рис. 7.1. Станок состоит из следующих основных узлов: станины 1, шлифовальной бабки 3, передней бабки 2, задней бабки 4, стекла 5. Шлифовальные станки имеют устройство для правки шлифовального круга (на рисунке не показан).
Станина и стол круглошлифовального станка приведены на рис. 7.2. На продольных направляющих станины установлен ниж- 104
ний стол 6, на котором смонтирован поворотный верхний стол 5. Стол 5 можно поворачивать винтом 2 вокруг оси подшипника 4. Фиксированный поворот стола 5 необходим для обработки конических поверхностей. Нижний стол 6 перемещается гидроцилйн- дром 3, закрепленным на станине. Штоки поршня гидроцилиндра связаны со столом 6. На станине закреплена плита 7, на поперечных направляющих которой перемещается шлифовальная бабка (рис. 7.3).
Шпиндель 1 шлифовальной бабки установлен в двух гидродинамических подшипниках скольжения с самоустанавливающимися
Рис. 7.2. Станина и стол круглошлифовального станка
вкладышами 5. В осевом направлении шпиндель фиксируется сферическими бронзовыми шайбами 2 и 3, прижатыми к бурту шпинделя резьбовой втулкой 4.
Иногда в качестве опор шпинделя используют подшипники качения и гидростатические подшипники. Шлифовальная бабка перемещается по направляющим качения. Для особо точных станков применяют гидростатические направляющие.
Шпиндель 5 передней бабки (рис. 7.4) неподвижен. В нем установлен центр 4, на котором базируется заготовка. Вращение передается поводком 3, закрепленным на планшайбе 2. Планшайба приводится во вращение от двигателя / постоянного тока через две клиноременные передачи, натяжение которых регулируют эксцентриковой втулкой 6, поворачиваемой червяком 7.
В расточке корпуса 7 задней бабки (рис. 7.5) вручную или гидроцилиндром 4 перемещается пиноль 2, в которой установлен задний центр 3. ■
На рис. 7.6 представлен прибор для правки шлифовального круга. На корпусе 1 установлены продольные направляющие 2,
по которым перемещается каретка 3. Каретка имеет направляющие 6, расположенные под углом 45°, по которым перемещается суппорт 8, контактирующий с копиром 10. Копир может иметь гладкую или ступенчатую форму. Каретку перемещает шток 13 гидроцилиндра. В суппорте размещена пиноль 11 с алмазодержателем 12, перемещаемая в осевом направлении винтом 7, который поворачивается либо вручную маховиком 9, либо гидроцилиндром 4 через храповой механизм с храповым колесом 5. Таким образом обеспечивается глубина врезания алмазного карандаша.
106 '
Приспособления, применяемые при обработке на круглошлифовальных станках, можно разделить по назначению на два типа: приспособления для базирования и закрепления деталей; приспособления для передачи вращения заготовке.
ЛИ
Рис. 7.4. Передняя бабка круглошлифовального станка
К приспособлениям первого типа можно отнести различные - оправки, которые подразделяют на жесткие с закреплением по конусу или торцу, разжимные с цанговым или упругим элементом, оправки с раздвижными элементами.
А-А повернутуА-А повернутуЕЗЕЕЗЕРис. 7.5. Задняя бабка круглошлифовального станкаРис. 7.5. Задняя бабка круглошлифовального станка
А-А повернуту
А-А повернуту
ЕЗЕ
ЕЗЕ
Рис. 7.5. Задняя бабка круглошлифовального станка
Рис. 7.5. Задняя бабка круглошлифовального станка
Приспособления второго типа получают вращение от поводковой планшайбы станка и представляют собой хомутики различной конструкции илк поводковые патроны. Поводковые патроны по кон-
107
струкции и принципу действия не отличаются от’патронов, применяемых в токарных станках. Это, как правило, патроны самозажимного действия с поворотными зажимными элементами, имеющими возможность самоустанавливаться по детали, забазированной на оправке или непосредственно в центрах передней и задней бабок станка.
Рис. 7.6. Прибор для правки круга круглошлифовального станка
Круглошлифовальный станок ЗМ151 предназначен для наружного шлифования поверхностей типа тел вращения.
Техническая характеристика
Наибольшие размеры устанавливаемой детали, мм: диаметр 200
длина 700
Диаметр шлифовального круга, мм: наибольший 600
наименьший 450
Наибольшая ширина круга, мм 80
Частота вращения шлифовального круга, мин** 1590
Частота вращения заготовки (бесступенчатое регулирование), мин*140—400
Скорость перемещения стола (бесступенчатое регулирование),м/мин0,05—5
Периодическая подача шлифовальной бабки при каждомреверсе,мм0,0025—0,05
Врезная подача, мм/мин 0,01—3
Мощность электродвигателя привода шлифовальной бабки, кВт . .7,5
Габаритные размеры станка, мм:
длина 4635
высота 2450
ширина 2170
Кинематическая схема станка приведена на рис. 7.7.
Привод главного движения. Вращение шпинделя шлифовального круга осуществляется от электродвигателя М2 через ременную пе- 0112 редачу
Привод вращения заготовки. Шпиндель неподвижен, вращение заготовки передается через поводковую планшайбу от электродви- ...0 630 63
гателя Ml через две клиноременные передачи: jgo и ^д-.
Рис. 7.7. Кинематическая схема круглошлифовального станка
Ручное перемещение стола осуществляют маховиком через передачи -^-, -|р, -^шестерня z = 20 — рейка.
Ручное перемещение шпиндельной бабки шлифовального круга осуществляют маховиком через коническую передачу -Ц-, червячную передачу -^-, передачу винт—гайка с шагом р = 10 мм (неподвижный винт и вращающаяся гайка).
Ручной привод механизма правки осуществляют маховиком че- 2227
рез коническую передачу -^-, цилиндрическую передачу -^-, передачу винт—гайка с шагом р = 2 мм.
Перемещение пиноли задней бабки осуществляется от рейки- поршня (г = 12), через вал-шестерню z = 23 и рейку пиноли (г = 12).
109
Рабочие и вспомогательные движения осуществляются от гидропривода.
Бесцентрово-шлифовальные станки предназначены для высокопроизводительного шлифования поверхностей типа тел вращения малого диаметра и большой длины, а также деталей, не имеющих центровых отверстий.
Рис. 7.8. Способы бесцентрового шлифования:
а — напроход; б — врезное; в — до упора; 1 — шлифовальный круг; 2 — заготовка; 3 о опорный нож; 4 — ведущий круг; 5 — упор
На бесцентрово-шлифовальных станках заготовки обрабатывают тремя способами (рис. 7.8): шлифованием напроход, врезным шлифованием, шлифованием до упора. Перемещение заготовки 2 вдоль периферии круга 1 осуществляется в результате поворота ведущего
Рис. 7.9. Схема получения продольной подачи заготовки при бесцентровом шлифовании путем поворота ведущего круга (а) и опорного ножа (б):
Уд — окружная скорость заготовки; и — окружная скорость ведущего крута; S — продольная подача; а — угол поворота ведущего круга или наклона опорного ножа (позиции те же, что и на рис. 7.8)
круга 4 на определенный угол или за счет наклона опорного ножа 3 (рис. 7.9). Во всех случаях заготовка 2 находится в контакте с опорным ножом 3, шлифующим кругом 1 и ведущим кругом 4, Оба круга вращаются в одном направлении. Частота вращения шлифовального круга в 60—100 раз выше частоты вращения ведущего круга (рис. 7.10).
Рис. 7.10. Схема бесцентрового шлифова-j
ния: vjn — окружная скорость шлифовального круга; v^ — окружная скорость заготовки; и — окружная скорость ведущего круга (пезицин те же, что на рис. 7.8)
Поперечная подача на бесцентрово-шлифовальных станках осуществляется перемещением ведущего круга и опорного ножа относительно неподвижной шлифовальной бабки; перемещением шлифовальной бабки
и опорного ножа относительно неподвижного ведущего круга; перемещением шлифовального и ведущего кругов относительно неподвижного опорного ножа.
В большинстве современных станков применяют бесступенчатое регулирование частоты вращения ведущего круга, что позволяет сохранить постоянную производительность по мере изнашивания ведущего круга. Обрабатываемые детали базируются либо на ноже, либо на башмаках. Станки снабжаются приборами правки шлифовального и ведущего кругов.
В станках этого типа отсутствуют какие-либо приспособления для закрепления заготовок, так как их базируют на опорных ножах различной конструкции. Ножи выполняют гладкой или ступенчатой формы из легированной стали, а опорную поверхность закаливают, или из углеродистой стали, в этом случае нож оснащают пластинкой из твердого сплава. При отделочном шлифовании и полировании применяют ножи с опорной поверхностью, выполненной из твердой резины.
Бесцентрово-шлифовальный станок ЗМ182 предназначен для обработки методами продольного или врезного шлифования гладких, ступенчатых, конических и фасонных поверхностей тел вращения.
Техническая характеристика стайка ЗМ182
Диаметр шлифования, мм0,8—25
Наибольшая длина шлифуемойдетали,мм 170
Размер (диаметр X ширина) круга, мм:
шлифовального 200X40
ведущего150X40
Частота вращения ведущего круга,мин-111—150
Мощность электродвигателяприводашлифовального круга, кВт . . . .7,5
Габаритные размеры, мм:
длина 2230
высота 1455
ширина 2120
Отклонение откруглостипослешлифования,мкм 0,6
Кинематическая схема станка показана на рис. 7.11.
Привод главного движения. Вращение шлифовального круга осуществляется от асинхронного электродвигателя Ml через ременную
передачу ^-Щ-. Электродвигатель установлен на отдельной плите с индивидуальным фундаментом.
Вращение ведущего круга осуществляется от электродвигателя постоянного тока М2 типа ПБСТ-22 через червячную передачу -^~.
Ручное перемещение шлифовальной бабки осуществляется от маховика через червячную передачу -^- на ходовой винт VII с шагом р = 4 мм. Быстрое перемещение шлифовальной бабки осуществляется от электродвигателя М4 через цилиндрическую передачу -Ц- и червячную передачу -^- на ходовой винт VII с шагом р = 4 мм.
Перемещение салазок механизмов правки шлифовального и ведущего кругов осуществляется по цепи: двигатели М3 — передачи -^- — предохранительные муфты Л1£ и Ма — передачи -|| ходовые винты XII с шагом р — 2 мм.
Толчковую подачу шлифовальной бабки производят рычагом 3 через храповую собачку и храповое колесо z = 80 и далее по кинематической цепи перемещения шлифовальной бабки.
Движение врезания шлифовальная бабка получает от гидроцилиндров ГЦ1 и ГЦ2. Поперечная подача осуществляется от гидроцилиндра ГЦ1, который перемещает клин I, контактирующий со штоком гидроцилиндра ГЦ2, являющегося продолжением винта VII. Ускоренный привод осуществляется штоком гидроцилиндра ГЦ2. Выхаживание происходит на упоре 2 в конце поперечной подачи, когда прерывается контакт между клином и штоком гидроцилиндра ГЦ2.
Внутришлифовальные станки предназначены для шлифования отверстий методами продольной и поперечной подачи. Наибольшее распространение получили станки, у которых главным движением является вращение шлифовального круга, круговая подача обеспечивается вращением заготовки, а продольная и поперечная подачи обеспечиваются перемещением шлифовального шпинделя или бабки изделия. Станки этой группы могут быть патронными или бесцентровыми. В первом случае деталь базируется в патронах различных конструкций, во втором — на роликах или башмаках.
Существуют также станки планетарного типа, на которых обрабатывают крупные детали, установленные неподвижно, а шлифовальный шпиндель совершает вращательное движение вокруг оси обрабатываемого отверстия и вращается вокруг своей оси.
Типовая компоновка внутришлифовального станка приведена на рис. 7.12. Станок состоит из станины 1, моста 2, бабки изделия 3, стола 7, шлифовальной бабки 6, торцешлифовального приспособления 4, пульта управления 5. На станине 1 монтируют основные узлы станка: стол со шлифовальной бабкой и мост с бабкой изделия. Мост перемещается по поперечным направляющим скольжения; стол — по продольны^ направляющим качения. Торцещлифоваль-
ное приспособление имеет торцешлифовальный шпиндель с автономным приводом и поворачивается в шариковых втулках посредством гидроцилиндра. Торцешлифовальный шпиндель имеет осевое перемещение, обеспечивающее врезание.
Станки рассмотренной компоновки имеют две разновидности. В первом случае подача осуществляется поперечным перемещением бабки изделия, во втором — перемещением шлифовальной бабки.
В станках предусмотрена правка шлифовальных кругов, а также компенсация износа основного шлифовального круга.
Рис. 7.12. Компоновка внутришлифовального станка
Наиболее распространенными универсальными приспособлениями, применяемыми на внутришлифовальиых станках, являются самоцентрирующие патроны. Конструкции кулачковых патронов со спирально-реечным механизмом перемещения кулачков мало отличаются от патронов этого типа для токарных станков. В условиях массового производства применяют быстродействующие мембранные и магнитные патроны.
ПЛОСКОШЛИФОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ
Плоскошлифовальные станки предназначены для чистовой обработки плоскостей на деталях различных размеров. Главное движение в этих станках — движение вращения шлифовального круга. В зависимости от формы стола, на котором закрепляют заготовку, различают продольную и круговую подачи ее. Когда ши-
рина обрабатываемой плоскости больше ширины круга, заготовке или кругу сообщается поперечная подача. Кроме того, шлифовальному кругу или заготовке сообщается периодическое перемещение на глубину, направленное перпендикулярно обрабатываемой плоскости.
Шлифование производят периферией или торцом шлифовального круга. Есть станки, в которых шлифование осуществляется одно-
Рис. 7.13. Кинематическая схема плоскошлифовального станка с прямоугольным столом
временно торцами двух противоположно установленных кругов. При шлифовании торцом круга различают шлифование кругом, ось которого перпендикулярна обрабатываемой плоскости, и шлифование кругом, ось которого наклонена к шлифуемой плоскости:
Плоскошлифовальные станки с прямоугольным столом выполняют с горизонтальным и вертикальным шпинделями. На рис. 7.13 приведена, традиционная компоновка плоскошлифовального станка с прямоугольным столом и горизонтальным шпинделем, работающего периферией круга. На станине 1 закреплена колонна 2, по
Рис. 7.14. Компоновка плоскошлифо- вальиого станка с вертикальным шпинделем и круглым столомРис. 7.14. Компоновка плоскошлифо- вальиого станка с вертикальным шпинделем и круглым столомвертикальным направляющим которой перемещается шлифовальная бабка 3. По горизонтальным направляющим качения перемещаются салазки 4 (движение поперечной подачи), несущие продольные направляющие качения, по которым перемещается стол 5. Перемещение стола осуществляется от гидроцилиндра, корпус которого закреплен на салазках 4, а штоки поршня — на столе 5. В станине размещены приводы вертикального перемещения шлифовальной бабки и поперечного перемещения салазок.
Рис. 7.14. Компоновка плоскошлифо- вальиого станка с вертикальным шпинделем и круглым столом
Рис. 7.14. Компоновка плоскошлифо- вальиого станка с вертикальным шпинделем и круглым столом
Плоскошлифовальные станки с круглым столом также имеют горизонтальное и вертикальное расположение шпинделя. На рис. 7.14 дана компоновка плоско- шлифовального станка с круглым столом и вертикальным шпинделем. На станине 1 закреплена колонна 2, по направляющим которой перемещается шлифовальная
бабка 3. По горизонтальным направляющим станины перемещаются салазки 4 со столом, несущим вращающуюся планшайбу. Вращение шпинделя шлифовального круга осуществляется от встроенного электродвигателя, ротор которого установлен непосредственно на шпинделе. Для закрепления детали на плоскошлифовальном станке наибольшее распространение получили магнитные плиты.
Техническая характеристика станка 3E71113
Размеры рабочей поверхности стола, мм: длина 630
ширина 200
Скорость продольногоперемещения стола, м/мин 2—35
Поперечная подачастола,м/мин 0,01—1,5
Габаритные размеры станка, мм: длина 2700
высота 1775
ширина 1910
Кинематическая схема станка представлена на рис. 7.13.
Привод главного движения. Вращение шлифовального круга осуществляется от электродвигателя Ml через ременную передачу 0 194 0 105 •
Поперечная подача стола осуществляется от двигателя постоянного тока через передачи -^ и -^- на ходовой винт VII с шагом р = 5 мм. Муфта Мх служит для включения автоматической или ручной подачи. При включении муфты Mt вправо осуществляется автоматическая непрерывная или прерывистая подача. При вклю- 116
чении муфты Мг влево осуществляется ручная подача (грубая — вращением маховика или тонкая — вращением лимба при вклю-
1 \ ченнои червячной передаче -^-1.
Ручную продольную подачу стола производят маховиком с планетарным механизмом, на выходе которого установлена шестерня, перемещающая рейку, закрепленную на столе. Вертикальная подача шлифовальной бабки осуществляется от шагового электродвигателя М3 через передачи ^-, -^-, муфту М2, карданный вал X, электромагнитную муфту /И3, червячную передачу -^- на ходовой винт XII с шагом р = 6 мм. Ручная подача шлифовальной бабки осуществляется при включенной муфте М2 влево от маховика и лимба, устройство которых аналогично описанному выше.
Быстрое перемещение шлифовальной бабки производится от ...0 !40
электродвигателя М4 через ременную передачу 0^ при выключенной муфте Л43.
Продольная подача стола осуществляется от гидропривода, выполненного в виде бездифференциального гидроцилиндра, с элек- трогидравлическим управлением.
Г Л А В А 8
СТАНОЧНЫЕ МОДУЛИ И ГИБКИЕ СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
СТАНОЧНЫЕ МОДУЛИ
Станочным модулем будем называть разновидность гибкого производственного модуля (ГПМ), в котором в качестве основной технологической машины используют металлорежущий станок с ЧПУ.
В систему станочного модуля входят: чаще всего один станок с числовым программным управлением, подсистема транспортирования, загрузки и выгрузки изделий, подсистема накопления и смены инструмента, подсистема контроля качества изготовленных деталей, внутренний накопитель заготовок, обеспечивающий запас не менее чем на 8 ч работы. Станочные модули высокого уровня содержат подсистему контроля размерного износа инструмента с соответствующей размерной поднастройкой и подсистему автоматизированной диагностики.
Перечисленные подсистемы объединены системой управления, которая строится по иерархическому принципу, т. е. содержит центральную ЭВМ, осуществляющую функции диспетчирования, реализующую головную управляющую программу и обрабатывающую информацию о состоянии технологического оборудования,
которая поступает от управляющих подсистем низшего уровня. Такими подсистемами являются: системы оперативного числового программного управления станками, подсистемы управления переналадкой загрузочных устройств на размер подаваемой заготовки в широком диапазоне размеров, подсистемы программированного
обучения промышленных роботов, являющихся составной частью станочного модуля, и т. д.
Важнейшей составляющей системы станочного модуля является совокупность «станок—робот». В известной мере технологические возможности и конструкция робота определяют и компоновку станочного модуля (рис. 8.1).
В линейную компоновку совокупности «станок—робот» вводят два станка с горизонтальной осью вращения шпинделя и робот, работающий в плоской прямоугольной системе координат. В данном 118
случае промышленный робот 1, перемещающийся по балке 2, обслуживает станки 3 и 4, забирая заготовки и возвращая обработанные детали на транспортирующее устройство 5.
Параллельная компоновка содержит два станка с горизонтальной осью вращения шпинделя и робот, работающий в цилиндрической системе координат. Робот 1 обслуживает станки 2 и 3, взаимодействуя с транспортирующим устройством 4, расположенным между станками перпендикулярно оси вращения шпинделей.
При круговой компоновке робот 1, работающий в цилиндрической системе координат, обслуживает три станка 2—4 с вертикальной осью вращения шпинделя. Робот и станки связаны конвейером 5. Промышленные роботы, работающие в цилиндрической системе координат, могут обслуживать станки как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения шпинделя.
Портальные роботы, работающие в угловой системе координат, применяют для обслуживания станочных модулей с линейно-параллельной компоновкой в тех редких случаях, когда в них входит более трех единиц станочного оборудования.
Применение промышленных роботов современного уровня для обслуживания системы станочного модуля накладывает некоторые ограничения на возможную номенклатуру обрабатываемых деталей. Такие детали должны иметь сходные по форме и расположению поверхности, для захвата и базирования, явно выраженные базы и признаки ориентации, позволяющие складирование их около станков в ориентированном виде, сходные признаки, обеспечивающие возможность унификации процессов обработки. При применении в системе станочного модуля промышленных роботов ЭНИМС рекомендует следующую номенклатуру деталей:
гладкие и ступенчатые прямоосные и эксцентриковые валы диаметром до 160 и длиной до 2000 мм, фланцы, диски, кольца, гильзы и втулки диаметром до 500 и длиной до 309 мм;
плоские и объемные детали простейшей формы (планки, крышки, угольники, коробчатые детали) размерами до 1000X1000 мм;
масса деталей от 1 до 500 кг.
Для загрузки-выгрузки деталей большей массы требуются новые конструктивные решения, а мелкие детали целесообразно загружать более дешевыми средствами (вибробункерами, лотками и т. д.), однако средствами доставки сменных бункеров и кассет могут также служить промышленные роботы.
Изложенное выше позволяет сделать вывод, что системы станочных модулей не обязательно должны быть укомплектованы промышленными роботами, а могут содержать более простые, но менее универсальные манипуляторы, причем возможна запрограммированная, смена этих манипуляторов.
Станочное оборудование, входящее в состав станочного модуля, целесообразно выбирать в рамках существующего станочного парка. Естественно, что ряд типоразмеров станков полностью соответствует требованиям создания станочных модулей, а некоторые требуют Модернизации. Во всех случаях системы управления станками тре-
буют стыковки с головкой управляющей ЭВМ. Основными требованиями, определяющими возможность включения станков в состав
станочного модуля, являются следующие: числовое программное управление циклом работы, механизированный зажим-разжим деталей, автоматическая смена инструмента, механизированный отвод ограждения, механический отвод стружки, автоматический контроль и диагностика. В качестве вспомогательного оборудования
в системе станочного модуля используют тактовые столы, я^тяю-
Рис. 8.2. Станочный модульРис. 8.2. Станочный модульщиеся одновременно и накопителями заготовок, приемные столы и столы для размещения готовых деталей. Заготовки доставляют со склада при помощи штабелеров. Корпусные детали закрепляют на спутниках,^а детали типа тел вращения заранее загружают в кассеты.
Рис. 8.2. Станочный модуль
Рис. 8.2. Станочный модуль
Подсистема контроля, качества деталей представляет собой либо специальную измерительную машину, установленную на отдельной позиции, либо измерительное устройство, встроенное в станок.
Станочный модуль для обра
ботки тел вращения приведен на рис. 8.2. Круговая компоновка модуля продиктована применением промышленного робота, работающего в цилиндрической системе координат. В систему модуля входят: токарный станок 1, сверлильный станок 5, многооперационный станок 2, контрольная позиция 3, инструментальный магазин 4, позиция загрузки и выгрузки 6. Промышленный робот 7 выполняет роль универсальной транспортной системы внутри модуля и обеспечивает поток деталей и инструментов. Заготовки подаются на позицию 6 в кассетах, а затем пооче
редно захватываются роботом и передаются на требуемую рабочую позицию. Контроль готовых деталей или полуфабрикатов может осуществляться автоматическим измерительным устройством на любой стадии обработки. Готовые детали передаются роботом на позицию выгрузки. Все агрегаты модуля связаны единой подсистемой управления, построенной по иерархическому принципу, т. е. возможно автономное управление каждым агрегатом с применением микропроцессора и централизованное управление от ЭВМ.
ГИБКИЕ СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
Гибкая станочная система содержит набор переналаживаемых в соответствии с номенклатурой заготовок автоматически действующих станков, связанных с общим автоматическим транспортом и общей системой управления. Использование гибких ста-
ночных систем позволяет повысить производительность, стабилизировать качество обработки, сократить число обслуживающего персонала, уменьшить производственные площади.
По компоновке различают: системы линейной одно- или многорядной компоновки, системы круговой компоновки, системы модульной компоновки.
При линейной компоновке станки устанавливают в один или несколько рядов, а транспортно-накопительную подсистему располагают параллельно ряду. Для круговой компоновки характерна установка станков вокруг центрального склада-накопителя. Системы
Рис. 8.3. Станочная система участка типа АСК-10 модульной компоновки содержат станочные модули из однотипных станков, взаимодействующие с центральной транспортно-накопительной системой с помощью автооператоров или роботов.
По технологическому назначению гибкие станочные системы можно разделить на системы, предназначенные для обработки корпусных деталей, и системы для обработки деталей типа тел вращения.
Станочная система участка АСК-10 для обработки корпусных деталей приведена на рис. 8.3. Станочная система участка содержит группу многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных станков 3 с ЧПУ, разметочную машину /, контрольно-измерительную машину 4, автоматическую транспортно-накопительную подсистему 5, станок для подготовки баз 2. Система управляется централизованно от ЭВМ.
Станочная система предназначена для обработки корпусных деталей из серого чугуна повторяющихся мелких серий по 10—15 шт., при общей номенклатуре выпуска 30—50 наименований. Основным оборудованием системы являются многооперационные станки. На станках осуществляется черновая, получистовая и чистовая обработка плоскостей, пазов и уступов, сверление, растачивание, зенке- рование отверстий, нарезание резьбы в отверстиях, контурное фрезерование отверстий, приливов, платиков и бобышек. Станки имеют горизонтальный шпиндель с устройством для автоматической смены инструмента и крестовый стол со встроенным поворотным столом. Таким образом, возможна обработка корпуса за один установ с трехчетырех сторон несколькими инструментами. Станки оснащены инструментальным магазином вместимостью в 36 инструментов.
Время смены инструментов составляет 6—8 с. Скорость быстрых перемещений подвижных узлов станков равна 10 000 мм/мин, что обеспечивает значительное сокращение времени на вспомогательные движения.
Для проверки поступающих литых заготовок в станочной системе предусмотрена координатно-разметочная машина ВЕ-111А с цифровой индикацией. Измеряемая заготовка устанавливается на поворотный стол. Измерение и разметка осуществляются сменным ощупывающим или разметочным наконечником. Перемещение наконечника происходит по трем взаимно перпендикулярным координатам. Результаты измерения фиксируются на цифровом табло или выводятся на печать.
Для контроля обработанных деталей система оснащена контрольно-измерительной машиной ВЕ-140К с ЧПУ. Машина работает в автоматическом режиме по заданной управляющей программе. На ией могут быть проверены диаметры, геометрическая форма и отклонения от соосности отверстий, межосевые расстояния и их отклонения, расстояния и отклонения между плоскостями. Результаты измерений анализируются управляющей ЭВМ, а также могут быть выведены на печать для составления паспорта на обработанную деталь.
Транспортно-накопительная подсистема предназначена для создания задела заготовок, полуфабрикатов и готовых деталей и доставки их на рабочие места. Она содержит двухъярусный двухрядный ячеистый склад, автоматический кран-оператор, накопительные роликовые конвейеры для приема и выдачи заготовок, полуфабрикатов и готовых деталей, рольганговые станции для подачи заготовок на рабочие места, систему управления складом с диспетчерским пультом. Заготовки хранятся в ячейках склада на поддонах, с которых они снимаются краном-оператором. Для подготовки баз используют фрезерный станок.
Подсистема управления построена по иерархическому принципу, т. е. каждый агрегат может управляться как от автономного устройства (нижний уровень), так и централизованно от ЭВМ (верхний уровень), что позволяет повысить эффективность и надежность управления.
Для закрепления деталей на столах станков использованы стальные плиты-спутники, на которых монтируется унифицированная крепежная оснастка. Полный комплект оснастки позволяет собрать около 400 типов крепежных приспособлений. Сборка приспособлений на плитах-спутниках производится вне станочной системы в специальном отделении приспособлений.
Для хранения, комплектации и настройки режущего инструмента также предусмотрено специальное инструментальное отделение, расположенное вне станочной системы. Участок оснащен комплектом из 190 наименований режущего и 90 наименований вспомогательного инструмента. Работа станочной системы участка АСК-10 с использованием описанного выше оборудования осуществляется по принципу склад—станок—склад, что обеспечивает автономность 122
Рис. 8.4, Станочная система участка типа АСВРис. 8.4, Станочная система участка типа АСВ
Рис. 8.4, Станочная система участка типа АСВ
Рис. 8.4, Станочная система участка типа АСВ
работы и оптимальную загрузку каждого станка. Заготовки на поддонах по командам с диспетчерского пульта склада краном-оператором подаются к рольганговым станциям, расположенным в зоне загрузки станков. Затем краном-манипулятором оператор снимает
заготовку с поддона и устанавливает ее в приспособление на плите-спутнике. Далее процесс осуществляется автоматически. Затем деталь перемещается на склад в обратном направлении.
Рассмотренная станочная система обеспечивает точность межосевых расстояний в пределах 0,02 мм, отклонения от параллельности и перпендикулярности плоскостей 0,01— 0,02 мм, отклонение от круглости и конусообразность отверстий 0,005—0,010 мм, погрешность обработки сложного контура 0,03—0,05 мм.
Опыт эксплуатации участков АСК-10, накопленный в ЭНИМСе, показал, что производительность труда повышается в 2,5—3,5 раза, число
Рис. 8.5. Роботизированные станочные секции:
а — с роботам модели 0; б — с роботом модели Г; 1 — транспортер: 2 — транспор- тер-манипулятор; 3 — робот модели 0; 4 — УЧПУ .робота; 5 — приемные столы Для инструмента, оснастки, деталей, заготовок; 6 — тактовый стол; 7 — емкость для сбора стружки; 8 =~ робот модели 1
рабочих-станочников уменьшается в 4—5 раз, при этом снижается число единиц станочного оборудования и уменьшается производственная площадь.
Станочная система, входящая составной частью в автоматизированный участок типа АСВ (рис. 8.4), построена по секционному (модульному) принципу. Каждая станочная секция состоит из двух станков 1 и 2; две секции образуют станочное отделение. Таким образом, станки расположены попарно и перпендикулярно трансг^р- теру-накопителю 3, что позволяет одному транспортеру-манипулятору 4 обслуживать четыре станка. Манипулятор обеспечивает погрузку и доставку на рабочие места тары с заготовками, инструментом и оснасткой.
Примеры станочных секций с использованием роботов различ- ных конструкций приведены на рис. 8.5. Помимо секций, скомплектованных из токарных станков, можно комплектовать секции сверлильно-фрезерными, многооперационными станками, а также шлифовальными и зубообрабатывающими станками с ЧПУ.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ УЧАСТКИ
Автоматизированные участки могут быть отнесены к гибким автоматизированным производствам по следующим признакам: применение станков с числовым программным управлением; осуществление грузопотоков посредством адресной транспортно-накопительной системы со свободным ритмом; обеспечение технологической подготовки производства участка автоматизированными станками, реализуемыми с помощью ЭВМ; внедрение оперативно-производственного планирования от ЭВМ.
Основные особенности автоматизированных участков рассмотрим на примере автоматизированного участка типа АСВ, который предназначен для механической обработки деталей типа тел вращения средних размеров. На участке типа АСВ могут быть также обработаны детали плоской формы и мелкие корпуса в пределах технологических возможностей сверлильно-фрезерных станков, входящих в состав участка.
В состав участка (рис. 8.6) входят взаимосвязанные управляющий вычислительный комплекс и производственный комплекс. Рассмотрим только составляющие производственного комплекса.
В состав участка типа АСВ входят токарные полуавтоматы с ЧПУ, сверлильно-фрезерные станки, многооперационные станки, образующие станочную систему. В состав станочных секций, образующих станочную систему, входят станки одной модели, что позволяет облегчить их обслуживание и ремонт. Общее число станков на участке 8, 12 или 16.
Транспортно-накопительное оборудование предназначено для межоперационного накопления, транспортирования между секциями участка и доставки на рабочие места (приемные столы) тары с заготовками, деталями, оснасткой, а также вывоза емкостей со стружкой.
Транспортер-накопитель (рис. 8.7), обслуживающий все секции участка, выполнен в виде напольного тележечно-цепного конвейера с одинаковыми тележками, имеющими плоские платформы. На платформах в различных комбинациях может быть установлена тара для
'АбтоматиА Зиробанный к участок )'АбтоматиА Зиробанный к участок )ЭВМНакопители управляющей и учетной информацииУстройства для связи с ЭВМ по Вводу-Выводу информацииСтеллажи ддя хранения перфолент, ЯП и сопроводительной информации- .,ЭВМНакопители управляющей и учетной информацииУстройства для связи с ЭВМ по Вводу-Выводу информацииСтеллажи ддя хранения перфолент, ЯП и сопроводительной информации- .,ши НН lllll tun lllllllll ШИ НШ1Шши НН lllll tun lllllllll ШИ НШ1ШУправляющий бычислитель- ныйкомплекс (УВк)Управляющий бычислитель- ныйкомплекс (УВк)ВзаимныесблзаВзаимныесблза
'АбтоматиА Зиробанный к участок )
'АбтоматиА Зиробанный к участок )
ЭВМ
Накопители управляющей и учетной информации
Устройства для связи с ЭВМ по Вводу-Выводу информации
Стеллажи ддя хранения перфолент, ЯП и сопроводительной информации
-
.,
ЭВМ
Накопители управляющей и учетной информации
Устройства для связи с ЭВМ по Вводу-Выводу информации
Стеллажи ддя хранения перфолент, ЯП и сопроводительной информации
-
.,
ши НН lllll tun lllllllll ШИ НШ1Ш
ши НН lllll tun lllllllll ШИ НШ1Ш
Управляющий бычислитель- ныйкомплекс (УВк)
Управляющий бычислитель- ныйкомплекс (УВк)
Взаимныесблза
Взаимныесблза
Производственный.Комплекс (ПК)
Технологическое.оборудование с ЧПУ-ЭВМТехнологическое.оборудование с ЧПУ-ЭВМТранспортно-Транспортно-РежущийРежущийКонтрольно-Контрольно-Вспомвга-Вспомвга-Рено нт но -Рено нт но -опит ель- инструмент Приспособле- измерь оборудоВа- «оснастка мили ос нас- ное обоопит ель- инструмент Приспособле- измерь оборудоВа- «оснастка мили ос нас- ное обонакопите!накопите!ноеноеизмерительизмерительние цабресо- баниемние цабресо- баниемс кодом или Шифромс кодом или Шифромтка с шифромтка с шифромзору- добание азору- добание ательное прорилак- обдрудооа- тическаетельное прорилак- обдрудооа- тическаенйе «устройстванйе «устройствасредстваи зап-средстваи зап-чистачистаинструментинструментРис. 8.6. Структура участка АСВ-10Рис. 8.6. Структура участка АСВ-10Рис. 8.7. Транспортер-накопитель:Рис. 8.7. Транспортер-накопитель:
Технологическое.
оборудование с ЧПУ-ЭВМ
Технологическое.
оборудование с ЧПУ-ЭВМ
Транспортно-
Транспортно-
Режущий
Режущий
Контрольно-
Контрольно-
Вспомвга-
Вспомвга-
Рено нт но -
Рено нт но -
опит ель- инструмент Приспособле- измерь оборудоВа- «оснастка мили ос нас- ное обо
опит ель- инструмент Приспособле- измерь оборудоВа- «оснастка мили ос нас- ное обо
накопите!
накопите!
ное
ное
измеритель
измеритель
ние цабресо- банием
ние цабресо- банием
с кодом или Шифром
с кодом или Шифром
тка с шифром
тка с шифром
зору- добание а
зору- добание а
тельное прорилак- обдрудооа- тическае
тельное прорилак- обдрудооа- тическае
нйе «устройства
нйе «устройства
средстваи зап-
средстваи зап-
чиста
чиста
инструмент
инструмент
Рис. 8.6. Структура участка АСВ-10
Рис. 8.6. Структура участка АСВ-10
Рис. 8.7. Транспортер-накопитель:
Рис. 8.7. Транспортер-накопитель:
1 — тара с заготовками или деталями; 2 — емкость для сбора стружки; 3 — спутник Для инструментов к токарному станку; 4 — спутник для инструментов к сверлильно-фрезерному станку н
заготовок и деталей, емкости для сбора стружки, спутники для комплектации инструмента к токарным и сверлильно-фрезерным станкам. Типовой транспортер для участка содержит 50 тележек и может обеспечивать автономную работу участка в течении двух—четырех смен.
Автоматический транспортер-манипулятор (рис. 8,8) предназначен для автоматической доставки тары с заготовками и деталями
Рис. 8.9. Оборудование для удаления стружки от станкаРис. 8.9. Оборудование для удаления стружки от станкаРис. 8.10. Оборудование секции сбора стружкиРис. 8.10. Оборудование секции сбора стружки
Рис. 8.9. Оборудование для удаления стружки от станка
Рис. 8.9. Оборудование для удаления стружки от станка
Рис. 8.10. Оборудование секции сбора стружки
Рис. 8.10. Оборудование секции сбора стружки
и инструментальных спутников непосредственно на приемные столы каждого станка и обратно. Перпендикулярно движению транспор- тера-накопителя 1 располо- жен рельсовый путь 2, по которому перемещается собственно манипулятор 3, который представляет собой самоходную тележку с поворотной платформой и выдвижными каретками, на которой расположены грузы. Забирая груз с платформы транспортера - накопителя.
манипулятор доставляет его на приемные столы 4. Далее
в пределах станочного модуля грузы транспортируются роботом или автооператором.
Оборудование для удаления стружки приведено на рис. 8.9. Конвейер /, являющийся принадлежностью станка 2, наполняет стружкой емкость 3, которая по роликовому конвейеру 4 подается на укладчик с гидравлическим приводом 5. Укладчик перемещается по рельсам 6, размещенным перпендикулярно к конвейеру-накопителю. Емкость попадает на конвейер-накопитель, который доставляет ее в секцию сбора стружки.
Секцию сбора стружки (рис. 8.10) обслуживает описанный выше манипулятор 1, который подает стружечную емкость на манипулятор-кантователь 2, высыпающий стружку из емкости в контейнер 3. В контейнерах стружку удаляют за пределы участка.
Станки, входящие в состав участка, комплектуют, как правило, стандартным режущим инструментом, соответствующим типу станка: резцами, сверлами, зенковками, метчиками, фрезами. Для крепления режущего инструмента служат державки, цанговые патроны, переходные втулки, оправки.
Приспособления и оснастка с шифром (крепежная оснастка) предназначены для закрепления заготовок на токарных и сверлильнофрезерных станках. Токарные станки участка оснащены трехкулачковыми механизированными клиновыми патронами со сменными кулачками, с возможностью настройки на размер эксцентриковым механизмом. Патроны могут работать как самоцентрирующие при патронных работах и как поводковые при установке детали в центрах. В последнем случае патроны оснащают плавающим центром. Зажим и разжим заготовок осуществляется от гидравлических, пневматических и электрических приводов, расположенных на шпинделе станка. В комплект кулачков, используемых в каждом патроне, входят универсальные кулачки с различной длиной зажимных зубьев, предназначенных для зажима заготовок после черновой или после чистовой обработки. В крепежную оснастку могут быть включены также консольные и центровые оправки, люнеты и т. д.
Для крепления деталей на столах сверлильно-фрезерных станков используют различные виды универсальной и специальной оснастки, например, тиски для закрепления валов, приспособления с поворотными патронами, угольники, плиты и т. д.
В комплект контрольно-измерительного оборудования входят: прибор для размерной настройки инструмента вне станка для токарных станков, прибор для настройки инструмента для сверлильнофрезерных станков, поверочная плита с измерительным инструментом.
К вспомогательному оборудованию относят приемные и тактовые столы, верстаки, шкафы и т. д.
Общая планировка участка типа АСВ, построенного по секционному принципу и содержащего все виды рассмотренного оборудования, показана на рис. 8.11.
ГЛ А В A 9
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Автоматические линии предназначены для изготовления деталей в условиях крупносерийного и массового производства и являются основным средством решения задач комплексной автома- уизации. В связи с продолжающейся реконструкцией и строительством новых заводов, с широким внедрением трудосберегающей и безлюдной технологии потребность в автоматических линиях непрерывно возрастает.
Экономическая эффективность использования автоматических линий достигается благодаря их высокой производительности, низкой себестоимости продукции, сокращению обслуживающего персонала на заданную программу выпуска, стабильному качеству изделий, ритмичности выпуска, созданию условий для внедрения современных методов организации производства.
Автоматическая линия представляет собой совокупность технологического оборудования, установленного в соответствии с технологическим процессом обработки, соединенного автоматическим транспортом.
Функции человека при этом сводятся к контролю за работой оборудования и его поднастройкой, а также загрузке заготовок в начале цикла и выгрузке изделий в конце него. Причем последние операции все чаще передаются промышленному роботу.
Автоматическая линия (рис. 9.1) состоит из: технологического агрегата 1 — машины, выполняющей одну или несколько операций технологического процесса (кроме накопления и транспортирования деталей); транспортного агрегата 2 —- машины, выполняющей межоперационные транспортные операции технологического процесса; накопителя заделов 3 — устройства для приема, хранения и выдачи межоперационного задела заготовок и полуфабрикатов, расположенного между двумя станками или отдельными участками автоматической линии; участка автоматической линии (/, II, Ш^ — части линии, соединенной с остальным оборудованием накопителем или транспортным устройством с емкостью для заготовок и полуфабрикатов.
Автоматические линии могут быть операционными (для определенного вида обработки) или комплексными (система автоматических линий).
Система автоматических линий комплексной обработки — совокупность автоматических линий, обеспечивающих выполнение всех операций, предусмотренных технологическим процессом обработки.
Автоматический цех — производственная единица, в которой сосредоточены технологические потоки, состоящие из систем автоматических линий. Например, в автоматическом цехе на ГПЗ-1 ра-
5 П/р В. Э. Пуша 129
ботают 77 автоматических линий, имеющих в своем составе 860 единиц основного технологического оборудования, объединённых в 13 технологических потоков (систем автоматических линий комплексной обработки).
Автоматические линии классифицируются по основным признакам, влияющим на их организацию и эксплуатацию. Их делят на жесткие (синхронные) и гибкие (асинхронные), спутниковые и бес- спутниковые, сквозные и несквозные, ветвящиеся и неветвящиеся.
//////////Линия термической обработки внутренних колецЛиния термической обработки внутренних колец. У// ///I. У// ///IЛиния термической обработкиЛиния термической обработки.Линия токарной обработки наружных и внутренних колец.Линия токарной обработки наружных и внутренних колецнаружных колецнаружных колецDDЛиния шлифования _Линия шлифования _Линия финишной обработки наружных колецЛиния финишной обработки наружных колецЛиния шлифования Л „внутренних поверхностей наружных ловерхностеиЛиния шлифования Л „внутренних поверхностей наружных ловерхностеинаружных колецто™™#йЯЯИнаружных колецто™™#йЯЯИнаружных колецнаружных колецЛиния финишной Линия шлифования Линия шлифования наружных обработки отверстий внутренних поверхностей внутренних капецвнутренних колецколецЛиния финишной Линия шлифования Линия шлифования наружных обработки отверстий внутренних поверхностей внутренних капецвнутренних колецколецРис. 9.1. Компоновка автоматической линии:1 — станок; 2 — транспортное устройство; 3 — накопитель; 4 — заготовка; 5 — приспособление-спутник; I, И, III — участки линийРис. 9.1. Компоновка автоматической линии:1 — станок; 2 — транспортное устройство; 3 — накопитель; 4 — заготовка; 5 — приспособление-спутник; I, И, III — участки линий
//
//
///
///
Линия термической обработки внутренних колец
Линия термической обработки внутренних колец
. У// ///
I
. У// ///
I
Линия термической обработки
Линия термической обработки
.Линия токарной обработки наружных и внутренних колец
.Линия токарной обработки наружных и внутренних колец
наружных колец
наружных колец
D
D
Линия шлифования _
Линия шлифования _
Линия финишной обработки наружных колец
Линия финишной обработки наружных колец
Линия шлифования Л „
внутренних поверхностей наружных ловерхностеи
Линия шлифования Л „
внутренних поверхностей наружных ловерхностеи
наружных колец
то™™#йЯЯИ
наружных колец
то™™#йЯЯИ
наружных колец
наружных колец
Линия финишной Линия шлифования Линия шлифования наружных обработки отверстий внутренних поверхностей внутренних капец
внутренних колецколец
Линия финишной Линия шлифования Линия шлифования наружных обработки отверстий внутренних поверхностей внутренних капец
внутренних колецколец
Рис. 9.1. Компоновка автоматической линии:
1 — станок; 2 — транспортное устройство; 3 — накопитель; 4 — заготовка; 5 — приспособление-спутник; I, И, III — участки линий
Рис. 9.1. Компоновка автоматической линии:
1 — станок; 2 — транспортное устройство; 3 — накопитель; 4 — заготовка; 5 — приспособление-спутник; I, И, III — участки линий
Жесткая межоперационная связь характеризуется отсутствием межоперационных заделов. В такой автоматической линии заготовки (изделия) загружаются, обрабатываются, разгружаются и передвигаются от станка к станку одновременно или через кратные промежутки времени, и в случае остановки любого агрегата или устройства вся линия останавливается.
Гибкая межоперационная связь обеспечивается наличием межоперационных заделов, размещаемых в накопителях или транспортной системе, что создает возможность обеспечить при выходе из строя любого станка работу остальных агрегатов до истощения межоперационных заделов.
Спутниковая автоматическая линия — линия, в которой заготовки базируются, обрабатываются и транспортируются в приспособлении-спутнике. Транспортная система в этом случае должна обеспечить возврат спутников в начало линии.
Когда в составе технологического потока одна или несколько операций реализуются на параллельно работающих станках, автоматическая линия характеризуется ветвящимся транспортным потоком. Примером такого конструктивного решения служат линии для токарной обработки и шлифования внутренних поверхностей колец подшипников.
По степени совмещения обработки с транспортированием заготовки линии подразделяют на стационарные, роторные и цепные; по компоновке — на линейные, кольцевые, прямоугольные, зигзагообразные, зетообразные; по числу потоков — на однопоточные и многопоточные, с зависимыми и независимыми потоками, с поперечным, продольным и угловым расположением основного технологического оборудования. Большинство компоновок имеют незамкнутую структуру, обеспечивающую удобный доступ для обслуживания и ремонта оборудования.
По виду транспортных систем и способу передачи деталей с одной рабочей позиции на другую автоматические линии делят на линии со сквозным транспортированием через зону обработки (в основном используют для изготовления корпусных деталей на агрегатных станках), с фронтальным (боковым) транспортированием заготовки (при обработке коленчатых валов, крупных колец и фланцев),, с верхним и нижним транспортными потоками (в линиях для изготовления шестерен, мелких и средних колец подшипников, фланцев валов).
По типу встроенного основного технологического оборудования различают автоматические линии из специальных и агрегатных станков, хотя иногда имеет место компоновка из станков разных типов.
В настоящее время изготовляют автоматические линии для крупносерийного и массового производства, предназначенные для одновременной или последовательной обработки нескольких наименований однотипных, заранее известных изделий (блоки цилиндров двигателей, корпусов редукторов, насосов, клапанов, гильз, поршней и т. д.) как с автоматической, так и с ручной переналадкой. Подобные автоматические линии или системы автоматических линий называют автоматическими переналаживаемыми линиями (системами) групповой обработки; они предназначены для одновременной или последовательной обработки группы заранее заданных изделий, однотипных по размерам и технологии обработки.
По виду обрабатываемых деталей различают линии для обработки корпусных деталей (головки блоков, блоки цилиндров, двигателей, корпуса коробок передач и т. д.) и линии для обработки деталей типа тел вращения (кольца подшипников, валы, гильзы и т. д.).
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
5*5*Автоматические линии, предназначенные для обработки сложных корпусных деталей, изготовляемых в условиях крупносерийного’и массового производства с большим объемом фрезерных, сверлильно-расточных и резьбонарезных работ, компонуют из агре-
5*
5*
131
гатных станков. Использование многошпиндельной инструментальной оснастки позволяет на одной позиции обработать до 60—80 отверстий, что дает возможность повысить производительность обработки по сравнению с обработкой корпусов в неавтоматизированном производстве. Однотипность технологических операций и, следовательно, конструктивных решений станков, предназначенных для выполнения этих операций, привела к широкой унификации узлов агрегатных станков и транспортных устройств (рис. 9.2).
Агрегатные станки предназначены для обработки конкретных изделий, их собирают из специальных и нормализованных узлов.
Рис. 9.2. Пример компоновок:
а — агрегатного станка; / — стойка; 2 — силовая бабка; 3 =- многошпиндельная коробка^ 4 — станина боковая; 5 — самодействующий силовой стол; 6 — одношпиндельная расточная бабка; 7 — станина центральная; 8 — поворотный делительный стол; 9 — стаиииа^ подставка; б. — автоматической линия; 1 — стружкоотвод; 2 -^ средняя станина; 3. 11 — планкн упорные; 4 — боковая станина; 5,' 17 — стол силовой самодействующий; 6 — угольник упорный; 7 — коробка приводная; 8 — коробка многошпиндельная; 9 — станина; 10 — пульт наладочный силового узла; /2, 15 — коробка скоростей; 13 — стойка; 14, 18 — електрошкаф силового узла; 16 — бабки сверлильные (расточные, подрезно-расточные, фрезерные); 19 — электрошкаф обводного транспортера; 20 — редуктор обводного транспортера; 21 — приспособление-спутник; 22 — обводной транспортер; 23 — зажимная станция; 24 — натужное устройство обводного транспортера
составляющих до 70—80 % общего числа узлов в станке. Важнейшие узлы агрегатных станков (рис. 9.2, а) разработаны в виде гаммы стандартных типоразмеров, из которых при проектировании выбирают наиболее подходящие по своим характеристикам и служебному назначению. При компоновке автоматической линии (рис. 9.2, б) используют унифицированные узлы.
Основное преимущество агрегатных станков заключается в сокращении сроков и затрат на конструирование и изготовление автоматических линий. На рис. 9.3 приведены некоторые типовые компоновки агрегатных станков со стационарным приспособлением (рис. 9.3, а), с поворотным делительным столом (рис. 9.3, б), с поворотным делительным барабаном (рис. 9.3, в), с центральной колонной (рис. 9.3, г), с прямолинейным перемещением деталей (рис. 9.3, б).
Основными унифицированными единицами агрегатных станков являются силовые узлы, многопозиционные устройства, базовые корпусные детали, шпиндельные узлы и зажимные приспособления. 132
Рис. 9.3, "Варианты компоновок агрегатных станков
Силовые узлы подразделяют на силовые головки и силовые столы. Силовые головки выпускают с выдвижной пинолью и перемещаемым корпусом. Силовые столы применяют для прямолинейных установочных перемещений и рабочей подачи режущего инструмента. На верхней плоскости стола устанавливают шпиндельные узлы (бабки) с автономным приводом вращения (сверлильные, фрезерные, расточные и т. д.).
Силовые головки и столы с встроенным приводом подач называют самодействующими, а с отдельным приводом подач в базовой детали, по которой перемещается стол или головка, несамодействующими узлами. Применение несамодействующих силовых узлов значительно упрощает обслуживание и ремонт благодаря хорошей доступности к элементам приводов, но несколько увеличивает занимаемую станком площадь.
По типу привода движения подачи силовые узлы бывают гидравлическими, электромеханическими (с передачей винт—гайка или кулачковые), пневмогидравлическими и пневматическими. По номинальной мощности на шпинделе они подразделяются на малогабаритные (0,08—0,5 кВт), малые (0,15—2,8 кВт) и нормальные (1,6— 30 кВт).
Привод главного движения силовой самодействующей головки (рис. 9.4, а) выполняют в виде отдельного блока с использованием минимального числа передач.
Для расширения их технологических возможностей силовые головки можно комплектовать дополнительными унифицированными устройствами и механизмами. Например, расточное приспособление, устанавливаемое отдельно от силовой головки, но приводимое в движение от ее шпинделя и пиноли, обеспечивает большую жесткость при расточных, обточных работах и работах торцовым инстру-' ментом. Механизм двусторонней обработки, предназначенный для расширения технологических возможностей силовой головки пинольного типа, позволяет одновременно с осевой подачей реализовать операции сверления, зенкерования, развертывания, нарезание резьбы, растачивание поверхностей, расположенных с противоположных сторон заготовки. Механизм обратного хода обеспечивает сверлильно-расточные операции с противоположной от силовой головки стороны.
Общий вид и кинематическая схема силового стола с электромеханическим приводом показаны на рис. 9.4, б. Стол 3 перемещается по направляющей плите 4, имеющей плоские или призматические направляющие 5, ходовым винтом 6, приводимым во вращение электродвигателем / (Ml) при быстрых ходах, а электродвигателем 2 (М2) при рабочей подаче. Электромагнитная муфта 7 служит для разделения кинематических цепей подачи и быстрых ходов. Муфта 8 предохраняет механизм привода при подводе стола к жесткому упору. Привод гидравлического силового стола по своей конструкции аналогичен приводу самодействующей силовой головки.
В агрегатных станках используют также крестовые силовые столы, обеспечивающие установочные перемещения в двух взаимно 134
Рис. 9.4. Самодействующая силовая головка (а) и силовой стол (б) агрегатного станкаРис. 9.4. Самодействующая силовая головка (а) и силовой стол (б) агрегатного станка
Рис. 9.4. Самодействующая силовая головка (а) и силовой стол (б) агрегатного станка
Рис. 9.4. Самодействующая силовая головка (а) и силовой стол (б) агрегатного станка
Рис. 9.5. Переналаживаемые агрегатные станки: а — односторонний; б —• двусторонний
перпендикулярных направлениях и движения подачи по одному из них.
Многопозиционные поворотные устройства предназначены для периодического перемещения заготовки с одной позиции на другую с точной фиксацией в каждой из них. В зависимости от плоскости поворотные устройства подразделяют на делительные столы (вертикальная ось вращения) и барабаны (горизонтальная ось вращения). Реже в агрегатных станках используют делительные- столы с прямолинейным перемещением в горизонтальной плоскости.
Шпиндельные узлы предназначены для оснащения силовых столов при одновременной обработке большого числа отверстий и могут выполнять сверление, зенкерование, развертывание, растачивание и нарезание резьбы.
Многошпиндельные коробки компонуют из нормализованных деталей в соответствии с технологическими требованиями обработки (корпусных деталей, шпинделей, валов, зубчатых колес). Применяют методы автоматизированного проектирования (САПР) и расчета шпиндельных коробок с использованием средств вычислительной техники.
Шпиндельные насадки предназначены для оснащения силовых головок при выполнении фрезерных операций или использования одной головки при одновременной обработке нескольких отверстий с параллельными осями.
Зажимные приспособления агрегатных станков обеспечивают базирование заготовки с заданной точностью и надежное ее закрепление в условиях многоинструментной обработки. В автоматизированных приводах зажима используют пневматические или гидравлические цилиндры, электро- или гидромеханические ключи.
Приспособления-спутники применяют для закрепления деталей сложной формы, неудобной для непосредственного базирования на столе станка, а также в переналаживаемых линиях при обработке групп различных по форме заготовок.
Используя унифицированные узлы, можно компоновать и переналаживаемые агрегатные станки для автоматических линий групповой обработки. На рис. 9.5 представлены переналаживаемые агрегатные станки, причем набор из многошпиндельных головок 3 (от двух до шести штук) с кондукторными плитами или без них устанавливают на поворотных устройствах 2 силовых столов /.
§ 3, АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
Детали типа тел вращения, предназначенные для обработки на автоматических линиях, в соответствии со способами базирования, транспортирования, а также использования основного технологического оборудования делят на две основные группы: детали типа валов длиной, значительно превышающей диаметр, и детали типа дисков (колец) диаметром, большим длины (ширины).
Технологические процессы обработки этих двух основных групп обычно объединяют в типовые схемы и уточняют в зависи-
мости от конфигурации изделий и требований точности обработки .
Для токарной обработки, например, валов широко испольЗуют токарно-копировальные автоматы, в то время как для изготовления изделий типа дисков и колец наибольшее применение нашли горизонтальные и вертикальные многошпиндельные токарные автоматы.
Рис. 9.6. Шестишпиндельный токарный автомат:
1 — станина; 2 — передняя стойка; 3, 6 — поперечные суппорты; 4 — продольный суппорт; 5 — задняя стойка; 7 — шпиндель; 8 — шпиндельный блок; 9 — траверса; 10 — механизм поддержки прутков
Многошпиидельные токарные автоматы выпускают в патронном и прутковом исполнении (рис. 9.6). В патронном исполнении их оснащают автооператором для загрузки заготовок и выгрузки отработанных деталей.
Рис. 9.7. Многошпиндельный токарный автомат последовательного действия: а — схема работы; 6 — принцип одинарной (7) и двойной (77) индексации
Многошпиндельные токарные автоматы обладают широкими технологическими возможностями при обработке разнообразных деталей, обеспечивая высокую степень концентрации обработки. По принципу работы их подразделяют на автоматы параллельного и последовательного действия. Первые на всех шпинделях реализуют одинаковые операции и за один цикл работы обрабатывают столько сравнительно несложных деталей, сколько шпинделей имеет автомат.
Наибольшее распространение получили многошпиндельные автоматы последовательного действия (рис. 9.7), на которых заготовки 138
с загрузочной позиции периодическим поворотом (индексацией) шпиндельного блока 1 последовательно подводятся к рабочим, позициям и одновременно обрабатываются в соответствии с технологическим процессом. Автомат оснащают поперечными суппортами 2, которые получают подачу Snon от индивидуальных кулачков, и продольным суппортом 5, расположенным на центральной
Рис. 9.8. Автоматическая линия токарной обработки колец конических роликовых подшипников:
а — общий вид; б — обработка наружных колец; в — обработка внутренних колец; 3—6 загрузка; В — выгрузка
гильзе 4 и имеющим продольную подачу Snp от своего кулачка. Иногда на продольном суппорте устанавливают скользящие державки с режущим инструментом, получающие перемещение от дополнительных индивидуальных кулачков, т. е. так же, как и инструментальные шпиндели с независимым приводом.
Шпиндели 6 автомата получают вращение от приводного вала 3 через общее центральное зубчатое колесо 7, вследствие чего они имеют одинаковую частоту вращения.
Большое число рабочих позиций шпинделей (6—8) позволяет использовать их в разных сочетаниях. Детали сложной формы проходят обработку на всех позициях станка, перемещаясь в каждом цикле на следующую позицию (одинарная индексация). Для более
простых деталей, которые можно обрабатывать при меньшем числе рабочих позиций, применяют схему параллельно-последовательной обработки. Для этого используют две позиции в качестве загрузочных и обрабатывают детали в два потока. Так, заготовка, установленная на позиции /, обрабатывается на рабочих позициях 111,
6)
Рис. 9.9. Принципиальная (а) и конструктивная (б) схемы роторной линии
V и VII, а заготовка, установленная на позиции // —на рабочих позициях IV, VI, VIII.
Для финишной обработки деталей типа тел вращения чаще всего применяют бесцентрово-шлифовальные автоматы, как наиболее подходящие при решении задач автоматической загрузки-разгрузки заготовок наиболее простыми методами. Кроме того, метод бесцентрового шлифования обеспечивает более высокую производительность за счет больших подач благодаря наличию жесткой опоры по 140
всей длине обрабатываемой детали, воспринимающей силу со стороны шлифовального круга.
В начале автоматической линии для токарной обработки колец конических подшипников (рис. 9.8) установлен автоматический бункер / для накопления и выдачи штучных заготовок, а в конце — магазин 7 (с вращающимися щетками). Транспортные устройства (конвейеры подводной 5 и отводящий 4, подъемники 2, гибкая лотковая система 6) передают заготовки из бункера к многошпиндельным токарным автоматам 3, а обработанные кольца — к прессу клеймения 8 и далее в магазин. Наружные кольца обрабатывают на шестишпиндельных, а внутренние—на восьмишпиндельных токарных автоматах. На каждом станке реализуется полная токарная - обработка кольца, технологические процессы которой представлены соответственно на рис. 9.8, б, в. Загрузка, выгрузка и поворот кольца в процессе обработки обеспечиваются автооператором.
Роторные автоматические линии по структурному построению существенно отличаются от линий из агрегатных и других станков, соединенных единой транспортной системой. Роторные линии (рис. 9.9) комплектуют из роторных автоматов 1, на которых обработка деталей выполняется в процессе непрерывного транспортирования их совместно с режущим инструментом. Таким образом, главной особенностью роторных линий является совмещение во времени транспортирования заготовок и их обработки. Траектория перемещения заготовки по всем станкам линии осуществляется транспортными роторами 2.
Производительность роторной лилии зависит от числа позиций и частоты вращения роторов. В результате совмещения времени обработки с временем транспортирования заготовок роторные линии обеспечивают высокую производительность при изготовлении небольших, сравнительно простых деталей, при малом основном технологическом времени.
Роторные линии эффективно используют в массовом производстве. Необходимо указать на то, что перестановка деталей с одного ротора на другой приводит к потере точности изделия.
ПЕРЕНАЛАЖИВАЕМЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
Переналаживаемые автоматические линии групповой обработки предназначены для изготовления двух—десяти, а иногда и более заранее известных, аналогичных по конструкции, служебному назначению и технологии обработки, близких по размерам деталей в условиях крупносерийного и массового производства.
Эти линии используют при необходимости одновременного выпуска нескольких модификаций деталей, узлов или машин. Обработка различных заготовок может вестись как параллельно, так и последовательно после осуществления автоматической или ручной Переналадки.
Автоматические линии групповой обработки переналаживают, как правило, не чаще 4 раз в месяц, они обеспечивают общую годо-
вую производительность от 30 000 до 250 000 изделий. Возможность переналадки линий расширяется за счет использования высокопроизводительных специальных станков с ЧПУ.
Известны следующие варианты конструктивных компоновок переналаживаемых автоматических линий для крупносерийного и массового производства.
Переналаживаемые автоматические линии с гибким транспортным потоком. В этом случае для каждого типоразмера на линии предусматривают определенные рабочие позиции, сходные по технологическому процессу и по набору режущего инструмента. Каждая деталь имеет свой транспортный маршрут.
Переналаживаемые автоматические линии с последовательной обработкой заготовок различных типоразмеров. Основное технологическое и транспортное оборудование, так же как и система управления, переналаживаемые. Все заготовки имеют сходный технологический процесс при одинаковом числе рабочих позиций. Время переналадки сравнительно велико, вследствие чего обработка ведется крупными партиями.
Переналаживаемые автоматические линии с фиксированным транспортным потоком деталей. В этом случае транспортные устройства для всей группы обрабатываемых деталей не подлежат переналадке (в основном это линии с обработкой на приспособлениях-спутниках). Переналадка станков реализуется быстро в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Затраты на оснастку также сравнительно невелики, но число типоразмеров в группе обрабатываемых деталей, как правило, не может превышать двух — четырех.
Переналаживаемые линии получили широкое распространение для групповой обработки блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, идентичных по конфигурации и технологическому процессу изготовления и отличающихся только размерами, числом цилиндров и крепежных отверстий.
В СССР разработана система автоматических линий групповой обработки восьми- и десятицйлиндровых блоков для Ярославского моторного завода производительностью 30 дет./ч, состоящая из 101 единицы основного технологического оборудования, и линия для обработки четырех типов корпусов редукторов (рис. 9.10). Производительность ее — 100 000 корпусов в год при переналадке с одного типоразмера на другой раз в неделю в течение 4 ч. Линия состоит из 10 агрегатных станков, связанных общим транспортом. Обработка и транспортирование производятся на спутниках четырех размеров. Станки 9 и 10 имеют силовой стол с делительным поворотным устройством, на котором смонтированы четыре шпиндельные коробки, каждая из которых соответствует определенному размеру редуктора. При переналадке на обработку другого изделия силовой стол поворачивается на соответствующий угол.
На ВАЗе работает система переналаживаемых автоматических линий обработки трех модификаций четырехцилиндрового блока цилиндров. Все детали одинаковые по высоте'и близки по конструк- 142
тивным параметрам. Система включает в себя шесть переналаживаемых автоматических линий (рис. 9.11) —соответственно для черновой и чистовой фрезерной обработки, сверления, зенкерования, резьбонарезания и растачивания.
Линии комплектуются транспортером с шагом 1000 мм, транспортными штангами и направляющими планками под заготовки. Загрузочная и разгрузочная позиции оснащены кантователями 1 и 15 (рис. 9.11, а) и контрольными устройствами наличия заготовок.
При переналадках система линий освобождается от. предыдущей детали, на тех позициях, где это необходимо, заменяются инстру«
Рис. 9.10. Схема переналаживаемой автоматической линии обработки корпусов редукторов:
1,2 — загрузочная и разгрузочная позиции? 3 -=• опрокидыватель; 4 =• поворотные столы? 5 — контрольные позиции; 6 — двусторонний расточный станок; 7, 8 «* односторонние расточные станки; 9, 10 — многошпиндельные сверлильные станки со сменными головками; И, 12, 13 — расточные станки для финишной обработки; 14, 15 — расточные станки с наклонными головками
мент, отдельные контрольные группы, регулируются упоры-ограничители хода силовых узлов, переключается тумблер на пульте программируемого командоаппарата и включается программа управления циклами работы линий для обработки необходимой детали. Время переналадки составляет 2—2,5 ч, включая время на освобождение линий от предыдущих деталей.
Специальные станки, предназначенные для встройки в автоматические линии обработки деталей типа тел вращения, можно переналаживать в определенных пределах на разные типоразмеры деталей. Вместе с тем создание переналаживаемых автоматических линий обработки деталей типа тел вращения связано с определенными трудностями, обусловленными технологическими особенностями этой группы деталей. Изменение базовых поверхностей заготовки приводит к замене базовых узлов станка (патронов, опор, центров, люнетов), которые определяют точность обработки. Изменение размеров и формы детали приводит к смене шлифовальных кругов, копиров, алмазных роликов, необходимой переналадке транспортных систем и загружателей и т. д.
На рис. 9.12, а показан принцип переналадки транспортера автоматических линий для производства железнодорожных подшипников в результате регулировки направляющих штанг. На рис. 9.12, б представлены два варианта наладки транспортной системы линии для изготовления двух деталей вилок карданного вала
Рис. 9.11. Система автоматических линий групповой обработки:
s
а — для чернового фрезерования; /, 15 — кантователи деталей; 2, 4, 7, 9, 10, 12—14 —* нерабочие позиции; 3, 6, 8, 11 — рабочие позиции; 5, 16, 17, 18 — фрезерные головкн; б — для чистовой фрезерной обработки; 1 — кантователь; 2 — нерабочая позиция; 4 — рабочая позиция; 3, -5 — 11 — фрезерные головки; в — для сверлильной обработки на торцовых поверхностях; 1 — кантователь деталей; 2 — нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция; 4. 6, 8, 10, 13, 15, 17, 19 — сверлильные резьбонарезные головки; 5, 7, 9, 11, 12, 14. 16, 18 — контрольные головки; г — для сверлильной обработки на боковых поверхностях; 1 — кантователь деталей; 2 — нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция; 4, 6, 9, 10 — сверлильные головки; 5,7,8— контрольные головкн; д — для сверлильной обработки на боковых поверхностях; 1, 12 — кантователи деталей; 2 — нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция; 4, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 17, 19, 21 — сверлильные и резьбонарезные головки; 5, 7, 10, 14, 18, 20— контрольные головкн; е — для растачивания; 1, 7 — кантователи деталей; 2 —« нерабочая позиция; 3 —- рабочая позиция; 4—6, 8—10 — расточные головци
автомобиля. Примером переналаживаемой линии групповой обработки может служить разработанная ЭНИМСом линия для изготовления валов электродвигателей (рис. 9.13). При ее компоновке использовали . быстроналаживаемые механизмы транспортно-загрузочной системы, автоматические устройства подналадки и смены режущего инструмента, автоматические контрольно-измерительные
Рис. 9.12. Переналаживаемые транспортеры автоматических линий обработки: а — железнодорожных подшипников; / — привод транспортера; 2 — кольцо подшипника;
3 — упор; б — вилок карданного вала; 1,4 — ограничители; 2, 5 — подвижные базирующие призмы; 3 — собачка для перемещения детали
устройства, отдельные переналаживаемые автоматические магазины-накопители. Компоновка автоматической линии фронтальная, оборудование установлено в одну линию. Оси шпинделей всех станков находятся на одной линии, а ось транспортера заготовок параллельна осям шпинделей станков.
Система переналаживаемых линий групповой обработки и сборки маховиков двигателя представлена на рис. 9.14. Технологический процесс обеспечивает полную обработку (токарную, сверление, резьбонарезание и т. д.), сборку обвода маховика и окончательную балансировку пяти различных типов изделий. Все металлообрабатывающее оборудование, включая токарную группу, построено по типу агрегатных станков. Переналадка на обработку маховика
Рис. 9.13. Переналаживаемая автоматическая линия обработки валов: а — схема линии; б — последовательность операций; в— унифицированные устройства транспортной системы; 1 — начальный магазин; 2 — фрезерно-центроваль- иый станок; 3 — токарно- копировальиые стаикн; 4 — накатной станок; 5 •— центровой круглошлифовальный станок; 6 — шпоночно- фрезерный станок; 7 — конечный магазин; 8 — пульт управления линией; 9 — кантователь; 10 — питатель;
11 — осевая линия центров станков; 12 — транспортер валов; 13 — лоток; 14 —• штанга; 15 — кронштейн*. 16 — стойка; / —- фрезерование торцов и центрование; // н /// — предварительное и окончательное обтачивание со стороны шейки подушки; IV — предварительное обтачивание со стороны шейки под вентилятор и прорезание канавок; V — окончательное обтачивание со стороны шейки под вентилятор; V/ — накатывание рифлений; VII — шлифование рифлений по наружному диаметру (под посадку сердечника ротора) и шейки под вентилятор; VIII — фрезерование шпоночного паза
a 2
О w
X to
to о to
Sa Я
я to я Е
Я
to я
я я
6»
to я го
3
я
я
О\
я
о
Я
5 в
to
я о 2 я
to
я
13
Sa to я о
я
to я
К
о
Я
я to
2
3
to
я о
о
Я *< Sa о я «я
я
о
to to я го
о
нЗ
я я Е Яс
я о я
о
я to я
I»
я
* §
я я я
to
Я
я о Sa я я
£ to я Е
о
X о
о
8 я
о ЯС
to to 2 я
я
X
я я
я я
3 в
о ЯС
3
я
13
о
я к я 5
•о я to Sa О\ О О to 5 Е
Е
Л)
X
to Е to
5
Sa я я я я
я
Sa to я о
О
о, Я»
О\ о
я
Яс О
to
X о я
я я
я Sa
to
к я 2
5 в я
13
2 2 я о
О
я
to S3 го я я я
я to
Яс а 8 §
я to о я
to to
о 2
я я Л)
я to о ё 2 я
я
о я я 2
О
Is
Sa
S3
я 2
W Е я о Sa Я
я я я
я
я я- о Я« и to 2 я
Я
X
Я Я to
X
5
о
2 to я
я
Sa я
to я о 2
я о я я я
g to я о
и
о 2
о
Яс
я to to s
to
я я Е X
3^
о я ЯС X
о я«
2
я
я
о
2
Д ЙУ Я S*°3§В
Число степеней подвижности промышленного робота определяется общим числом поступательных и вращательных движений манипулятора, без учета движений зажима-разжима его схвата. Большинство промышленных роботов в машиностроении имеет до пяти степеней подвижности.
Рабочая зона определяет пространство, в котором может перемещаться схват манипулятора. Обычно оно характеризуется наибольшими перемещениями захватного устройства вдоль и вокруг каждой оси координат.
Мобильность промышленного робота определяется его способностью совершать разные по характеру движения: перестановочные (транспортные) перемещения между рабочими позициями, находящимися на расстоянии, большем, чем размеры рабочей зоны манипулятора; установочные перемещения в пределах рабочей зоны, определяемой конструкцией и размерами манипулятора; ориентирующие перемещения схвата, определяемые конструкцией и размерами кисти — конечного звена манипулятора. Промышленные роботы могут быть стационарными, не имеющими перестановочных перемещений, и передвижными, обеспечивающими все названные виды движений.
Быстродействие определяется наибольшими линейными и угловыми скоростями перемещений конечного звена манипулятора. Большинство промышленных роботов, применяемых в машиностроении, имеет линейные скорости манипулятора от 0,5 до 1,2 м/с, а угловые — от 90 до 180 °/С.
Погрешность позиционирования манипулятора характеризуется средним значением отклонений центра схвата от заданного положения и зоной рассеяния данных отклонений при многократном повторении цикла установочных перемещений. Наибольшее число промышленных роботов, применяемых в машиностроении, имеет погрешность позиционирования от ±0,05 до ±1,0 мм. Устройства программного управления промышленных роботов могут быть цикловыми (индекс Ц), числовыми позиционными (индекс П), контурными (индекс К) или контурно-позиционными (индекс С). Приводы исполнительных органов промышленных роботов могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими или комбинированными, например, электрогидравлическими, пневмогидравлическими.
Промышленный робот 3388-Ш (рис. 10.1) предназначен для выполнения погрузочно-разгрузочных и других вспомогательных операций в металлообрабатывающем производстве. Робот стационарного типа имеет четыре степени подвижности: перемещение г манипулятора вдоль оси Z (подъем и опускание); выдвижение х механической руки вдоль оси X (вперед и назад); поворот манипулятора относительно оси Z (движение С); поворот головки (кисти) с захватным устройством относительно оси X (движение Л). Все перемещения осуществляются от пневмо- и гидроприводов. Величины наибольших перемещений по каждой из степеней подвижности, характеризующие рабочую зону манипулятора, также показаны на рис. 10.1.
Pile. 10.1. Универсальный промышленный робот 3388-Ш
Линейные перемещения выполняются со скоростью 0,7—1 м/с, а угловые — со скоростью 90 %.
Конструктивно промышленный робот состоит из нескольких сборочных единиц, смонтированных на основании 1 в виде жесткой сварной рамы, закрытой кожухами. На раме установлен подъемноповоротный механизм 2 манипулятора, который может быть оснащен одной или двумя сменными механическими руками 3. Руки можно устанавливать относительно друг друга под углом 30—60° при наладке манипулятора. Грузоподъемность каждой руки 10 кг. Пневмогидравлические приводы подъема-опускания и поворота манипулятора размещены в основании промышленного робота. Для выдвижения руки используется пневмоцилиндр 4, размещенный внутри ее корпуса. На базирующий фланец руки крепится головка (кисть) 5 с захватными устройствами 6 различного типа. Привод схвата осуществляется пневмоцилиндром, установленным в корпусе головки. Движение поворота головки со схватом осуществляется пневмоцилиндрами 7 и передачей типа рейка—шестерня, установленными на фланце с задней стороны руки.
Устройство циклового программного управления промышленным роботом размещено во внутренней полости основания. Пульт 8 оператора смонтирован на наклонной крышке основания, за пределами рабочей зоны манипулятора.
Классификация промышленных роботов, применяемых в машиностроении, осуществляется по различным признакам, в том числе по технологическому назначению и степени универсальности. Промышленные роботы могут быть производственными и вспомогательными. Производственные роботы непосредственно участвуют в технологическом процессе в качестве производящих или обрабатывающих рабочих машин, выполняющих некоторые основные операции: сварочные, гибочные, окрасочные, сборочные и др. Для таких роботов характерно оснащение рабочих органов манипулятора необходимым инструментом (отверткой, гайковертом, сварочным устройством или краскораспылителем). Производственные роботы обычно используют в поточных линиях, где несколько таких роботов, установленных вдоль конвейера, последовательно выполняют различные технологические переходы.
Значительная часть промышленных роботов, применяемых в машиностроении, относится к группе вспомогательных (подъемнотранспортных). Они предназначены главным образом для обслуживания основного технологического оборудования (станков, прессов и других рабочих машин). Применение таких роботов обусловлено необходимостью гибкой автоматизации вспомогательных операций: установки-снятия заготовок и деталей, смены инструментов и оснастки, очистки базовых поверхностей деталей и приспособлений, контроля размеров заготовок и деталей. Кроме того, подъемнотранспортные промышленные роботы могут осуществлять установку заготовок в ориентированном виде в накопителе, на транспортере, выполнять транспортно-складские операции (при обслуживании автоматизированных складов), обеспечивать транспортные потоки 150 i
заготовок, деталей и инструментов как между отдельными станками, так и в пределах всего цеха. Обслуживающие промышленные роботы взаимодействуют с основным технологическим оборудованием, транспортными механизмами и другим вспомогательным оборудованием. Они являются в этом случае частью гибкого производственного модуля. Вспомогательные промышленные роботы позволяют, таким образом, повысить производительность и технологическую гибкость основного оборудования, обеспечить комплексную автоматизацию производства.
В зависимости от характера производства, вида выполняемых операций или типа основного оборудования, обслуживаемого в автоматическом цикле, промышленные роботы могут быть разной степени универсальности, которая определяется их функциональными возможностями и переналаживаемостью. В соответствии с данными признаками промышленные роботы разделяют на специальные, специализированные (целевые) и универсальные (многоцелевые).
Специальные промышленные роботы предназначены для выполнения определенных технологических операций или обслуживания конкретных моделей технологического оборудования. Для данных роботов характерно конструктивное единство с основным или вспомогательным оборудованием. входящим в состав гибкого производственного (например, обрабатывающего) модуля. Число степеней подвижности в этом случае выбирается в соответствии со схемой выполнения необходимых манипуляционных действий и обычно ие превышает 3—4. Управление циклом работы манипулятора осуществляется от устройства ЧПУ технологическим модулем.
Специальный промышленный робот «Пирин» (НРБ) предназна- . чен для загрузки и разгрузки заготовок и деталей на токарном станке с ЧПУ (рис. 10.2). Токарный станок / с ЧПУ и автоматической сменой инструментов оснащен специальным столом-накопителем 2 ' для партии заготовок и обработанных деталей, установленных в приспособлении-спутнике 8 в ориентированном виде. Стол-накопитель совершает по определенной программе шаговые перемещения по оси Y перпендикулярно оси станка для установки приспособления-спутника в позицию загрузки-разгрузки. Автоматический манипулятор, предназначенный для обслуживания станка, установлен на каретке 4, которая может передвигаться по направляющим консоли 3 вдоль оси Z шпинделя станка. Боковое размещение накопительного устройства и расположение манипулятора над станком обеспечивают доступ оператора к рабочей зоне этого станка.
Таким образом, рабочая зона промышленного робота в гибком производственном модуле отделена от зоны обслуживания станка: Грузоподъемность манипулятора 80 кг; он имеет две механические руки 5 и 6. Каждая рука оснащена механизмом вертикального перемещения по оси X с длиной хода 350 мм. Механическая рука 5 предназначена для разгрузки станка, а рука 6 — для загрузки его. Цикл движения загружающей руки дополнительно включает в себя поворот С на определенный угол в вертикальной плоскости для установки заготовок в патрон станка. Для обработки заготовки с двух
головки (кисти) X (движение Л), на базирующемголовки (кисти) X (движение Л), на базирующемBud 6Bud 6DD88ВВсторон каждая рука имеет дополнительно механизм с приводом поворота на угол 180° относительно оси В зависимости от вида обрабатываемых деталейсторон каждая рука имеет дополнительно механизм с приводом поворота на угол 180° относительно оси В зависимости от вида обрабатываемых деталейТТТТТТГТТТТТТТТТТТ?,Рис. 10.2. Специальный промышленный робот «Пирин» (НРБ) фланце кисти руки могут быть установлены различные быстросменные схваты. Приводы механизмов для всех степеней подвижности манипулятора и захватного устройства — гидравлические. ПоследоТТТТТТГТТТТТТТТТТТ?,Рис. 10.2. Специальный промышленный робот «Пирин» (НРБ) фланце кисти руки могут быть установлены различные быстросменные схваты. Приводы механизмов для всех степеней подвижности манипулятора и захватного устройства — гидравлические. ПоследоРис. 10.3. Гибкая производственная система для обработки деталей типа тел вращенияРис. 10.3. Гибкая производственная система для обработки деталей типа тел вращения152152
головки (кисти) X (движение Л), на базирующем
головки (кисти) X (движение Л), на базирующем
Bud 6
Bud 6
D
D
8
8
В
В
сторон каждая рука имеет дополнительно механизм с приводом поворота на угол 180° относительно оси В зависимости от вида обрабатываемых деталей
сторон каждая рука имеет дополнительно механизм с приводом поворота на угол 180° относительно оси В зависимости от вида обрабатываемых деталей
ТТТТТТГТТТТТТТТТТТ?,
Рис. 10.2. Специальный промышленный робот «Пирин» (НРБ) фланце кисти руки могут быть установлены различные быстросменные схваты. Приводы механизмов для всех степеней подвижности манипулятора и захватного устройства — гидравлические. Последо
ТТТТТТГТТТТТТТТТТТ?,
Рис. 10.2. Специальный промышленный робот «Пирин» (НРБ) фланце кисти руки могут быть установлены различные быстросменные схваты. Приводы механизмов для всех степеней подвижности манипулятора и захватного устройства — гидравлические. Последо
Рис. 10.3. Гибкая производственная система для обработки деталей типа тел вращения
Рис. 10.3. Гибкая производственная система для обработки деталей типа тел вращения
152
152
вательность .движений программируется на пульте 7 управления.
Специализированные (целевые) промышленные роботы предназначены для выполнения технологических операций одного вида (например, для операций сварки, окрашивания или сборки) или только вспомогательных переходов, требующих одинаковых манипуляционных действий. Манипуляторы таких роботов имеют обычно 4—5 степеней подвижности и могут быть оснащены устройствами циклового или числового программного управления. Проектирование специализированных промышленных роботов осуществляется
с учетом их целевого назначения, в том числе конструктивных особенностей обслуживаемого технологического оборудования.
Гибкая производственная система для обработки деталей типа тел вращения, представленная на рис. 10.3, состоит из двух токарных станков с ЧПУ и обслуживающего эти станки промышленного робота портального типа. Каретка 2 с установленной на ней механической рукой 3 перемещается по направляющим портала /, смонтированного на колоннах 4, Рука 5 манипулятора двухзвенная и состоит из плечевого и локтевого рычажно-шарнирных механизмов. На базирующем фланце конечного звена руки установлен механизм головки (кисти) 6 с захватным устройством 7. Манипулятор имеет четыре степени подвижности: перемещение каретки по оси X, поворот А руки в плечевом шарнире, поворот D руки в локтевом шарнире, поворот С кисти вокруг своей оси на угол 90 или 180°. Кроме
153
Рис. 10.4. Гибкий производственный модуль для токарной обработки:• — заготовка; О — детальРис. 10.4. Гибкий производственный модуль для токарной обработки:• — заготовка; О — деталь
Рис. 10.4. Гибкий производственный модуль для токарной обработки:
• — заготовка; О — деталь
Рис. 10.4. Гибкий производственный модуль для токарной обработки:
• — заготовка; О — деталь
того, для зажима и разжима деталей предусмотрено движение W губок схвата.
Управление приводами перемещений X, А и D осуществляется в режиме позиционирования от устройства 9 числового управления, а перемещений С и W — с помощью команд цикловой автоматики. Приводы манипулятора — гидравлические с автономным питанием от гидростанции 8. Конструкция манипулятора позволяет установить на его кисти дополнительные механизмы и устройства для контроля правильности базирования заготовки в центрах или патроне станка, измерения обрабатываемого диа-
метра заготовки и для очистки базирующих поверхностей от стружки путем обдува их сжатым воздухом.
В состав гибкой производственной системы для токарной обработки помимо основного технологического оборудования (станков 10 и обслуживающего их промышленного робота) входят вспомогательные накопительные устройства 11 и 12 для установки в них в ориентированном положении заготовок и обработанных деталей, находящихся также в рабочей зоне манипулятора. Рабочая зона манипулятора имеет ограждение 13.
Универсальные промышленные роботы предназначены для выполнения технологических операций различных видов. Они могут
быть использованы как для основных технологических операций (например, сварочных или сборочных), так и для выполнения различных вспомогательных функций при обслуживании оборудования различного технологического назначения, требующих различных манипуляционных движений. Для таких роботов характерна полная конструктивная независимость от основного технологического оборудования, с которым они совместно работают, а также большое число степеней подвижности (5—7), обеспечивающее их широкие функциональные возможности.
На рис. 10.4 приведена схема гибкого производственного модуля, состоящего из токарного станка 1, обслуживающего его универсального промышленного робота 2 и транспортно-накопительного устройства 3 для заготовок и обработанных деталей. Рабочая зона промышленного робота охватывает загрузочные и разгрузочные позиции транспортера-накопителя, зону обработки на станке, примыкающую к его шпинделю, контрольно-измерительную позицию специального автоматического устройства 4.
Автоматический манипулятор имеет пять степеней подвижности: осевое перемещение по оси X руки на длине 800 мм; вертикальное перемещение по оси Y руки относительно стойки (перпендикулярно плоскости чертежа); поворот В руки на угол 300° в горизонтальной плоскости; поворот А кисти руки на угол 180° относительно продольной оси руки; поворот (качание) С кисти в вертикальной плоскости. Захватное устройство должно, кроме того, выполнять движения зажима-разжима заготовки или детали. Рабочая зона промышленного робота имеет ограждение 5, обеспечивающее безопасность для обслуживающих данный комплекс рабочих и наладчиков.
Микропроцессорное устройство ЧПУ централизованно управляет всем оборудованием комплекса во время автоматического цикла работы.
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
При обработке деталей на станках промышленные роботы используют главным образом для автоматизации вспомогательных процессов, связанных с обеспечением потоков заготовок и инструментов. Основные варианты применения промышленных роботов при автоматизации обработки на станках показаны на рис. 10.5: для обслуживания одного станка в составе гибкого производственного модуля (рис. 10.5, а, д), для обслуживания группы станков, образующих гибкий автоматизированный участок (рис. 10.5, б—з), для обслуживания группой роботов гибких автоматизированных линий ,(рис. 10.5, и—л).
В составе гибкого производственного модуля промышленный робот обслуживает, как правило, три позиции: загрузочную позицию накопителя Н заготовок; рабочую позицию А станка и разгрузочную позицию К транспортера или накопителя деталей. Фактическая производительность обрабатывающего модуля определяется коэффициентом использования станка кс, который зависит от длительности Тр его обслуживания роботом, отнесенной к общей продолжительности То обработки детали на станке: kc = 1 — Т^Т0.
Рассмотрим в качестве примера диаграмму цикла Тр обслуживания манипулятором токарного станка (рис. 10.6). Начало этого цикла отнесено к моменту остановки шпинделя, когда формируется команда на выполнение манипуляционных действий. Окончание периода обслуживания совпадает с выходом захватного устройства манипулятора из рабочей зоны станка и включением рабочего цикла Тм. Общее время простоя Тп = У? tni (i — 1, 2, 3) станка (заштрихованные участки) в основном определяется временем манипулирования заготовкой и деталью. Для сокращения этого времени необходимо либо увеличить скорости движения манипулятора и уменьшить общую длину перемещений его рабочего органа, либо совместить время манипулирования с рабочим циклом станка, создав рациональную компоновочную схему гибкого производственного модуля.
Основные варианты компоновки робототехнического комплекса, в который входят автоматизированный токарный станок и обслужи-
ВВВВSt8St8hththlhlШШШШВывод охвата из рабочей зоны станкаВывод охвата из рабочей зоны станкаРазжим патрона Отвод пинолиПодвод пинолиЗажим патронаРабочий циклПеремещениеК станку Ввод охвата в рабочую зону станка захват всталиРазжим патрона Отвод пинолиПодвод пинолиЗажим патронаРабочий циклПеремещениеК станку Ввод охвата в рабочую зону станка захват всталиПеренос детали в накопительПоиск заготовки и захват ееВвод охвата в рабочую зону станкаРазжим заготовкиПеренос детали в накопительПоиск заготовки и захват ееВвод охвата в рабочую зону станкаРазжим заготовкиIItt156156
В
В
В
В
St
8
St
8
ht
ht
hl
hl
ШШ
ШШ
Вывод охвата из рабочей зоны станка
Вывод охвата из рабочей зоны станка
Разжим патрона Отвод пиноли
Подвод пиноли
Зажим патрона
Рабочий цикл
Перемещение
К станку Ввод охвата в рабочую зону станка захват встали
Разжим патрона Отвод пиноли
Подвод пиноли
Зажим патрона
Рабочий цикл
Перемещение
К станку Ввод охвата в рабочую зону станка захват встали
Перенос детали в накопитель
Поиск заготовки и захват ее
Ввод охвата в рабочую зону станка
Разжим заготовки
Перенос детали в накопитель
Поиск заготовки и захват ее
Ввод охвата в рабочую зону станка
Разжим заготовки
I
I
t
t
156
156
вающий его специализированный промышленный робот портального типа, показаны на рис. 10.7. Возможны три конструктивных исполнения манипулятора для робота данного типа: с одной рукой и одним схватом (рис. 10.7, а); с двумя руками, работающими последовательно (рис. 10.7, б), с одной рукой и двумя схватами, работающими последовательно (рис. 10.7, в).
На рис. 10.8 показаны типовые циклограммы обслуживания
станка для рассмотренных трех конструктивных вариантов манипулятора. Общая продолжительность 7Р обслуживания роботом станка
Рис. 10.6. Циклограмма обслуживания токарного станка промышленным роботом
в каждом варианте определяется суммой времени выполнения отдельных этапов цикла: £р — время разгрузки станка (куда входит tx — время опускания механической руки на линию центров станка, <2 — время захвата детали в шпинделе, t3 — время подъема руки в позицию 5); /т — время транспортирования заготовки или детали между позициями А и Б; /у — время установки детали в накопитель Н; tH — время перемещения транспортера-накопителя на один шаг; /с — время снятия заготовки с накопителя; /к — время поворота головки со схватом; /3 — время загрузки станка (куда входит ^ — время опускания механической руки, /5 — время установки заготовки и ее зажима в патроне, t6 — время подъема руки.). Из циклограмм видно, что применение манипулятора с одной рукой (рис. 10.8, а) в данном случае нерационально, так как время Тр1 обслуживания станка при этом наибольшее. Для сокращения времени обслуживания рациональнее применять манипулятор с двумя руками (рис. 10.8, б) или двузахватное исполнение руки (рис. 10.8, в):
.157
Рис. 10.7. Варианты компоновки гибкого производственного модуля для токарной обработки деталей:
Н — позиция накопителя заготовок и деталей; Л и В - промежуточные позиции промышленного робота при транспортировании заготовки и детали; Ш рабочая позиция шпинделя станка
Т№ < Тр3 < Тр1. Главным преимуществом данных вариантов исполнения манипулятора является возможность совмещения времени транспортирования заготовки и детали, а также времени обслуживания накопителя с рабочим циклом Тм станка: несовмещенное время Тр цикла работы манипулятора связано только с разгрузкой и загрузкой станка в его рабочей позиции. Причем двурукое исполнение манипулятора с этой точки зрения также является наилучшим Тр2 Трз-
Аналогичным образом проведен анализ основных вариантов компоновки робототехнических комплексов и сравнение их с точки зрения эффективного использования основного оборудования —
Рис. 10.8. Циклограммы обслуживания токарного станка промышленным роботом
станков и обслуживающего их промышленного робота (коэффициент использования робота в составе обрабатывающего комплекса 6р = = Тр!Тоу Гибкие производственные системы можно строить по /Схемам круговой или линейной компоновки. При круговой компоновке (см. рис. 10.5, б—г) технологическое оборудование, обозначенное в общем случае буквами А, Б, В..., расставлено по дуге окружности, в центре которой установлен промышленный робот Р. Заготовки поступают с конвейера-накопителя Н, а обработанные детали передаются на конвейер К или в промежуточный магазин М, При линейной компоновке комплекса (см. рис. 10.5, е—з) технологическое оборудование располагают параллельно друг другу в один или несколько рядов, находящихся в пределах рабочей зоны обслуживающего промышленного робота.
Круговые компоновки робототехнических комплексов целесообразно использовать для небольшого числа технологических позиций (до пяти-шести) и при малых размерах рабочей зоны обслуживающего их промышленного робота стационарного типа. При этом эффективно применять двузахватные конструкции механизма манипулятора. При установке большого числа станков, а также для увеличения зоны обслуживания целесообразно использовать линейные компоновочные схемы робототехнических комплексов и промышленные роботы передвижного типа. Преимущество механизма руки
с двумя схватами при этом остается существенным, а использование двурукого манипулятора конструктивно ограничено.
Проектирование гибких производственных систем; в которых несколько промышленных роботов обслуживают большое число станков, транспортно-накопительных и других вспомогательных устройств образующих участки или линии, требует нахождения оптимального режима работы всей системы, например, численным методом при моделировании ее циклов на ЭВМ.
Выбору промышленного робота для обслуживания станков должен предшествовать анализ геометрических характеристик и массы изготавливаемых деталей, а также основных параметров станков, на которых обработка соответствующих заготовок наиболее эффективна. Характеристики основных типов деталей, изготавливаемых на станках групповым методом, приведены в табл. 10.1.
Анализ основных типов деталей и параметров станков позволил установить размерный ряд промышленных роботов для обслужива.
10.1. Характеристика основных типов детален, изготавливаемых на стайках
Тип
Эскиз
Наименование
Характеристика группы
Размер детали
VD или В),
Наибольшая масса детали, кг
Тела вращения
6 .
I
Диски (фланцы, кольца, шкивы, зубчатые колеса)
20—180
25—250
32—315
40
80
160
ASSESSES
3
Гильзы, втулки, стаканы
,<А<4
40—400
50—500
250
500
Валы (гладкие, ступенчатые)
4>4
32—100
40—125
50—160
40
80
160
——---_ —
. L
L
Плоские и прямоугольные
til
1
Планки, плиты, крышки
4»1
30—200 200—500 300—500
20
80
160
Корпусные
Корпуса простых форм
L>B>H
200
320
500
40 160 250
Ния этих станков. Промышленные роботы имеют грузоподъемность 20, 40, 80 и 160 кг (основной ряд); 250 и 500 кг.— для обслуживания тяжелых станков, а также для погрузочно-разгрузочных, транспортных: и складских работ.
Число степеней подвижности манипуляторов зависит от компоновки станка, размеров, расположения и доступности его рабочей зоны, схемы движений при обслуживании, а также выбранной компоновочной схемы гибкого производственного модуля или комплекса. Исходя из компоновки, можно выделить две основные группы станков: с горизонтальной осью шпинделя, с вертикальной осью шпинделя и горизонтальным столом. В станках первой группы заготовка должна подаваться на линию центров станка и затем устанавливаться в патроне или центрах за счет осевого движения. В станках второй группы заготовка сначала должна подаваться в рабочую зону выше базовой плоскости стола, а затем устанавливаться на ней за счет вертикального перемещения. Загрузка и разгрузка станка по любой из этих схем требует минимум трех степеней подвижности манипулятора для установочных (поступательных и вращательных) движений руки относительно координатных осей X, Y и Z. Если установка и ориентация заготовки в патроне или зажимном приспособлении осуществляется независимыми движениями, то число степеней подвижности манипулятора увеличивается. В общем случае для перемещения тела в пространстве и его произвольной ориентации робот-манипулятор должен иметь шесть степеней подвижности: три для осуществления рукой установочных перемещений и три для ориентирующих движений кисти. Передвижные промышленные роботы имеют, кроме того, степени подвижности, связанные с транспортными движениями.
При проектировании специализированных и специальных промышленных роботов число степеней подвижности обычно принимают минимально необходимым для данной технологической задачи.
I Выбранному числу степеней подвижности могут соответствовать различные варианты кинематической структуры манипулятора, зависящие от вида и последовательности расположения кинематических пар — вращательных (В) и поступательных (П). Для каждого сочетания пар возможно несколько структурных кинематических схем, отличающихся взаимным расположением звеньев и формой рабочего пространства манипулятора.
В табл. 10.2 приведены возможные структурные кинематические схемы манипулятора в зависимости от сочетания пар типа В и П. При изменении соотношений длины звеньев руки и углов между осями кинематических пар размеры и конфигурация рабочей зоны манипулятора меняются. При конструировании механизма руки возникают ограничения угловых и линейных перемещений, из-за ;чёго в расчетных рабочих пространствах образуются недоступные для кисти руки области.
Структурные кинематические схемы кисти руки манипулятора определяют его ориентирующие движения. Для произвольной ориентации детали кинематическая структура кисти содержит три
' Хаяемаянюеские пары
1Структурная кинематическая схема
Три поступа- теяъные (ППП)
] Л
т Л 4№
—с
; Две аоступа- ; тельные и овна вращательная
| (ПЛВ, ВПП, пел)
F
ре р-р
п^?
J«=
А (ТиЬ°
и
ч
Фе
J
1
L с/ ^с 1
-УС т и
.^Нк
ЯZ
4
У о4
41-^
—с
"^<Л
Т41н ку
; две врашд-
' тельные и овна поступательная
1 ^вЯ,ВПв,ВВВ)
К
• У
4^
4$—fv
х в р
X А 1. ( »lfc
р
У
5.
Д В г
4|нСс
хв
ilj-T^
К®
»>А
X
-Яг
z-c ' А
т
Три. браща- щельные (ВВВ)
А "^С,
ку
4
8.»
В
А
В к
ЮЛ. Структурные кийенатаческие Схемы меннтрттореб
ЯдеяШНСАМК-жмтщейв* кренеакпня; am-^ещемие Падения отюатеяяш ^- коорбиявяных всей.
вращательных пары, оси которых последовательно повернуты на 90® (структура ВВВ). Однако во многих конструкциях манипуляторов используют структуры типа ВВ, ВП или В, обеспечивающие лишь частичную ориентацию схвата. Упрощение кинематической структуры кисти манипулятора возможно в робототехнических системах, характеризующихся определенным расположением осей станков и предварительной ориентацией заготовок и деталей в транспортнонакопительных устройствах. Структурные кинематические схемы кисти руки манипулятора приведены в табл. 10.3.
ОД Структурные киниматические схемы кисти руки мокит/лятора
Кинематическиепары
" Однавращательнаякв)
Вращательная,и (или)поступательнаякВП,ПВ,П)
Выбор кинематической структуры манипулятора дает возможность разработать конструктивно-компоновочную схему промышленного робота. Основные компоновочные схемы промышленных роботов приведены в табл. 10.4.
' Промышленные роботы с манипуляторами, выполняющими движения в прямоугольной системе координат (плоской и пространственной), образуют группы А и Б соответственно. К группам В, Г и Д относятся роботы с манипуляторами, имеющими перемещения
'МКонструктивно-компоновочные схемы промышленных роботов
Система координат
Рабочая
■зона
1
, Конструктивно-компоновочные схемы и индексы подгрупп
Прямоугольная ;
плоская
пространственная
с L
А
Гу^^Й
00
М:- 6 н"
01-
1J
,i^5h SC
6 rX
02
Al
Гэ
tfYT ojK^
в
6
ЧА
20
2е«У td yS8TL-L7n
<? Гг~|1^:
21
22
Qi
23 *t
Криволинейная i полярная
цилиндрическая
сферическая
11 f*~x^
в
в
30
S=d
r 31
40
&№
6 Д
4
4/
i
У I
ей
42 У
л«о^
43 1
<Р
А
1 ззр£:
#17
60 уЛ-
г ^i=^r
6 rnl
61<pAL1
62
63 "V
tXn
" Сложная криволинейная :
цилиндрическая
сферическая
ГУМ
Е
1г
80
Т Л
£
st ?Sar6
fly m
i-ra/T •£b # it 82" L-
ЛЧЧ
Ж
We и-6
30
। j/-i i-0^
31 ^№<f
1-
6 iS
32
Примечание. L.t^H-линейные перемещения руки или корпуса;<р-угол поворота руки; #-угол качания руки или. корпуса; fi.j-углы поворота звеньев руки; 6,е-углы поворота или кача-, кия кисти руки со охватом
в криволинейной системе координат: плоской полярной, цилиндрической и сферической. Промышленные роботы с рычажно-шарнирной конструкцией механической руки, имеющей сложную криволинейную систему движений (цилиндрическую или сферическую), объединены в группы Е и Ж. Каждую из перечисленных групп промышленных роботов, в зависимости от конструктивных особенностей их исполнения, подразделяют на подгруппы, имеющие двузначный числовой индекс. Конструктивными признаками подгрупп могут быть стационарное или передвижное исполнение промышленного робота, тип несущей системы (портальный, напольный и т. п.), число рук, число степеней подвижности кисти руки, число схватов и др.
Выбор конструктивно-компоновочной схемы промышленного робота зависит от его назначения, технической характеристики и особенностей конструкции обслуживаемого технологического оборудования: станков, транспортно-накопительных устройств.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОЁОТЫ АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНОГО ТИПА
Разработка промышленных роботов на базе унифицированных агрегатных узлов и их функциональных блоков (конструктивных агрегатных модулей) дает возможность сократить сроки и стоимость проектирования, изготовления и внедрения робототехнических комплексов, технические параметры которых соответствуют требованиям конкретного производства. Агрегатный модуль это функционально и конструктивно независимая сборочная единица, которую можно использовать индивидуально и в сочетании с другими модулями с целью создания промышленного робота с требуемой компоновочной схемой, характеристиками и технологическими возможностями. Модули могут быть механическими, инфор- / мационными и управляющими. Механические модули представляют собой отдельные конструктивные блоки манипулятора вместе с комплектными приводами и коммуникациями (электрическими, гидравлическими), обеспечивающие одну или несколько степеней подвижности. Информационными модулями являются комплекты измерительных и преобразовательных устройств, а управляющими — блоки систем управления роботом.
Создание агрегатно-модульных конструкций промышленных роботов может быть основано на функциональном или конструктивнокомпоновочном принципах.
При первом принципе создания на одной конструктивной базе разрабатывают типоразмерный ряд (гамму) промышленных роботов различного технологического назначения, грузоподъемности, с разным числом степеней подвижности, размерами рабочей зоны и погрешностью перемещений. Специализированные исполнения создают на основе базовой конструкции промышленного робота, обычно универсального типа.
В качестве примера рассмотрим однотипные промышленные роботы для обслуживания технологического оборудования, которые
получены модификацией базовой конструкции робота, показанного на рис. 10.2. Модификации базовой модели отличаются числом рук манипулятора, их расположением и грузоподъемностью (рис. 10.9).
Техническая характеристика промышленных роботов агрегатно-модульной конструкции тина 3388
Грузоподъемность, кг:
исполнение 1 5
исполнение 2 3x2
исполнение 3 .. . .5X2
Число степеней подвижности4 (или 4X2)
Перемещение руки в осевом направлении, мм:
исполнения 1 и 2 о—600
исполнение 3 о—280
Вертикальное перемещение, мм ..50—100
Углы поворота руки, ...° о—120
Наибольший угол поворота кисти руки, ...° 130
Наибольшая скорость осевого перемещения руки, м/с~1
Наибольшая скорость подъема руки, м/с 0,7
Наибольшая скорость поворота руки, ...° 90
Наибольшая сила зажима губок схвата, Н . . . . 300
Время зажима губок схвата, с 0,2
Точность позиционирования, мм ±0,2
Масса манипулятора, кг: исполнение 1 525
исполнение 2• 567
исполнение 3•. . .555
Дополнительно в комплектацию каждого исполнения манипулятора входят сменные схваты, позволяющие расширить область применения данной гаммы промышленных роботов.
Большое разнообразие модификаций промышленных роботов может быть получено при агрегатно-модульном их построении по конструктивно-компоновочному принципу. При разработке агрегатных промышленных роботов с различными компоновочными схемами необходимо создать следующие типовые конструктивные модули: несущую систему (неподвижное основание, колонну, портал или консоль); механизмы, обеспечивающие степени подвижности манипулятора (поворота, подъема, выдвижения руки, вращения кисти); сменные захватные устройства; дополнительные механизмы, обеспечивающие промежуточное накопление и ориентирование заготовок, деталей, смену схватов н другие вспомогательные функции робототехнического комплекса.
Пример агрегатно-модульного конструирования промышленных роботов различного назначения приведен в табл. 10.5. Используя девять конструктивных модулей, можно создать 12 моделей автоматических манипуляторов с разной компоновочной схемой и технической характеристикой,, начиная от простого поворотного автооператора (схема /) и кончая универсальным промышленным роботом с шестью степенями подвижности и сложной криволинейной системой координат (схема 12\ Каждая из моделей может быть вы- / полнена как в стационарном, так и передвижном исполнениях с установкой манипулятора на тележке, которая перемещается по "рельсовому пути.
Конструкция промышленного робота, собранного из агрегатных модулей, показана на рис. 10.10, а. Манипулятор робота имеет пять степеней подвижности и в соответствии со схемой 4, приведенной в табл. 10.5, состоит из следующих конструктивных модулей: 1 — поворота относительно основания; 2 — вертикального перемещения относительно колонны; 3 — горизонтального перемещения руки; 4 — поворота кисти относительно продольной оси; 5 — схвата с приводом зажимных губок.
Модуль поворота предназначен для обеспечения вращательного движения руки манипулятора в горизонтальной плоскости с возможностью останова в крайних и двух заданных промежуточных положениях. Приводом модуля поворота служат сдвоенные пневмоцилиндры, штоки-рейки которых входят в зацепление с шестерней, выполненной как одно целое с вертикальным валом.
Модуль вертикального перемещения осуществляет подъем и опускание руки манипулятора относительно колонны.
<0.5. Пример агрегатно- модульного конструирования промышленных роботов
Модуль и его обозначение
Схема модуля
Неподвижное основание (НО)
1
Тележка подвижная \ТП)
. 1 и-^ю L
Стол поворотный (СП)
L^
Неподвижная колонна [НК}
Каретка вертикального хода [Кв)
о
п
Платформа . . качающаяся (ПК)
Рука, .
выдвижная (Рв)
— Е^-
Кисть..
поворотная (КП1)
--
Кисть поворотная, с двумя степенями подвижности (КП2)
Захватное устройство одинарное (ЗУ?}
Захватное устройство . двойное (ЗУ2)
Н0-НК-РВ-КП1-ЗУ1
Конструктивно-компоновочно я схема манипулятора и его структурная формула (состав модулей)
НО-СП-НК-РВ -КП1-ЗУ2
Н0-СП-КВ-РВ-КП1-ЗУ1
НО -СП-КВ-РВ-КП2-ЗУ1
Н0-СП-ПК-КВ-РВ-КП2-ЗУ1
11
12
НО -СП-НК-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
Н0-СП-КВ-ПК-РВ-КП1-ЗУ(
Н0-СП-КВ-ПК-РВ-КП2-ЗУ1
Н0-НК-ЛК-РВ-КП1-ЗУ1
Н^*пг^
|
1
Н0-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
Н0-СП-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
10
Рис. 10.10. Промышленный робот агрегатно-модульной конструкции
<Ы2Н9
140
НО-СП-ПК-НК-РВ -КП1-ЗУ1
Модуль горизонтального перемещения руки позволяет модулю кисти с захватным устройством выполнить поворотное движение относительно продольной оси. Модуль кисти руки обеспечивает две степени подвижности: поворот захвата вокруг его оси и качание относительно поперечной оси.
Модуль схвата (рис. 10.10,6) является исполнительным органом манипулятора. Разжим губок 9 схвата осуществляется пневмоцилиндром /, шток 2 которого шарнирно связан с рычагами 10; зажим — пружиной 3, возвращающей поршень 4 назад. Шток 2 поршня поворотный; он соединен шпонкой с выходным валом модуля кисти, обеспечивая возможность вращения схвата относительно оси в подшипниках 5 и 6. Контроль разжима схвата осуществляется пневмовыключателем 7, который срабатывает при нажатии на него упора 8, шарнирно связанного с рычагами 10.
раздел 2
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ
ГЛАВА 11
ПРОЦЕСС КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЕГО АВТОМАТИЗАЦИЯ
ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНКОВ
Проектированию станка предшествует предварительная, так называемая предпроектная проработка, которая завершается составлением технического задания на проектирование отдельного станка или комплекта станочного оборудования." Техническое задание содержит сведения о назначении станка, т. е. о том множестве деталей, которое должно быть обработано на станке с требуемой точностью по размерам, форме и взаимному расположению поверхностей.
В техническом задании необходимо обосновать целесообразность проектирования нового станочного оборудования на основе анализа и сопоставления его с уже существующими станками для решения той же или аналогичных производственных задач. Техническое задание должно содержать также изучение патентных источников и тщательное экономическое обоснование предполагаемой эффективности вновь создаваемого оборудования по критерию приведенных затрат и производительности. В техническом задании регламентируют значения основных технико-экономических показателей, которым должен обладать проектируемый станок или весь комплект станочного оборудования.
Техническое предложение (рис. 11.1) является первым этапом проектирования станочного оборудования. На базе исходных данных предпроектной проработки в техническом предложении обосновывают н уточняют технические характеристики: диапазоны скоростей главного привода, привода подач и вспомогательных перемещений. Выбирают двигатели для всех кинематических цепей и обосновывают рациональную мощность приводных двигателей. Дополнительно прорабатывают патентные источники и уточняют ожидаемую экономическую эффективность создаваемого станочного оборудования. На этапе технического предложения синтезируются варианты принципиальных схем станка и возможные компоновки как самого станка, так и всего комплекта станочного оборудования. Проводят оптимизацию компоновочных решений.
Эскизный проект является развитием технического предложения и содержит предварительную конструктивную разработку всех основных узлов. Принятие решений обосновывают расчетами, оптимизацией важнейших параметров с учетом технологичности конструкции и достижимой степени унификации.
Технический проект включает окончательную конструктивную проработку всех схем станка, его общие виды и все узловые чертежи с указанием технических условий на изготовление и сборку. На этом этапе осуществляют все виды уточненных расчетов и окончательно определяют эффективность станка или набора станочного оборудования.
Разработка рабочей документации является завершающим этапом проектирования. На основе технического проекта оформляют
Рис. 11.1. Этапы проектирования станка
рабочие чертежи на все оригинальные детали станка с простановкой размеров и техническими условиями на изготовление. Составляют перечень комплектующих изделий (покупных) деталей и спецификацию оригинальных деталей.
Разделение процесса проектирования на последовательные этапы является в известной мере условным, поскольку по ходу проектирования целесообразно пересматривать и уточнять ранее принятые решения. Например, при конструировании одного из важнейших узлов станка может выясниться необходимость изменения общей компоновки станка или внесения изменений в его кинематическую схему. Появление новых, прогрессивных комплектующих изделий (шпиндельных опор, направляющих устройств управления, средств контроля и измерения) также влияет на окончательное оформление' конструкции отдельных узлов, а иногда и всего станка.
Существенное влияние на процесс проектирования станочного оборудования оказывают средства вычислительной техники. Особенно эффективно использование ЭВМ для сбора и обработки исход- 172
Задание
ЭВМ
Обрабатывае-мые деталии их служебноеназначение
Математическоеобеспечение
Г"
характеристики
К
№<1
Выбор метода обработка
Проверка функционального назначения
Оптимизация и Выбор решений
<8 |5
§ $ g
4 А—
Принцип вейст - бия и компоновки станка
Эскизное проектирование \важнейших узловЪ
Анализ
U выбор метововобработки
Анализи выбор принципаи компоновкистанка .
Расчет узлови веталеимашин
ZE
^3
_Е
Конструирование у злоб
уут
Моделирование
Нет
Да
Чертежу деталей
Проверка характеристик станка
Чертежи,узлов
Специфи-кация
Технологическая документация
Банк ' ' станвартнык U повторяющихся веталеи
Моделирование
Системная техника
Логикаконструирования
Постпроцессор
Рис. 11.2. Схема взаимодействия конструктора и ЭВМ:
поток информации;— связь с конструктором; —•— -• автоматическое конструирование; =— связь с ЭВМ
ной информации, выполнения сложных, трудоемких расчетов и для окончательного оформления чертежей и другой рабочей документации. Примерная схема взаимодействия конструктора и средств
Рис. 11.3. Варианты компоновок многооперационных станков из унифицированных модулейРис. 11.3. Варианты компоновок многооперационных станков из унифицированных модулей
Рис. 11.3. Варианты компоновок многооперационных станков из унифицированных модулей
Рис. 11.3. Варианты компоновок многооперационных станков из унифицированных модулей
вычислительной техники приведена на рис. 11.2. Применение агрегатно-модульного принципа, когда различные по назначению и конструкторскому оформлению станки компонуются из общего набора узлов (модулей), дает возможность формализовать весь процесс
Рис. 11.4. Схема компоновки станка, полученная на ЭВМРис. 11.4. Схема компоновки станка, полученная на ЭВМ174174проектирования и в значительной мере его автоматизировать (рнс. 11.3 и 11.4).
Рис. 11.4. Схема компоновки станка, полученная на ЭВМ
Рис. 11.4. Схема компоновки станка, полученная на ЭВМ
174
174
ПРОЕКТНЫЕ КРИТЕРИИ
При проектировании любого комплекта станочного оборудования основной целью является обработка заданного множества деталей с -минимальными затратами на основе принятой технологии. Множество деталей, подлежащих обработке, характеризуется общим годовым их выпуском N, номенклатурой И,
ритмичностью выпуска, т. е. числом Р переналадок в течение года (см. гл. 2).
Обеспечение годового выпуска известного множества деталей при минимальных затратах следует рассматривать как целевую функцию при проектировании комплекта станочного оборудования:
А = N/^\ с-»-max,(11-1)
где N— годовой выпуск деталей, шт.; 2 е — сумма приведенных затрат, руб.
Эта целевая функция характеризует эффективность оборудования. Годовой выпуск деталей можно заменить выражением
N = Т6^Т,(11.2)
где То — годовой фонд времени; т] — коэффициент использования фонда времени; Т— среднее время цикла обработки одной детали.
При этом целевая функция принимает вид
А = —^.-^тах.(11.3)
Т (2с)
При известном То и заданном Т
S^minl(Н 4)
При конструировании новых станков, которые будут входить в состав различных комплектов станочного оборудования, следует стремиться к повышению их производительности, так как при этом .можно сократить число станков в наборе и, соответственно, уменьшить стоимость комплекта оборудования. С уменьшением числа станков повышается и надежность всей системы. В этом случае целевую функцию следует принимать как
Т ( £ с)-> min.(11.5)
С повышением степени автоматизации станочного оборудования сокращаются текущие затраты на обслуживание, и в сумме приведенных затрат наибольшая доля приходится на стоимость самих станков. В современных автоматических линиях и гибких производственных системах стоимость оборудования, отнесенная к одному году эксплуатации, составляет 60 —80 % всех приведенных затрат, а иногда и более. Поэтому при сопоставлении проектных вариантов станочного оборудования следует прежде всего обращать внимание на их сравнительную стоимость. Например, при выборе целесообразного набора оборудования для гибкой производственной системы следует иметь в виду зависимость суммы приведенных затрат от вида станочного оборудования и номенклатуры деталей (рис. 11.5.)
Помимо целевой функции, при проектировании комплекта станочного оборудования или при конструировании новых станков необходимо выполнять проектные ограничения.
Проектные ограничения могут быть связаны с функциональными требованиями, с. характером производства, на котором будут и зго-
Рис. 11.5. Выбор рациональной гибкости станочного оборудования:
1 — агрегатный станок; 2 — переналаживаемый агре- гатный станок; 3 — многооперационный станон; 4 — станок с ЧПУ; 5 — станок с ручным управлением товлять станки, и с условиями эксплуатации на том производстве, где станки будут работать. К важнейшим функциональным проектным ограничениям относят требования к точности обработанных на станке готовых изделий. Имеются в виду требования к точности размеров, правильности формы отдельных поверхностей и их шероховатости, к точности взаимного
расположения обработанных поверхностей. Требования к точности обработки обусловливают соответствующие проектные ограничения' на допустимые геометрические, кинематические, упругие, динамические, температурные погрешности всей системы станка и его отдельных частей.
Особенности того станкостроительного производства, на котором будут изготовлять станочное оборудование, накладывают проектные ограничения на технологичность изготовления и сборки. Возможности производства ограничивают допустимый и целесообразный набор технологических операций, обработки, режущего и измерительного инструмента, оснастки, технологии сборки.
На технологичность изготовления станка большое влияние оказывает унификация, которая связана с насыщением конструкции стандартными и унифицированными деталями и сборочными единицами. Стандартные детали или узлы станка должны соответствовать государственным, республиканским или отраслевым стандартам. К унифицированным частям станка относят изготавливаемые по стандартам данного предприятия и используемые в нескольких разных моделях, а также различные комплектующие изделия (за исключением крепежных и арматуры). Важные проектные ограничения * могут быть связаны с условиями эксплуатации станочного оборудования. Проектные ограничения на гарантированный срок сохранения точности и на требуемую долговечность учитывают при конструировании станка и отдельных его узлов. К условиям эксплуатации относят требование учета взаимодействия станка с транспортом, манипуляторами и некоторыми другими вспомогательными устройствами. Ограничения накладывают иногда требования транспортирования, характер производственной площади.
Важными являются ограничения, связанные с эргономикой.; Например, со всей тщательностью должны быть решены вопросые удаления абразивной пыли, мелкой стружки, смазочно-охлаждающей жидкости и ее регенерации. Для станков с ручным управлением и обслуживанием особого внимания заслуживает внешнее оформление станка, удобство и безопасность его обслуживания. К проектным ограничениям относят патентно-правовые вопросы, 176
которые требуют подробного обзора на начальных этапах, проектирования и полной патентной чистоты вновь создаваемой конструкции.
ПРЕДПОСЫЛКИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Процесс проектирования можно рассматривать как совокупность процедур переработки информации, в результате чего возникает конечный продукт этого процесса'в виде проекта технического объекта, например, металлорежущего станка, промышленного робота, автоматической линии и т. п. Таким образом, проект — это информационный аналог реального технического объекта.
Технический объект представляет собой систему, состоящую из элементов и характеризующуюся собственными структурой и параметрами. Например, такая ситема, как станок, состоит из элементов (узлов), которые, в свою очередь, можно.рассматривать как системы, элементами которых являются детали и т. д.
Структура системы — это совокупность элементов, из которых она состоит, и их связи между собой. Два шпинделя токарного . станка, один — на опорах качения, другой — на гидростатических подшипниках — системы различной структуры. Также различную структуру будут иметь шпиндели, если применить подшипники качения, но смонтировать их по различным схемам. В первом случае различия порождаются различием природы элементов (гидростатические опоры и опоры качения), во втором — различием связей , между элементами. В машиностроении результатом синтеза структуры обычно является эскизный проект системы.
Параметры системы — это некоторые характеристические, величины, определенные значения которых выделяют данный объект из совокупности ему подобных. Так, диаметр шпинделя, расстояние между его опорами, конус на переднем конце и т. п. — параметры системы «шпиндельный узел».
Техническое решение всегда реализуется для достижения определенных целей. На пути к этим целям, как правило, имеются ограничения. Обычно цели и ограничения формулируются достаточно строго. Например: создать гидроцилиндр, развивающий усилие в 5000 Н и имеющий наружный диаметр не более 200 мм. Решение, которое обеспечивает достижение цели и удовлетворяет ограничениям, является допустимым. Нахождение хотя бы одного допустимого решения и есть основная задача конструктора.
Если ограничения не слишком жесткие, то можно обычно найти несколько допустимых решений и из них выбрать оптимальное. Различные допустимые варианты технического решения создают за счет варьирования структуры и параметров объекта. Выбор оптимального варианта возможен в том случае, если есть количественная мера оценки вариантов. Такой мерой могут служить проектные критерии —.характеристики качества работы объекта. Выраженные количественно через значения параметров технического объекта, их называют целевыми функциями; они служат основой для выбора
оптимального варианта. Например, применительно к шпиндельному узлу, величина жесткости на переднем конце шпинделя, представленная в виде зависимости от параметров узла, может выступать в качестве целевой функции. Автоматизация процесса проектирования технического объекта предполагает определение структуры и параметров элементов и всего объекта в целом в условиях систематического применения ЭВМ, что позволяет получить вариант проекта, близкий к оптимальному
Возвращаясь к упомянутым выше процедурам, переработки информации в процессе проектирования, отметим, что их можно разделить на две группы — формальные и неформальные процедуры. К первым (они могут быть полностью переданы ЭВМ) условимся относить такие, при которых переработка информации поддается алгоритмизации, т. е. производится по правилам, задающим строго определенную последовательность операций, приводящих к искомому результату. Ко вторым — все остальные процедуры.
Рассматривая любой проект и процесс его создания, легко видеть, что формальные процедуры занимают большую часть общей его трудоемкости. Например, при проектировании металлорежущего станка, согласно действующим нормам Минетанкопрома на выполнение конструкторских работ, трудоемкость формальных процедур (сбор информации, различные расчеты, разработка рабочей конструкторской документации) составляет около 60 % общей трудоемкости проекта.
Следует отметить, что, несмотря на существенную долю в общем объеме работ, эти процедуры не определяют основные качественные характеристики технического объекта, т. е. его проектные критерии, хотя и улучшают проект, главным образом, за счет существенного уменьшения ошибок. Большой объем формальных процедур при проектировании является первой объективной предпосылкой автоматизации процесса проектирования, хотя в силу неопределяющего, в смысле качества объекта, характера этих процедур указанная предпосылка сама по себе недостаточна для того, чтобы ожидать существенного эффекта от автоматизации проектирования. Действительно, резкое повышение качества проекта (кратное сокращение сроков проектирования, получение изделия, превосходящего уровень лучших имеющихся образцов, существенное сокращение сроков отладки опытной партии и т. п.) с помощью автоматизации только формальных процедур принципиально недостижимо. Подобные результаты могут быть получены лишь при построении автоматизированной системы проектирования, включающей как формальные, так и неформальные процедуры. Автоматизация последних при этом подразумевает диалог проектировщика и ЭВМ, в результате которого находится оптимальное техническое решение. Возможность нахож- дения такого решения является второй, очень важной предпосылкой автоматизации процесса проектирования, так как только применение ЭВМ позволяет сравнить различные варианты решения на основе количественной оценки их качества.
Проектирование таких сложных технических систем, как станки, всегда ведется в условиях, когда и объект проектирования, и сам процесс проектирования расчленяются на иерархические уровни. Такими уровнями применительно к объекту являются агрегаты, узлы, детали и т. п. Уровнями процесса проектирования являются его стадии: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, рабочий проект. Указанные условия определяют такую специфику проектирования, когда на каждом уровне ведется работа по синтезу системы, элементы которой полностью не определены. Например, компоновка станка должна быть выбрана до того, как конструктивно разработаны его узлы.
Аналогичное положение имеет место на всех уровнях проектирования. Это приводит к тому, что при подробной разработке элементов, как правило, возникает возможность улучшения системы. Однако эта возможность чаще всего не используется из-за большого объема изменений проекта. Автоматизация проектирования позволяет вносить изменения в проект практически на любой стадии и без ограничения их объема. Это обстоятельство является третьей объективной предпосылкой автоматизации процесса проектирования. Наконец, в качестве четвертой предпосылки можно отметить тот факт, что хранение, переработка и использование огромного количества справочной информации, которая при проектировании необходима конструктору, наилучшим образом могут быть организованы с помощью ЭВМ.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Развитие автоматизированного проектирования происходит под влиянием, с одной стороны, бурного процесса совершенствования вычислительной техники, с другой стороны, лучшего понимания самого процесса проектирования и места в нем ЭВМ. Сегодня общепринятой является точка зрения, когда термин «автоматизированное проектирование» можно применять только к системам автоматизированного проектирования, которые характеризуются совокупностью следующих основных принципов их построения.
Постоянное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования, осуществляемое с помощью диалоговых средств. Речь идет о разделении функций между человеком и ЭВМ, когда человек решает не формализуемые задачи, а также задачи, которые он решает более эффективно, чем ЭВМ.
Реализация комплексного подхода к автоматизации всех уровней проектирования. Если этот принцип не выдерживается, то эффективность автоматизации проектирования резко снижается или может отсутствовать вообще. Неавтоматизированное проектирование плохо сочетается с автоматическим, сводя на нет преимущества последнего. Этот принцип требует также разрушения традиционно существующей границы между проектированием конструкции и разработкой технологии изготовления технического объекта. Си-
стема автоматизированного проектирования конструкции и технол<> гического процесса ее изготовления должна быть единой.
Возможность совершенствования системы автоматизированного проектирования. Это необходимо обеспечить, так как ввод системы в эксплуатацию должен осуществляться по частям из-за большой ее стоимости и длительных сроков проектирования. Потому введение в действие последующих частей не должно приводить к проектированию заново введенных ранее. Совершенствование системы связано также с развитием вычислительной техники, математического обеспечения и проектируемых объектов.
Должна быть обеспечена информационная согласованность всех частей автоматизированной системы. Это означает отсутствие необходимости вмешательства человека в переработку информационных массивов при переходе от решения одной задачи или группы задач к другой.
Еще раз отметим, что только совокупность всех перечисленных принципов определяет автоматизированную систему проектирования.
Система автоматизированного проектирования строится на базе технических средств с соответствующим информационным и программным обеспечением. Технические средства системы включают одну или несколько вычислительных машин, образующих центральный вычислительный комплекс, и связанные с комплексом автоматизированные рабочие места, представляющие собой комплект периферийных устройств, обеспечивающих связь человека и ЭВМ. К их числу в первую очередь следует отнести алфавитно-цифровые и графические дисплеи. С их помощью осуществляется диалоговый режим работы системы автоматизированного проектирования. Фиксация выработанных решений в виде документации требуемой формы осуществляется с помощью чертежных автоматов и алфавитно-цифровых печатающих устройств.
В состав автоматизированного рабочего места входит также мини-ЭВМ, управляющая работой дисплеев и используемая для решения относительно простых задач. Взаимодействие автоматизированных рабочих мест с центральным вычислительным комплексом осуществляется у. режиме разделения времени, так что один комплекс может включать 1Q.—15 рабочих мест и более.
Таким образом, система автоматизированного проектирования является системой коллективного пользования.
Автоматизированные рабочие места обычно специализируются в соответствии с профилем решаемых задач. Например, рабочее место инженера-конструктора должно иметь более мощные средства графической обработки информации. Совокупность таких средств называют машинной графикой. Их применение облегчает создание конструкторской документации, уменьшает количество ошибок^ Современные системы машинной графики позволяют синтезировать на экране дисплея чертежи сборочных единиц и деталей, вносить в них изменения, получать необходимые разрезы, сечения, изотермические изображения, выполнять операции дублирования части чертежа, симметричного отражения, изменения масштаба и т. п.
При этом синтез чертежа может вестись как универсальным способом, используя приемы геометрического черчения, так и сочетанием типовых чертежных фрагментов.
При необходимости документирования созданного чертежа может быть получена его копия с экрана дисплея либо осуществлено репродуцирование с помощью чертежного автомата. Сегодняшний уровень развития машинной графики позволяет конструктору работать, используя только средства вычислительной техники, сдав в архив традиционные чертежные приборы.
Информационное обеспечение автоматизированной системы проектирования включает разнообразные сведения справочного характера, а также результаты проектирования, которые могут быть использованы либо на последующих этапах, либо в другйх проектах. К числу справочных данных относятся информационные массивы, содержащие значения параметров стандартизованных и унифицированных изделий (крепежные детали, профили проката, подшипники и т. п.), сведения из ГОСТов и других стандартов, закодированные чертежи типовых изделий и т. п.
Совокупность всех информационных массивов системы называют базой данных. База данных совместно с программным обеспечением, реализующим управление ею, образует банк данных. Управление обеспечивает включение, хранение и выдачу информации по приказам пользователей или в соответствии с командами прикладных программ.
Программное обеспечение систем автоматизированного проекти- . рования состоит из операционной системы и прикладных программ. Операционная система предназначена для организации процесса ввода-вывода и управления данными, подготовки и отладки программ и других вспомогательных операций и, с точки зрения пользователя, является продолжением аппаратных средств.
Прикладные программы являются частью специального программного обеспечения наряду с инструкциями по их использованию и языками общения человека с ЭВМ и отражают специфику решаемых задач. Характеристики и возможности прикладных программ определяют качество системы автоматизированного проектирования, а их разработка — самый трудоемкий этап создания такой системы.
§ 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
Как уже отмечалось, важнейшей предпосылкой автоматизации процесса проектирования является возможность нахождения оптимального варианта технической системы. При этом структура такой системы синтезируется с помощью эвристических методов, так как в машиностроении в настоящее время автоматизация этих методов разработана крайне слабо. Эвристические подходы, естественно, не исключают применение вычислительной техники, так как при взаимодействии человека с ЭВМ процесс синтеза структуры идет наиболее эффективно.
Техническая система одной структуры может иметь несколько допустимых решений за счет различных значений ее параметров. В этом случае возможен такой набор значений параметров, который обеспечивает оптимальное решение. Процесс поиска решения называют параметрической оптимизацией. В дальнейшем при рассмотрении различных аспектов процесса оптимизации всегда имеется в виду параметрическая оптимизация, а структура системы считается заданной. Используя параметрическую оптимизацию, можно проводить оценку различных структур системы, сравнивая между собой их оптимальные варианты. Синтез вариантов системы осуществляется с помощью математической модели, представляющей собой совокупность формул, позволяющих определить все интересующие нас проектные характеристики технической системы. В общем случае эта модель выглядит следующим образом.
Имеется вектор X = (х^ хг, ..., х„) независимых внутренних параметров, значения которых однозначно определяют все характеристики изделия, в том числе значения целевой функции F и функций ограничений Rv R2, .... Rm. Таким образом, целевая функция и функции ограничений зависят от внутренних параметров. Эта зависимость в общем случае нелинейна. Независимые параметры — это обычно размеры изделия или характеристики его элементов. Так, для шпиндельного узла независимыми параметрами могут быть диаметры опорной шейки, межопорной части, длина консоли, жесткость подшипника и т. д.
В процессе оптимизации часть независимых внутренних параметров подвергается изменениям в определенных пределах. Такие параметры называют управляемыми, а пределы их изменений — параметрическими ограничениями. Формальная постановка задачи параметрической оптимизации сводится к нахождению таких значений независимых параметров, при которых целевая функция F = F (X) достигает своего минимума при
Xj ^ 0, j = 1, 2, ..., п (11.6) и
Ri(X)<0, 1 = 1,2, ...; т; т^п. (11.7)
К такой постановке может быть приведена любая реальная задача. Действительно, если по смыслу задачи требуется максимизация целевой функции, то, умножая ее на минус единицу, получаем требуемую форму.
Геометрическая интерпретация постановки задачи оптимизации для случая двух независимых переменных показана на рис. 11.6, где нанесены линии постоянного уровня целевой функции F (xv х^ и функций ограничений Rt (х1э х2), i = 1, 2, 3.
В каждой точке одной такой линии целевая функция (функция ограничений) имеет одно и то же постоянное значение. Уравнением линии постоянного уровня является выражение
Г (хь х2) = а 1ИЛИ Rt <xv х^ ~ а‘ Ь
где а = const. Задавая различные значения постоянной а, получим семейство линий постоянного уровня.
Условия (11.6) и (11.7) выделяют область D — область допустимых решений. Минимум целевой функции в данном случае находится на границе области D в точке X* = (х), xl). Такой минимум называется условным, а задача его нахождения — условной оптимизацией, в отличие от безусловной оптимизации, когда ищется минимум целевой функции в отсутствии функций ограничений. В технических задачах ограничения имеются практически всегда.
Критерии оптимальности. Перейдем теперь к рассмотрению клю-
чевого вопроса решения задач оптимизации — выбору целевой
Рис. 11.6. Геометрическая интерпретация задачи оптимизацииРис. 11.6. Геометрическая интерпретация задачи оптимизациифункции. Напомним, что це-
Рис. 11.6. Геометрическая интерпретация задачи оптимизации
Рис. 11.6. Геометрическая интерпретация задачи оптимизации
левая функция позволяет получить количественную оценку качества проектируемого изделия. Такой оценкой, в рамках принятой нами модели, может быть вектор выходных характеристик
Т = (уъ уа, ..., у8\
который, как отмечалось, однозначно определяется значениями независимых параметров Xj.
Отдельные выходные характеристики (условимся называть их частными критериями) ук, 6=1, 2, ...,
s — это, по существу, тех
нико-экономические показатели изделия. Например, применительно к станку это могут быть его производительность, точность, материалоемкость и т. п. Обычно предельно допустимые значения выходных характеристик содержатся в техническом задании на проектирование. Обозначим эти значения через у^ 3. Тогда выражение
(11.8)(11.8)У к - у;-3 < О
(11.8)
(11.8)
можно назвать условием, работоспособности.
Приведенная форма этого условия может быть реализована для любых характеристик, так как когда по смыслу задачи требуется обратное неравенство, оно может быть заменено неравенством вида (11.8), если вместо ук и у * 3 взять их обратные величины.
Степень выполнения требований технического задания может быть оценена выражением
А^ - - ут. 3•(119)
Критерии ^yk не противоречат принятому условию минимизации целевой функции, а их безразмерная форма позволяет сравнивать
между собой характеристики разной физической природы. Основные трудности в использовании критериев ук или Аук для оценки проекта состоят в том, что эти критерии не являются независимыми, так как все они — функции внутренних параметров.
Среди этих критериев всегда находятся такие, улучшение которых приводит к ухудшению других. Такие критерии называются конфликтными. Наличие конфликтных критериев не позволяет ставить целью одновременное улучшение всех выходных характеристик изделия, требуется поиск компромиссного решения. Отметим, что такое решение в принципе не может быть формализовано, а следовательно, и автоматизировано, так как цель — прерогатива человека и его деятельности.
Задачи, в которых качество изделия требуется оценивать и улучшать по нескольким характеристикам одновременно, называют задачами многокритериальной оптимизации. К этой категории отно- ■ сятся практически все задачи, с которыми сталкивается конструктор-станкостроитель. Рассмотрим некоторые подходы к формирова- \ нию целевой функции .в многокритериальных задачах. Самым простым подходом является такой, когда из набора частных критериев - выбирают главный, который принимают в качестве целевой функции. В этом случае оптимальное решение имеет большой запас по выбранному критерию и полное отсутствие запасов по остальным. В станкостроении использование частного критерия как целевой функции можно рекомендовать только при проектировании уникального оборудования, когда получение требуемого качества (например, сверхточный станок и т. п.) окупает почти любые издержки.
Наиболее распространенным подходом в многокритериальных ■ задачах является формирование аддитивного критерия. Целевая ; функция в этом случае имеет вид
F (X) = 2 ckAyk (X),(11.10)
k= 1'
где ck— так называемые весовые коэффициенты, определяющие степень влияния каждого частного критерия на целевую функцию. ; Их численные значения находят с помощью экспертных оценок. Обычно полагают
£Cft=i.(н.н)
Основной недостаток аддитивного критерия — отсутствие объективной достоверности значений весовых коэффициентов. Если при проектировании технического объекта имеется возможность полно и достоверно оценить произведенные затраты, то их также можно использовать в качестве целевой функции. Более того, можно утверждать, что минимизация затрат — наилучший подход при проектирований, так как это единственный способ получения «объективной» оценки такого субъективного понятия как цель. Здесь необхс- , димо подробно пояснить, что имеется в виду под полным учетом за- ■ 184
трат. Лучше всего это делать на конкретном примере. Допустим, мы проектируем станок, который должен быть встроен в автоматическую линию, предназначенную для изготовления деталей автомобильного двигателя. При сравнении различных вариантов проекта для полного учета затрат необходимо, кроме всего прочего, учесть приведенные эксплуатационные расходы в автоматической линии (они существенно зависят от надежности и ремонтопригодности конструкции), расходы на изготовление двигателя и в период эксплуатации автомобиля (на них влияет уровень качества изготовленных деталей). Как видим, полный учет затрат — дело довольно сложное и в настоящее время мало разработанное. Это обстоятельство является основным сдерживающим фактором в применении стоимостного критерия в оптимизационных-задачах.
В технических решениях в ряде случаев находят применение минимаксные критерии. Суть этого подхода состоит в следующем. Пусть в некоторой точке X, пространства независимых параметров определены значения частных критериев Ауг (X,), Aya (Хг). ..., Aya (Xt)- Выберем из этих критериев наибольший (т. е. наихудший) и примем его в качестве целевой функции
F (X) max Ayft(X).(И-12)
*£[l;s]
Так как целевую функцию надо минимизировать, то имеем следующую запись задачи:
min f(X) = min max AyJt(X),(11.13)
x£DXpif[l:s]
где [1 : sj —множество целых чисел в интервале от 1 до s; D — область допустимых решений.
При минимизации критерия (11.12) необходимо следить, чтобы остальные s — 1 критериев не выходили за пределы допустимых значений. Исчерпав возможности минимизации критерия, выбранного в ряду всех критериев, вновь определяют наибольший, и вся процедура повторяется сначала. Так поступают до тех пор, пока не исчерпывается возможность улучшения каждого из s критериев.
Заканчивая на этом рассмотрение вопроса о выборе целевой функции, еще раз подчеркнем, что качество оптимального решения целиком зависит от того, какой критерий выбран для оценки.
Минимальное значение целевой функции может быть найдено непосредственно, если она выражена аналитически. В этом случае минимум целевой функции вычисляют, используя необходимые условия экстремума — равенство нулю градиента целевой функции или, что то же, равенство нулю всех частных производных целевой функции по независимым переменным:
gradFm-("-, У=0.(11.14)
Обычно в технических задачах аналитические выражения для целевой функции и функций ограничений отсутствуют. Поэтому
Рис. 11.7. Алгоритм поисковой оптимизации
минимум целевой функции определяют, используя поисковую оптимизацию. Суть этого процесса состоит в том, что определяют последовательный ряд точек, образующих траекторию в пространстве независимых параметров, двигаясь вдоль которой можно достичь минимума целевой функции. При этом в каждой точке вычисляют значение целевой функции и проверяют условия прекращения поиска. Таким условием может быть, например, незначительное, по сравнению с предыдущим шагом, уменьшение целевой функции. Алгоритм поисковой оптимизации приведен на рис. 11.7.
Рассмотрим некоторые методы поиска минимума целевой функции. Большинство методов разработано для случаев безусловной оптимизации, но их можно применять в задачах с ограничениями, так как существуют приемы сведения задач условной оптимизации к задачам безусловной оптимизации. Существо метода и его название определяются способом выбора направления поиска в простран
стве независимых параметров.
Самым простым методом поиска является метод полного перебора. При этом всю область D разбивают на элементарные подобласти, в каждой из которых вычисляют целевую функцию. Сравнивая полученные значения между собой, находят минимум целевой функции. Метод может быть рекомендован для задач с небольшим количеством независимых параметров (три-четыре) и ограниченными диапазонами их изменений. В ином случае затраты машинного времени
становятся чрезмерными.
Метод координатного спуска предполагает направление поиска на очередном шаге, совпадающем с направлением одной из координатных осей. Другими словами, имеет место последовательная оптимизация по каждому независимому параметру. Например, вначале осуществляется движение в направлении оси Хг до тех пор, пока целевая функция уменьшается. Когда такое уменьшение прекращается, начинают движение в направлении оси Х2 и т. д. После окончания полного цикла спусков по направлениям всех независимых параметров вновь возвращаются к направлению ХТ и реализуют новый цикл. Так продолжают до тех пор, пока не находят минимум целевой функции. Траектория, соответствующая описанному алгоритму, показана на рис. 11.8 для случая двух независимых переменных.
В следующих двух методах — методе градиента и методе наискорейшего спуска — при выборе направления поиска используют информацию о градиенте целевой функции. Так как направление градиента определяет направление наиболее быстрого возрастания
целевой функции, то целесообразно поиск ее минимума вести в анти- градиентном направлении. При этом метод градиента предусматривает определение этого направления в каждой течке траектории поиска, а при методе наискорейшего спуска движение в антигра- диентном направлении осуществляется до тех пор, пока происходит уменьшение целевой функции. На рис. 11.9 изображены траектория 1 поиска, по методу градиента и траектория 2 наискорейшего спуска. Сравнивая траектории / и 2, можно заключить, что метод наискорейшего спуска требует большего числа шагов, но при этом методе реже вычисляется градиент целевой функции.
Рис. 11.8. Метод координатного спускаРис. 11.8. Метод координатного спускаРис. 11.9. Метод градиента (/) и метод наискорейшего спуска (2)Рис. 11.9. Метод градиента (/) и метод наискорейшего спуска (2)
Рис. 11.8. Метод координатного спуска
Рис. 11.8. Метод координатного спуска
Рис. 11.9. Метод градиента (/) и метод наискорейшего спуска (2)
Рис. 11.9. Метод градиента (/) и метод наискорейшего спуска (2)
Аппроксимация частных производных, необходимых для вычисления градиента целевой функции F (X), может быть произведена следующим образом:
5F (X) _ F (xv х2х, + hj, ..., х„) —F (х1г й2. ..., ха) Z1, tet
где h} — проекция шага поиска на направление х?.
Сведение задач условной оптимизации к безусловной может быть выполнено, в частности, с помощью метода штрафных функций* Суть метода заключается в замене целевой функции F (А) исходной задачи на обобщенный критерий, значения которого совпадают с F (X) внутри области допустимых решений и резко возрастают вне ее. В качестве штрафной функции можно принять, например, такую:
em„£[&m±l«iW]=.(lU6)
Тогда обобщенный критерий можно представить в виде
Т(Х, o = ^W + ^W,
где $ — коэффициент штрафа.
Минимум функции Т (X t) стремится к минимуму функции F (X) при/-+оо.Для всех X £D в силу (11.7) и (11.16) Q (X) = О, и можно обойтись без штрафных функций, если заранее известно, что минимум лежит внутри области D. Обычно такая априорная информация отсутствует.
Метод случайного поиска реализует выбор направления поиска на каждом шаге случайным образом, например, используя таблицы случайных чисел. Так, из некоторой точки Хк переходят в точку Хк+Ъ и если при этом оказывается F (Xft+1) < F (Хк), то попытка считается удачной и поиск продолжают из точки Xk+V. Если F (Хк+1) ^ ^ F (Хк), то попытка считается неудачной, и из точки находят новое случайное направление. Поиск прекращают после L неудачных
Рис. 11.10. Шпиндельный узел внутрйшлифовального стайка
попыток. Число попыток L задают заранее, его значение определяют из опыта решения подобных задач. Этому методу присущ тот недостаток, что точки, в которых вычисляются значения F (X), могут распределиться неравномерно в пространстве независимых параметров, из-за чего определенные области этого пространства окажутся вне анализа.
Этот недостаток отсутствует в методе ЛП-поиска. Математический аппарат метода обеспечивает формирование векторов Хг, Х2, .... XN в N точках, равномерно расположенных в пространстве независимых параметров. Другим важным достоинством этого метода является выработанная удобная форма анализа комплекса частных критериев в виде так называемой таблицы испытаний. Под испытанием здесь понимаем определение значений параметров и критериев в одной из N точек. Таким образом, общее число испытаний равно N, и для каждого из них вычисляют значения всех частных критериев. Каждому критерию в таблице испытаний отведена одна строка, в которой значения этого критерия располагают в порядке возрастания с указанием номера испытаний. Сумма таких строк по всем частным критериям позволяет анализировать комплекс этих критериев при отсутствии целевой функции в явном виде, рассмотрев цсе возможные компромиссы.
Проиллюстрируем сказанное выше конкретным примером. Объектом оптимизационной задачи является шпиндельный узел внутри- шлифовального станка (рис. 11.10). В каждой опоре шпинделя имеются по два радиально-упорных шарикоподшипника, смонтиро- 188
11.1. Таблица результатов испытаний
32 1
8 1,07
4 1,07
24 1,07
10
1,19
20
1,21
0 1,23
12
1,25
...
32 1
4 1,05
8
1,1
22
1,28
24
1,30
10
1,33
25
1,41
...
12
1,9
...
. 0
2,28
20 1
8 1,01
24
1,20
10
1,31
0 1,32
26
1,32
32
1,34
12 2,01
...
...
12 1
30
1,45
28
1,46
29
1,58
32
2,14
18
2,31
25
2,57
24
2,73
...
10
2,86
0 4,27
32 1
24
1,05
8
1,10
■4
1,17
20
1,20
10
1,24
12
1,31
0
1,31
...
Примечание. В таблице опущены оценки некоторых вариантов, ие представляющих интереса при оптимизации.
ванных по схеме «тандем». Принят следующий комплекс частных критериев, используемых при оценке качества работы шпиндельного узла: ух (X) —упругое радиальное перемещение от единичной силы переднего конца шпинделя, обусловленное податливостью шпинделя и его опор; у^ (X), у3 W, У» W — максимальные радиусы-векторы АФЧХ шпиндельного узла по возмущению от силы шлифования в радиальном направлении на первых трех собственных частотах; у5 (X) — приведенная нагрузка на передний подшипник шпинделя от единичной силы на его переднем конце.
Базовому варианту шпиндельного узла соответствуют следующие значения составляющих вектора Хо:
Ош = 33 мм; /п = 73 = 8 мм; £ш — 152 мм; LT = 250 мм; D, = = 60 мм; DKp = 40 мм; hKp = 40 мм; dK = с^ =20 мм; /к = 34 мм; /гп = 12 мм; радиальная жесткость одного подшипника jn = = 60 Н/мкм; частота вращения шпинделя п = 30 000 мин'1.
Ограничения на управляемые параметры заданы следующим образом:
(11.17)(11.17)26 < Ош с 40 (мм), 80 с £ш < 250 (мм), 10 < /п < 30 (мм),0 с /3 с 60 (мм) J
(11.17)
(11.17)
Прй функциональном ограничении 200 с £г с 320 (мм).(11.18)
В качестве критериальных ограничений приняты значения частных критериев базового варианта:
(11.19)189(11.19)189Ун (X) < Ук (Хо), А — 1, 2, ..., 5.
(11.19)
189
(11.19)
189
, В соответствии с методикой четырехмерное пространство управляемых параметров X с учетом ограничений (11.17) и (11.18) зондируется равномерно распределенной последовательностью точек Хь Хг, ..., XN, и в каждой точке вычисляются значения всех частных критериев, у^ (X).
Результаты расчетов представлены в табл. 11.1. Каждая строка таблицы соответствует одному из частных критериев; в числителе указан номер I варианта шпиндельного узла (всего было просчитано ^ = 32 варианта), а в знаменателе — нормированное значение частного критерия, соответствующего данному варианту.
Нормирование осуществляется в соответствии с выражением
1^ = А^, й= I, 2, ..., 5; t = I, 2N, (11.20) пипуь
где min Уй =# 0 — наименьшее значение yh из всех полученных при N
расчетах. Для соответствующего варианта X* = lmto = 1.
Оценка Л,{ характеризует варианты с точки зрения их близости
показанапоказанаВ табл.•граница, принятымВ табл.•граница, принятым^ варианта1$0 (базовый)338,08,01523239,30,5481572437,82,8281921038,07,411176^ варианта1$0 (базовый)338,08,01523239,30,5481572437,82,8281921038,07,41117611.2. Значения управляемых параметров некоторых вариантов шпиндельного узла, мм11.2. Значения управляемых параметров некоторых вариантов шпиндельного узла, ммсоответствующая критериальнымсоответствующая критериальнымограничениям (11.19). Таким образом, слева от границы расположена область допустимых решений. В данном случае в этой области находятся лишь два решения — варианты 10 и 24 (эти номера имеются слева от границы у всех пяти критериев). При незначительномограничениям (11.19). Таким образом, слева от границы расположена область допустимых решений. В данном случае в этой области находятся лишь два решения — варианты 10 и 24 (эти номера имеются слева от границы у всех пяти критериев). При незначительномк наилучшему результату по каждому из критериев.
показана
показана
В табл.
•граница, принятым
В табл.
•граница, принятым
^ варианта
1$
0 (базовый)
33
8,0
8,0
152
32
39,3
0,5
48
157
24
37,8
2,8
28
192
10
38,0
7,4
11
176
^ варианта
1$
0 (базовый)
33
8,0
8,0
152
32
39,3
0,5
48
157
24
37,8
2,8
28
192
10
38,0
7,4
11
176
11.2. Значения управляемых параметров некоторых вариантов шпиндельного узла, мм
11.2. Значения управляемых параметров некоторых вариантов шпиндельного узла, мм
соответствующая критериальным
соответствующая критериальным
ограничениям (11.19). Таким образом, слева от границы расположена область допустимых решений. В данном случае в этой области находятся лишь два решения — варианты 10 и 24 (эти номера имеются слева от границы у всех пяти критериев). При незначительном
ограничениям (11.19). Таким образом, слева от границы расположена область допустимых решений. В данном случае в этой области находятся лишь два решения — варианты 10 и 24 (эти номера имеются слева от границы у всех пяти критериев). При незначительном
увеличении допуска на введенное ранее критериальное ограничение у3 (Хо) в область допустимых можно включить также решение 32. Это решение является лучшим по трем критериям ^, у2 и у5, а по критерию у4 в 2 раза превосходит базовый вариант. Решение 24 лишь по критерию уд лучше 32, а решение 10 почти по всем критериям уступает 32 и 24.
В табл. 11.2 приведены значения управляемых параметров для вариантов 10, 24 и 32, а также параметры Хо базового варианта шпиндельного узла. Для всех вариантов имеет место тенденция к уменьшению размера /п и увеличению размера 13.
Сближение подшипников в передней опоре увеличивает ее жесткость, а увеличение /3 повышает защемляющий эффект задней опоры, что в совокупности с увеличением диаметра межопорной части шпинделя улучшает значение ряда критериев. Особенно это
от®бсится к варианту 32, и он может быть признан оптимальным по комплексу критериев.
Однако окончательное решение принимает конструктор с учетом дополнительной информации о качестве вариантов. Как видно из рассмотренного примера, анализ таблицы испытаний действительно позволяет исследовать комплекс частных критериев и выбрать оптимальный вариант решения, а знание значений управляемых параметров для каждого варианта — получить содержательное представление о параметрической эволюции конструкции в процессе оптимизации.
ГЛАВА 12
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИВОДА
ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ СТАНКА
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Приводы металлорежущих станков предназначены для осуществления рабочих, вспомогательных и установочных перемещений инструментов и заготовки. Их делят на привода главного движения — скорости резания и приводы подач —• координатных перемещений и вспомогательных перемещений. К каждому виду привода, с учетом служебного назначения станка, предъявляют свои специфические требования по передаче силы, обеспечению постоянства скорости, ее изменения и настройки, точности перемещения и погрешности позиционирования узла, быстродействию, надежности, стоимости, габаритным размерам.
В связи с развитием числового управления станками каждое движение чаще всего осуществляется от своего отдельного источника— электрического или гидравлического двигателей различных типов, обладающих своими особенностями, определяющими области рационального применения.
При разработке приводов станков следует учитывать, что имеющиеся системы электро- и гидроприводов позволяют решить многие задачи, связанные с регулированием и изменением скорости и направления движения, которые раньше решали лишь с помощью механических устройств. В итоге существенно упрощается механическая часть привода, укорачиваются кинематические цепи, что способствует повышению жесткости привода и точности перемещения, упрощается автоматическое дистанционное управление приводом, расширяются возможности унификации приводов и выполнения их в виде отдельных агрегатов (модулей). Общий вид токарного станка с унифицированными приводами представлен на рис. 12.1. Существует тенденция применения в станках модульного комлект- ного электрооборудования для осуществления всех движений, что существенно упрощает автоматизацию станков, их стыковку с системами числового управления.
Важнейшими исходными данными для проектирования привода главного движения являются диапазон регулирования частоты вращения Rn и мощность Р, передаваемая приводом. Эти технические характеристики зависят от служебного назначения станка, их определяют на основе анализа технологических процессов обработки множества деталей и соответствующей номенклатуры режущего инструмента, оговоренных техническим заданием на проектирование.
При этом
Rn — ^max/^mln-
(12.1)(12.1)Для приводов с главным вращательным движением птах и ит1п —■
(12.1)
(12.1)
максимальная и минимальная частотымаксимальная и минимальная частотыРис. 12.1. Унифицированные приводы токарного стайка:Рис. 12.1. Унифицированные приводы токарного стайка:1 — главный привод; 2 — привод продольной подачи: 3 — привод поперечной подачи; 4 — привод поворотного резцедержателя1 — главный привод; 2 — привод продольной подачи: 3 — привод поперечной подачи; 4 — привод поворотного резцедержателявращения шпинделя, опреде- ляемые по предельным (максимальным и минимальным) для всех операций скоростям резания итах и ит1п и предельным для них же размерам обработки Dmax и Z)mln:
максимальная и минимальная частоты
максимальная и минимальная частоты
Рис. 12.1. Унифицированные приводы токарного стайка:
Рис. 12.1. Унифицированные приводы токарного стайка:
1 — главный привод; 2 — привод продольной подачи: 3 — привод поперечной подачи; 4 — привод поворотного резцедержателя
1 — главный привод; 2 — привод продольной подачи: 3 — привод поперечной подачи; 4 — привод поворотного резцедержателя
„1000t'max .
nDmin ’
lOOOumin /in o\ ^mln —n • • (12-2)
При назначении диапазона регулирования и мощности привода необходимо учитывать, что увеличение их значений усложняет и удорожает привод, а занижение приводит к уменьшению производительности из-за невозможности применения экономически выгод
ных режимов обработки для всей требующейся совокупности операций.
Выбор Rn и Р целесообразно проводить на основе производственных статистических данных по использованию станков соответствующего типа и размера на различных скоростях резания и при различных мощностях. При этом должна быть учтена возможность обработки деталей с предельными размерами, а следовательно, и с предельными характеристиками на соседних по размерам станках в. ряду станков данного типа. В качестве примера на рис. 12 2 приведены графики распределения мощности и частот вращения шпинделя для станков определенного размера. Наличие подобных графиков позволяет провести оптимизацию величин Rn и Р по крите
рию минимума приведенных затрат.
Так как технологическая производительность пропорциональна скорости резания, и, следовательно, частоте вращения, то относительная потеря производительности при ограничении частоты вра^ 192
-щения некоторой величиной пшах будет пропорциональна площади, ограниченной кривой распределения (на рис. 12.2, б заштрихована). При увеличении Rn, т. е. увеличении пшах, относительная потеря производительности уменьшается, а следовательно, эффективность станка увеличивается, приведенные затраты на обработку снижаются. Однако это снижение возможно лишь до определенных пределов, так как при возрастании Rn неизбежно увеличивается стоимость привода за счет усложнения конструкции. Аналогичные рассуждения можно провести и при выборе мощности привода. Действительно, с увеличением мощности возрастает общая стоимость и станка, и его эксплуатации, однако уменьшается потеря производительности от недоиспользования режимов резания. Эти противоположные тенденции предопределяют наличие некоторого значения номинальной мощности привода, обеспечивающей минимум приведенных затрат.
Рис, 12.2. Распределение вероятности использования станка: а — по мощности; б — по частоте
^вращения
Такой метод выбора предельных характеристик неприменим в том случае, если необходимо обеспечивать на станке выполнение конкретных технологических операций с конкретными, хотя и редко применяемыми режимами, например, нарезание резьбы на токарновинторезных станках, обработка деталей из труднообрабатываемых материалов или легких сплавов и т. д. При конструировании необходимо также учитывать тенденцию, связанную с применением новых эффективных инструментальных материалов, что требует увеличения диапазона регулирования и повышения мощности.
Для обеспечения процессов резания с учетом потерь в приводе мощность двигателя в станке еледует определять по формуле
РД = Р3^РТ = Р3^-Р1 + Р2,(12.3)
где Рэ —эффективная мощность резания; Рт = Рх + Р2 —мощность, расходуемая на преодоление вредных сопротивлений, причем Pi —■ постоянные, не зависящие от нагрузки потери холостого хода; Р2 — дополнительные потери, появляющиеся при передаче полезной мощности.
Эффективную мощность резания определяют в соответствии с режимами обработки:
Рэ 6010s ’(12.4)
где Рг —тангенциальная составляющая силы резания, Н; и— скорость резания, м/мин.
1931937 П/р В. Э. Пуша
193
193
У п — сумма частот вращенияУ п — сумма частот вращенияРис.. 12.3. Экспериментальные значения КПД привода станка в зависимости от нагрузки и частот вращения шпинделя и приводного вала:—частота вращения приводного вала 830 мин"1; 1480 мии“Ч1600 мин-1Рис.. 12.3. Экспериментальные значения КПД привода станка в зависимости от нагрузки и частот вращения шпинделя и приводного вала:—частота вращения приводного вала 830 мин"1; 1480 мии“Ч1600 мин-1Мощность холостого хода существенно увеличивается с увеличением скорости и может составлять значительную долю об-Мощность холостого хода существенно увеличивается с увеличением скорости и может составлять значительную долю об-щей мощности станках:^пНУщей мощности станках:^пНУв скоростныхв скоростных1 "Д"^) ^2,(12.5)1 "Д"^) ^2,(12.5)где d — средний диаметр шеек под подшипник всех промежуточных валов коробки скоростей, мм; d0 —диаметр шеек шпинделя, ммгде d — средний диаметр шеек под подшипник всех промежуточных валов коробки скоростей, мм; d0 —диаметр шеек шпинделя, ммвсех промежуточных валов, мин-1; Ло —частота вращения шпинделя; kv = 1,54-2,0 —коэффициент, учитывающий повышенные за счет предварительного натяга потери в шпиндельном узле; к2 = 34-5 — коэффициент, учитывающий со-всех промежуточных валов, мин-1; Ло —частота вращения шпинделя; kv = 1,54-2,0 —коэффициент, учитывающий повышенные за счет предварительного натяга потери в шпиндельном узле; к2 = 34-5 — коэффициент, учитывающий со-вершенство системы смазывания.Дополнительные потери составляют обычно не более 10—15 % всей потребляемой мощности, что позволяет не учитывать их при приближенных расчетах.вершенство системы смазывания.Дополнительные потери составляют обычно не более 10—15 % всей потребляемой мощности, что позволяет не учитывать их при приближенных расчетах.Мощность двигателя может быть выбрана, КПД привода трМощность двигателя может быть выбрана, КПД привода тресли известен общийесли известен общийв свою очередь,в свою очередь,д ~ Ц ’д ~ Ц ’(12-6)(12-6)<4П = Пт)/,<4П = Пт)/,(12.7)(12.7)
У п — сумма частот вращения
У п — сумма частот вращения
Рис.. 12.3. Экспериментальные значения КПД привода станка в зависимости от нагрузки и частот вращения шпинделя и приводного вала:
—частота вращения приводного вала 830 мин"1; 1480 мии“Ч
1600 мин-1
Рис.. 12.3. Экспериментальные значения КПД привода станка в зависимости от нагрузки и частот вращения шпинделя и приводного вала:
—частота вращения приводного вала 830 мин"1; 1480 мии“Ч
1600 мин-1
Мощность холостого хода существенно увеличивается с увеличением скорости и может составлять значительную долю об-
Мощность холостого хода существенно увеличивается с увеличением скорости и может составлять значительную долю об-
щей мощности станках:
^пНУ
щей мощности станках:
^пНУ
в скоростных
в скоростных
1 "Д"^) ^2,(12.5)
1 "Д"^) ^2,(12.5)
где d — средний диаметр шеек под подшипник всех промежуточных валов коробки скоростей, мм; d0 —диаметр шеек шпинделя, мм
где d — средний диаметр шеек под подшипник всех промежуточных валов коробки скоростей, мм; d0 —диаметр шеек шпинделя, мм
всех промежуточных валов, мин-1; Ло —частота вращения шпинделя; kv = 1,54-2,0 —коэффициент, учитывающий повышенные за счет предварительного натяга потери в шпиндельном узле; к2 = 34-5 — коэффициент, учитывающий со-
всех промежуточных валов, мин-1; Ло —частота вращения шпинделя; kv = 1,54-2,0 —коэффициент, учитывающий повышенные за счет предварительного натяга потери в шпиндельном узле; к2 = 34-5 — коэффициент, учитывающий со-
вершенство системы смазывания.
Дополнительные потери составляют обычно не более 10—15 % всей потребляемой мощности, что позволяет не учитывать их при приближенных расчетах.
вершенство системы смазывания.
Дополнительные потери составляют обычно не более 10—15 % всей потребляемой мощности, что позволяет не учитывать их при приближенных расчетах.
Мощность двигателя может быть выбрана, КПД привода тр
Мощность двигателя может быть выбрана, КПД привода тр
если известен общий
если известен общий
в свою очередь,
в свою очередь,
д ~ Ц ’
д ~ Ц ’
(12-6)
(12-6)
<4
П = Пт)/,
<4
П = Пт)/,
(12.7)
(12.7)
где Ц; — КПД конкретных передач или опор; ct; — число однотипных передач или опор с одинаковым КПД.
Для приводов главного движения обычно т] = 0,754-0,85, однако он не является постоянной величиной и зависит от многих факторов: нагрузки, скорости, качества изготовления и сборки, совершенства системы смазывания и т. д. (рис. 12.3).
Расчет мощности двигателя по формуле (12.6) возможен только при передаче полной мощности; ориентировочная оценка КПД может привести к существенным ошибкам при определении мощности двигателя, особенно для быстроходных станков. В этих случаях целесообразно определять ее либо экспериментально, либо с учетом статистических данных по использованию аналогичных станков.
194
В станках, в которых режим нагрузки изменяется и носит повторно-кратковременный характер (сверлильные, токарно-револьверные), можно допускать значительную перегрузку электродвигателя. Исходя из этого, номинальная мощность электродвигателя может быть принята равной эффективной мощности на шпинделе
станка.
При обработке на станке деталей различных размеров величины Fz и и в первом приближении остаются постоянными, переход на чи
стовые режимы обработки приводит к уменьшению F2, но к возрастанию и, кроме того, при этом увеличиваются потери на трение. Поэтому желательно (хотя и не всегда возможно), чтобы в приводах главного движения обеспечивалось постоянство передаваемой мощности по всему диапазону Rn (рис. 12.4).
В этом случае крутящий момент в приводе VHKp, определяющий размеры всех элементов привода, будет наибольшим при п = nmln, что приводит к увеличению габа
Рис. 12.4. Изменение мощности Р и крутящего момента Л4кр при различных частотах вращения шпинделяРис. 12.4. Изменение мощности Р и крутящего момента Л4кр при различных частотах вращения шпинделяритных размеров и стоимости
Рис. 12.4. Изменение мощности Р и крутящего момента Л4кр при различных частотах вращения шпинделя
Рис. 12.4. Изменение мощности Р и крутящего момента Л4кр при различных частотах вращения шпинделя
привода. Однако большое число статистических данных по обследованию фактической загрузки станков общего назначения показывает, что в нижней четверти или даже трети диапазона регулирования полная мощность не используется. Поэтому для станков общего назначения целесообразно применять привод с комбинированным регулирова- нием, если до условной расчетной частоты Пр = пт1п*|/ Rn — ПттV Rn обеспечивается регулирование с постоянным моментом в диапазоне RM, а выше — регулирование с постоянной мощностью в диапазоне RP. Значение максимального крутящего момента, по которому ведут силовой расчет привода, существенно уменьшается. Более точно величина пр, до которой используется полная мощность привода, может быть найдена на основе анализа технологических процессов обработки на проектируемом станке.
ПРИВОД СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТЕЙ
С учетом необходимости получения оптимальных по режимам резания скоростей для различных диаметров обработки привод должен обеспечивать любую частоту вращения шпинделя п = = -^^ . в пределах выбранного диапазона регулирования Rn, т. е. требуется бесступенчатое регулирование частоты его вращения.
7*195
Однако существующие способы бесступенчатого регулирования отличаются повышенной стоимостью, а при использовании механических вариантов — низкой надежностью и повышенными потерями.
Поэтому в настоящее время в станках, особенно общего назначения и без числового управления, пока еще широко применяют при-
1876 г.,1876 г.,воды со ступенчатым регулированием с асинхронными нерегулируемыми электродвигателями. Основные их достоинства — небольшая стоимость, высокий КПД, компактность, жесткость харак-
1876 г.,
1876 г.,
теристики,теристики,возможностьвозможностьполучения постоянства мощ-
теристики,
теристики,
возможность
возможность
ности наности навсем диапазоневсем диапазонерегулирования. При этом промежуточные значения частот вращения выбирают, как правило, по закону геометрической прогрессии. Целесообразность применения геометрического ряда ч'астот вращения была обоснована акад. А. В. Гадолиным в исходя из обеспечения постоянства потери экономически
ности на
ности на
всем диапазоне
всем диапазоне
выгодной скорости для всех интервалов ряда, что обеспечивает постоянство потери технологической производительности при прочих равных условиях обработки.
В координатах и и D (рис. 12.5) геометрический ряд с частотами
Л1 — ^Ш1П>
^2 = ^mln> и3 = ад = ад2,
Пк = «А-1Ф = ^ф6-1,
Л2 = /71фг 1 = И1Пах,
(12-8)(12-8)где г — число ступеней скорости, а ф = const — знаменатель ряда частот вращения, представляется в виде совокупности прямых линий
(12-8)
(12-8)
ЛПь гх
" 1000 проходящих через начало координат.
Следовательно, при обработке заготовки размером Do может возникнуть потеря экономически выгодной скорости Ди, которая будет наибольшей, если выбранная скорость и -> и^ не может быть превышена исходя из условий резания (например, по условию обеспечения требуемой стойкости инструмента). При этом Дишах = vft+1 — 196
— «к, а наибольшая относительная потеря скорости и пропорциональная ей потеря производительности
^£-=1^=1= 1 — — = const. (12.9)
уА+1уА+1йА+1Ф
Для геометрического ряда частот вращения число ступеней г скорости может быть определено из соотношения
Rn = ^- = ^ = ^-x-(12.10)
"min п\
Отсюда
= >1+^-(12П)
Вычисленную по этой формуле величину г округляют до целого, не всегда ближайшего числа, что приводит к некоторому изменению действительного диапазона регулирования Rn. Геометрический ряд частот вращения шпинделя обладает и структурными преимуществами. Ступенчатое регулирование целесообразно осуществлять последовательно включенными группами зубчатых передач в виде
ф
е2
Дутах
%
1,06
40
12
5
1,12
20
6
10
1,26
10
3
20
1,41
20/3
2
30
1,58
5
3/2
40
1,78
4
6/5
45
2
20/6
1
50
12.1. Стандартные значения знаменателя геометрического ряда прн заданных значениях числа членов ряда12.1. Стандартные значения знаменателя геометрического ряда прн заданных значениях числа членов рядадвойных и тройных блоков; при этом из закономерных рядов частот вращения шпинделя можно осуществить только геометрический ряд.
12.1. Стандартные значения знаменателя геометрического ряда прн заданных значениях числа членов ряда
12.1. Стандартные значения знаменателя геометрического ряда прн заданных значениях числа членов ряда
• В станкостроении все значения знаменателя ф, как и сами ряды частот вращения, стандартизованы. При установлении значений ср, которые лежаг в пределах 1 < > ср < 2, учитывали стандартные десятичные ряды предпочтитель- £, —
ных чисел, т. е. ф = у 10, где Ех — целое число членов ряда
в десятичном интервале, равное
40, 20, 10, 5, 4. Кроме того, для возможности применения двухскоростных электродвигателей с отношением синхронных частот вращения, равным 2, необходимо выдерживать принцип удвоения частот в ряду, т. е. ф = »3/ 2, где £2 — целое число. Тогда, если в ряду частот есть член пх, то будет также член пу = 2иж = nx^Et, т. е. Ег — число членов ряда в двоичном интервале.
Стандартные значения знаменателя ряда приведены в табл. 12.1, там же указаны величины потерь экономически выгодной скорости. Малые значения знаменателя ряда приводят к существенному усложнению привода, что экономически оправдывает применение систем бесступенчатого регулирования, поэтому ф = 1,06 в станках практически не применяют; ф = 1,12 применяют преимущественно в станках с числовым управлением и в тяжелых станках, где требуется более точная настройка на заданный режим. Наибольшее распро-
странение получили значения ф = 1,25 и ф = 1,4; ф — 1,58 и ф = = 1,8 применяют в специализированных станках, где велико вспомогательное время и поэтому точное установление скорости не обязательно; ф = 2 практически не применяют, так как потеря производительности в этом случае достигает 50 %.
Для того чтобы кинематическая цепь привода шпинделя обеспечивала геометрический ряд частот вращения в расчетном диапазоне
Ро=3 р,-2 рг-2 рд-Зр^-Zp^-ZРо=3 р,-2 рг-2 рд-Зр^-Zp^-ZРис. 12.6. Привод главного движения при ступенчатом регулировании частот врашевия:Рис. 12.6. Привод главного движения при ступенчатом регулировании частот врашевия:рг=3ра=2 р,=2 р^З р,=г р0=1рг=3ра=2 р,=2 р^З р,=г р0=1
Ро=3 р,-2 рг-2 рд-Зр^-Zp^-Z
Ро=3 р,-2 рг-2 рд-Зр^-Zp^-Z
Рис. 12.6. Привод главного движения при ступенчатом регулировании частот врашевия:
Рис. 12.6. Привод главного движения при ступенчатом регулировании частот врашевия:
рг=3ра=2 р,=2 р^З р,=г р0=1
рг=3ра=2 р,=2 р^З р,=г р0=1
а — кинематическая схема; б — варианты структурных сеток; в — график частот вращения
Rnc выбранным ф при последовательно включенных между смежными валами групповых передачах (рис. 12, 6), необходимо выполнение ряда закономерностей.
Обш,ее число ступеней скорости
т
2 = РаРь-.-р1 = ПР)и(12.12)
где pk— число отдельных передач в каждой группе; т — число групп передач.
Общий диапазон регулирования
т
П ЧрДтах т
=П%,(12.13)
п l(,i)n,„1
где /щах, бшп — соответственно наибольшее и наименьшее передаточное отношение привода; i^p^max, i^p^mm — соответственно наибольшее и наименьшее передаточное отношение в й-й группе передач; Rn = <(р<) max//(PJ6) ты — диапазон регулирования к-й группы.
Передаточные отношения передач в любой группе должны строиться по закону геометрической прогрессии со знаменателем
Фй = ^й-1Ф = фЧ(12.14)
а именно
ii:i2:...: i^ = 1: <рЖк" <р2Жк:.. .ф^-1)-^,(12.15)
где Rh_i — диапазон регулирования совокупности передач, кинематически включаемых ранее данной группы; xh — характеристика группы, определяющая ряд передаточных отношений, т. е. порядок ее кинематического включения.
Диапазон регулирования группы
Rh = ^ph-YVk.(12.16)
В порядке кинематического включения различают основную группу передач с числом отдельных передач р0, которая обеспечивает начальный ряд частот вращения со знаменателем ф0 = ф. Для нее характеристика xh = х0 = 1, ряд передаточных отношений ix : t2 : : i3 : ... = 1 : Ф : Ф2 : ..., а диапазон регулирования Ro = ф<р»_^. Множительные (переборные) группы служат для расширения (размножения) начального ряда частот до требуемого диапазона Rn и числа ступеней г.
Первая переборная группа с числом передач рй имеет характеристику хх = ро при ф! = 7?оф =ф<Р;Н)ф = фРо и обеспечивает ряд передаточных отношений ц : Ц : i3 : ... = 1 : фР° : ф2₽« : .... Диапазон ее регулирования Rx = ф/р*-'’ = фРоЩг-о.
Вторая переборная группа с числом передач р2 имеет характеристику х2 = PoPi и знаменатель ряда передаточных отношений ф2 = = 7?о*^1Ф = ФРоР1, обеспечивая ряд передаточных отношений ix : i2 : z3 : ... = 1 : фРоР*: фр»р< : ...; диапазон ее регулирования R^ = ф(Р2 Р = фРоР1 (Ра—1).
Различные варианты привода для данного числа г, учитывающие порядок конструктивного расположения и кинематического включения групп, удобно характеризовать формулой структуры привода. Она получается, если в формуле (12.12) записать группы Rh в порядке их конструктивного расположения, а индексы ставить в соответствии с порядком их кинематического включения.
Для облегчения кинематического расчета привода применяют графоаналитический метод, основанный на последовательном построении двух графиков: графика структуры (структурная сетка) и графика частот вращения. Графики строят в логарифмических координатах с расстоянием (интервалом) между соседними горизонталями, соответствующими определенным частотам ряда п, равным lg Ч+г — lg nh = 1g qp = const.(12.17)
При этом все передаточные отношения и диапазоны регулирования в приводе, которые представляют собой целые степени знаменателя ф, определяются соответствующим количеством этих интервалов.
Последовательно расположенные валы привода условно изображают вертикальными линиями; лучи, соединяющие точки пересечения на вертикалях, соответствуют передаточным отношениям отдельных передач между соответствующими валами; число лучей, выходящих из одной точки — числу отдельных передач между валами, число точек на линии вала — числу различных ступеней скорости на нем.
Структурную сетку строят в соответствии с выбранной формулой структуры привода и учитывают только валы групповых передач. В ней находит отражение относительная связь между передаточными отношениями в группах в соответствии с условием (12.15), поэтому лучи для каждой группы проводят симметрично, а количество интервалов между их концами численно равно характеристике группы, определяемой в соответствии с формулой структуры. На рис. 12.6, б приведены теоретически возможные структурные сетки для привода, изображенного на рис. 12.6, а в соответствии с конструктивным вариантом г = 3-2-2. Под каждым вариантом записана формула структуры, а над каждым полем, отведенным для соответствующей групповой ‘передачи, записаны число передач и характеристика группы.
(ml)2<7! ’(ml)2<7! ’Общее число структурных вариантов для определенной конструктивной схемы равно числу перестановок из т групп, т. е. ml, но для заданного числа групп т можно построить -^- различных конструктивных вариантов, где q — число групп с одинаковым числом передач. Следовательно, общее число вариантов структур для привода, содержащего т групп, равно
(ml)2
<7! ’
(ml)2
<7! ’
(12.18)
т. е. для привода с г = 12, где т = 3, a q = 2, общее число вариантов равно 18.
График частот вращения (рис. 12.6, в) строят в соответствии с разработанной с учетом служебного назначения станка кинематической схемой. Он отражает частоты вращения всех валов привода, включая валы одиночных передач, необходимых для его компоновки. Построение начинают с цепи редукции i^, обеспечивающей сниже- 200
ние частоты вращения электродвигателя пэ Д° «i = nmm на шпинделе. Для дальнейшего построения используют структурную сетку. Передаточное отношение передачи определяется выражением ф6, где к, учитывая логарифмический характер графика, — число интервалов между горизонталями, перекрытых лучами, соединяющими отметки частот вращения на соседних валах. Для повышающей передачи к > 0, для понижающей к < 0, для передачи с i = = 1^ = 0. При проведении лучей учитывают ограничения по предельно допустимым значениям передаточных отношений для зубчатых передач. Для прямозубых передач в приводе главного движения обычно принимают
(12.19)
1^*2.(12.20)
Эти условия ограничивают допустимый диапазон регулирования групповой передачи, который с учетом соотношения (12.16) можно записать в виде
=(12.21)
. ‘mln
Последнее соотношение позволяет уже на стадии построения структурных сеток отбросить ряд непригодных вариантов. При выборе структуры и при построении графиков частот вращения следует учитывать, что размеры валов и модули зубчатых колес связаны с частотой вращения следующими зависимостями:
где Cj и С2 — соответствующие постоянные. .
Поэтому для уменьшения габаритных размеров и массы привода желательно, чтобы большее число его элементов работало в области более высоких частот вращения. Этому соответствуют приводы, у которых число передач в группах уменьшается, а характеристика увеличивается вдоль цепи передач от электродвигателя к шпинделю. Кроме того, рекомендуется цепь редукции imln строить так, чтобы выполнялось условие
t'(pa)min l"(p^)min l"(pc)min ^ • • •(12.22)
Для уменьшения радиальных размеров передач, которые определяют размеры корпусных деталей привода, лучшим вариантом будет тот, у которого для каждой группы выдерживается соотношение imax/i'min = 1- Для уменьшения числа валов в приводе и зубчатых колес следует уменьшать число групп передач, которое получится минимальным, если
R=Rb=Rc = ... = Rh = 1-^1.(12.23)
I ‘mln I
При выборе варианта привода необходимо учитывать также его КПД, возникающие при переходных процессах динамические на-
грузки, определяемые значением приведенного момента инерции вращающихся масс и длиной кинематических цепей. Во многих случаях это вынуждает прибегать к специальным структурам.
ПРИВОД С БЕССТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ
Основные достоинства приводов с бесступенчатым регулированием — повышение производительности обработки за счет точной настройки оптимальной по режимам резания скорости, возможность плавного изменения скорости во время работы, простота автоматизации процесса переключения скоростей. Для бесступенчатого изменения скорости применяют иногда фрикционные вариаторы, чаще — регулируемые двигатели. Принцип действия фрикционного вариатора поясним на примере простейшей лобовой передачи. При смещении ролика вдоль образующей диска изменяется величина радиуса, что позволяет изменять передаточное отношение. Однако при передаче вращения в вариаторе неизбежно возникает проскальзывание, так как только в одной точке скорость на поверхности диска совпадает со скоростью на поверхности ролика. Вверх от этой точки скорости на диске выше, чем на ролике, а вниз — ниже. Наличие проскальзывания приводит к изменению передаточного отношения вариатора и к его изнашиванию.
Величина проскальзывания зависит от типа вариатора и увеличивается с увеличением передаточного отношения, поэтому для большинства типов механических вариаторов диапазон бесступенчатого регулирования /?б = 4-4-6. Следует учитывать также, что с увеличением передаваемой мощности уменьшается надежность механических вариаторов, поэтому их применяют только в приводах малых и средних по размерам станков.
Для бесступенчатого регулирования скорости в основном применяют двигатели постоянного тока с тиристорной системой управления. Эти двигатели все шире используют в станках с числовым управлением, большинство многооперационных станков оснащают такими двигателями. При дальнейшем уменьшении стоимости и габаритных размеров двигателей постоянного тока их применение будет расширяться.
В. этих двигателях диапазон регулирования скорости с постоянной мощностью пока лежит в пределах R6 = (Rg)p = 2,5-нб (иногда до 8—10), что не перекрывает всего требуемого диапазона регулирования на шпинделе с постоянной мощностью RP (см. рис. 12.4). Частоты вращения при постоянном моменте (R^M регулируют в очень широком диапазоне. Перспективным является применение бесколлек- торных электродвигателей постоянного тока, что повышает их надежность.
В приводе главного движения применяют и регулируемые за счет изменения частоты тока асинхронные электродвигатели, у которых п = ^- (1 — S), где f — частота тока; р — число пар полю- 202
сов; S — скольжение. Эти двигатели обладают высокой надежностью, жесткой характеристикой и обеспечивают регулирование с постоянной мощностью во всем диапазоне.
Так как диапазон бесступенчатого регулирования 7?0 механических вариаторов или диапазон (R^p регулируемых двигателей значительно меньше требуемого диапазона регулирования частот вращения шпинделя Rn или Rp при системах комбинированного регулирования, между устройством для бесступенчатого регулирования и шпинделем вводят обычно ступенчатую коробку. При этом должно выполняться условие
Rn = R6RK, (12.24)
где RH — диапазон регулирования коробки скоростей, т. е. коробку скоростей можно рассматривать как переборную группу, расширяющую диапазон регулирования привода, и в соответствии с условием (12.14) можно записать
Фн = #к-1ф = ЯбФ-(12.25)
С учетом того, что при бесступенчатом регулировании ф -> 1, необходимо, чтобы <рк = R6; следовательно, на основании (12.10)
RK = R^~V);(12.26)
окончательно
Rn —Rek,(12.27)
что позволяет определить число ступеней коробки скоростей
^^чЫг или lgf^p •(12.28)
Вследствие переменного скольжения в электродвигателях, механических вариаторах, ременных передачах фактический диапазон регулирования бесступенчатого устройства может оказаться меньше Re, поэтому во избежание разрыва бесступенчатого ряда оборотов на шпинделе принимают обычно фк = (0,94н-0,97) R6.
Если коробка скоростей выполнена в виде одной группы передач, то, учитывая ограничение (12.21), для привода без перекрытия при zK = 2 можно обеспечить диапазон регулирования Rn = Re, если Re с 8; при zK = 3 Rn = Re, если R6 с VH = 2,8 (если R6 > > 2,8, то в приводе получается перекрытие скоростей и Rn = 87?б).
Привод с zK = 4 = 2Q-2! позволяет получить Rn = Re, если Re < 2,8 (при R6 >2,8 получается перекрытие и Rn = 87?б)-
При вычислении zK по формуле (12.28) и округлении его значения в большую сторону перекрытие скоростей получается автоматически. В качестве примера на рис. 12.7 изображены кинематическая схема, график частот вращения и диаграмма мощности привода с zK = 3 при
RnRn24006024006040; RP40; RP24001602400160= 15; 7?о = (Яд)р= 15; 7?о = (Яд)р30001000 ~30001000 ~
Rn
Rn
2400
60
2400
60
40; RP
40; RP
2400
160
2400
160
= 15; 7?о = (Яд)р
= 15; 7?о = (Яд)р
3000
1000 ~
3000
1000 ~
В приводе получается перекрытие скоростей, так как zK ==
л л г*(»х е)р
= 2,45 округлено в большую сторону до гк = 3.
В многооперационных станках с числовым управлением иногда сокращают число ступеней скорости, округляя zK в меньшую сторону, что приводит к небольшому разрыву в средней части диапазона
Рис. 12.7. Привод главного движения станка с регулируемым двигателем: а — кинематическая схема; б — график частот вращения; в — диаграмма мощности
Рис. 12.8. Привод главного движения станка с регулируемым двигателем при уменьшенном числе передач в коробке (zh = 2): о — график частот вращения; б — диаграмма мощности
регулирования. Если применен двигатель постоянного тока с двухзонным регулированием, то в этом интервале возможно регулирование частоты при постоянном моменте. На рис. 12.8 приведены график частот вращения и диаграмма мощности привода, построенного для предыдущего примера при zK = 2. Такой прием упрощает меха- 204
рис. 12.9. График частот вращения привода главного движения многооперационного станканическую часть привода, однако он возможен, если технологические операции, осуществляемые в средней части диапазона, не требуют полной мощности, либо их возможно осуществить на заниженных режимах обработки без существенного снижения производительности.Следует учитывать, что в станках с числовым управлением при применении двигателей постоянного тока регулирование скоростей часто ведется не бесступенчато, а ступенчато с малым ф (обычно Ф = 1,12, реже ф = 1,06). В этом случае упрощается управление приводом, а потеря экономически выгодной скорости незначительна. Широко применяют структуры с перебором, позволяющие расширить общий диапазон регулирования и получить другие преимущества, свой-рис. 12.9. График частот вращения привода главного движения многооперационного станканическую часть привода, однако он возможен, если технологические операции, осуществляемые в средней части диапазона, не требуют полной мощности, либо их возможно осуществить на заниженных режимах обработки без существенного снижения производительности.Следует учитывать, что в станках с числовым управлением при применении двигателей постоянного тока регулирование скоростей часто ведется не бесступенчато, а ступенчато с малым ф (обычно Ф = 1,12, реже ф = 1,06). В этом случае упрощается управление приводом, а потеря экономически выгодной скорости незначительна. Широко применяют структуры с перебором, позволяющие расширить общий диапазон регулирования и получить другие преимущества, свой-зооозоооXX3150-А 280(73150-А 280(7AXXXXXXXXVtl axxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv AXXXXXXXXXXV^SM AXXXXXXXXXVXVxXle* AXXXXXXXXXVXXVxXw» AXXXXXXXXXWXWxxWAXXXXXXXXVtl axxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv AXXXXXXXXXXV^SM AXXXXXXXXXVXVxXle* AXXXXXXXXXVXXVxXw» AXXXXXXXXXWXWxxWX\XXXXXX\X\\Vx<<XXX \X\XXXXX\X\~CC<<%xV \\\\\\\\\\\V^<<xxV^ \X\V\XXX\XV\VXVXXXV. \xxxxxxxxx\x\xxxxxv. xxxwwxxxvxxxxxxxv. \xxxx\x\xx\x^xk^wx,|. kXXXXXWXXXXXXXXXXX'. »X\X\X\\XXЛ^XX«W mxxxxxwvxxxxxxxv ■xxxxxwxxxwwx? —LXXXXXXXXXXXXXX'1 M^XXXVXXXXXXXX'. ■MWWXXXXXXV ■■ЫХУХХЬХХХХХ’1. ■■■XXWXXXXXXX'.X\XXXXXX\X\\Vx<<XXX \X\XXXXX\X\~CC<<%xV \\\\\\\\\\\V^<<xxV^ \X\V\XXX\XV\VXVXXXV. \xxxxxxxxx\x\xxxxxv. xxxwwxxxvxxxxxxxv. \xxxx\x\xx\x^xk^wx,|. kXXXXXWXXXXXXXXXXX'. »X\X\X\\XXЛ^XX«W mxxxxxwvxxxxxxxv ■xxxxxwxxxwwx? —LXXXXXXXXXXXXXX'1 M^XXXVXXXXXXXX'. ■MWWXXXXXXV ■■ЫХУХХЬХХХХХ’1. ■■■XXWXXXXXXX'.2500 2240 2000 1800 1600 1400 1250 1120 1000 900 ООО710 >630 >560>500450 -400 •355 >315 -280 •250 ■224 •200 •100•1602500 2240 2000 1800 1600 1400 1250 1120 1000 900 ООО710 >630 >560>500450 -400 •355 >315 -280 •250 ■224 •200 •100•160148 •125 >112 >108>98>00>71 >6?5850 45 40 35,8 31,8 2825 23,£ 20148 •125 >112 >108>98>00>71 >6?5850 45 40 35,8 31,8 2825 23,£ 20ственные этой структуре.На рис. 12.9 изображен график частот вращения привода главного движения многооперационного станка, кинематическая схема которого приведена на рис. 6.16.ственные этой структуре.На рис. 12.9 изображен график частот вращения привода главного движения многооперационного станка, кинематическая схема которого приведена на рис. 6.16.
рис. 12.9. График частот вращения привода главного движения многооперационного станка
ническую часть привода, однако он возможен, если технологические операции, осуществляемые в средней части диапазона, не требуют полной мощности, либо их возможно осуществить на заниженных режимах обработки без существенного снижения производительности.
Следует учитывать, что в станках с числовым управлением при применении двигателей постоянного тока регулирование скоростей часто ведется не бесступенчато, а ступенчато с малым ф (обычно Ф = 1,12, реже ф = 1,06). В этом случае упрощается управление приводом, а потеря экономически выгодной скорости незначительна. Широко применяют структуры с перебором, позволяющие расширить общий диапазон регулирования и получить другие преимущества, свой-
рис. 12.9. График частот вращения привода главного движения многооперационного станка
ническую часть привода, однако он возможен, если технологические операции, осуществляемые в средней части диапазона, не требуют полной мощности, либо их возможно осуществить на заниженных режимах обработки без существенного снижения производительности.
Следует учитывать, что в станках с числовым управлением при применении двигателей постоянного тока регулирование скоростей часто ведется не бесступенчато, а ступенчато с малым ф (обычно Ф = 1,12, реже ф = 1,06). В этом случае упрощается управление приводом, а потеря экономически выгодной скорости незначительна. Широко применяют структуры с перебором, позволяющие расширить общий диапазон регулирования и получить другие преимущества, свой-
зооо
зооо
X
X
3150
-А 280(7
3150
-А 280(7
AXXXXXXXXVtl axxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv AXXXXXXXXXXV^SM AXXXXXXXXXVXVxXle* AXXXXXXXXXVXXVxXw» AXXXXXXXXXWXWxxW
AXXXXXXXXVtl axxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv xxxxxxxxxxv AXXXXXXXXXXV^SM AXXXXXXXXXVXVxXle* AXXXXXXXXXVXXVxXw» AXXXXXXXXXWXWxxW
X\XXXXXX\X\\Vx<<XXX \X\XXXXX\X\~CC<<%xV \\\\\\\\\\\V^<<xxV^ \X\V\XXX\XV\VXVXXXV. \xxxxxxxxx\x\xxxxxv. xxxwwxxxvxxxxxxxv. \xxxx\x\xx\x^xk^wx,|. kXXXXXWXXXXXXXXXXX'. »X\X\X\\XXЛ^XX«W mxxxxxwvxxxxxxxv ■xxxxxwxxxwwx? —LXXXXXXXXXXXXXX'1 M^XXXVXXXXXXXX'. ■MWWXXXXXXV ■■ЫХУХХЬХХХХХ’1. ■■■XXWXXXXXXX'.
X\XXXXXX\X\\Vx<<XXX \X\XXXXX\X\~CC<<%xV \\\\\\\\\\\V^<<xxV^ \X\V\XXX\XV\VXVXXXV. \xxxxxxxxx\x\xxxxxv. xxxwwxxxvxxxxxxxv. \xxxx\x\xx\x^xk^wx,|. kXXXXXWXXXXXXXXXXX'. »X\X\X\\XXЛ^XX«W mxxxxxwvxxxxxxxv ■xxxxxwxxxwwx? —LXXXXXXXXXXXXXX'1 M^XXXVXXXXXXXX'. ■MWWXXXXXXV ■■ЫХУХХЬХХХХХ’1. ■■■XXWXXXXXXX'.
2500 2240 2000 1800 1600 1400 1250 1120 1000 900 ООО
710 >630 >560
>500
450 -400 •355 >315 -280 •250 ■224 •200 •100
•160
2500 2240 2000 1800 1600 1400 1250 1120 1000 900 ООО
710 >630 >560
>500
450 -400 •355 >315 -280 •250 ■224 •200 •100
•160
148 •125 >112 >108
>98
>00
>71 >6?
58
50 45 40 35,8 31,8 28
25 23,£ 20
148 •125 >112 >108
>98
>00
>71 >6?
58
50 45 40 35,8 31,8 28
25 23,£ 20
ственные этой структуре.
На рис. 12.9 изображен график частот вращения привода главного движения многооперационного станка, кинематическая схема которого приведена на рис. 6.16.
ственные этой структуре.
На рис. 12.9 изображен график частот вращения привода главного движения многооперационного станка, кинематическая схема которого приведена на рис. 6.16.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
• И РАСЧЕТА ГЛАВНОГО ПРИВОДА
Приводы главного движения различают по виду приводного двигателя, способу переключения частот вращения и компоновке. Совершенствование двигателей постоянного и переменного тока с частным регулированием и систем их регулирования позволит полностью отказаться от механических коробок скоростей, выполнять шпиндельную бабку в виде отдельного унифицированного узла. Уже сейчас созданы электромеханические приводы главного движения в виде модуля с планетарным редуктором на две ступени (рис. 12.10). Другой особенностью новых электроприводов главного движения является дальнейшее развитие безредукторных электроме-
Рис. 12.10. Электромеханический привод главного движения:
1 — планетарный редуктор; 2 — регулируемый двигатель постоянного тока
ханических шпиндельных узлов, в которых ротор электродвигателя насаживают непосредственно на шпиндель станка.
Способ переключения передач определяется назначением станка и в основном зависит от частоты переключения, необходимости его автоматизации и дистанционного управления приводом.
Системы ручного переключения пока еще применяют в универсальных станках общего назначения; основные их достоинства — простота и низкая стоимость. Как правило, применяют однорукояточные селективные (избирательные) системы управления, что способствует удобству управления и снижает время на переключение. При этом нет необходимости проходить через ненужные промежуточные положения зубчатых блоков. Конструкция селективной системы управления фрезерного станка представлена на рис. 6.7, описание ее работы приведено в гл. 6. В универсальных станках применяют и электрогидравлические механизмы преселективного управления. Под преселективным управлением понимают такое управление, при цотором необходимые режимы обработки на следующую операцию можно установить во время работы станка на предыдущей, что сокращает вспомогательное время, связанное с управлением станком.
В автоматических станках переключение скоростей часто осуществляется с помощью электромагнитных фрикционных или зубчатых муфт. Применение электромагнитных фрикционных муфт позволяет переключать скорости в процессе работы станка, однако уменьшает КПД станка, так как все зубчатые передачи находятся в зацеплении и существует повышенное трение в дисках.
Автоматические коробки скоростей с электромуфтами (А КС) выпускают централизованно с 9, 12 и 18 ступенями семи габаритов, рассчитанные на мощности от 1,5 до 55 кВт. Так как электромагнитные муфты нежелательно встраивать в шпиндельные бабки станков, то в станках с числовым управлением в приводах с двигателем постоянного тока применяют зубчатые передачи, переключаемые автоматически с помощью индивидуальных электромеханических (реже гидравлических) приводов. Схемы таких приводов даны на рис. 12.11. Их конструкцию и описание работы см. в гл. 6. В автоматических станках с большим числом механических передач возможны системы
управления, выполненные на базе соответствующих селективных или преселективных систем.
Компоновка привода главного движения определяется общей компоновкой станка, связанной с его служебным назначением и типоразмером, а также связями между отдельными элементами при-
Рис. 12.11. Схемы механизмов переключения передач в станках с ЧПУ: а — с реечной передачей; б — с передачей винт—гайка; в — с гидроцилиндромРис. 12.11. Схемы механизмов переключения передач в станках с ЧПУ: а — с реечной передачей; б — с передачей винт—гайка; в — с гидроцилиндром
Рис. 12.11. Схемы механизмов переключения передач в станках с ЧПУ: а — с реечной передачей; б — с передачей винт—гайка; в — с гидроцилиндром
Рис. 12.11. Схемы механизмов переключения передач в станках с ЧПУ: а — с реечной передачей; б — с передачей винт—гайка; в — с гидроцилиндром
Рис. 12.12. Структурная схема подсистемы «Главный привод»: 1 — техническое задание на проектирование привода; 2 — анализ технического задания, выбор типа привода; 3 — заполнение бланка на поиск типовой кинематической структуры; 4 — поиск типовых решений; 5 — анализ типовых решений; 6 — заполнение бланка иа синтез кинематической структуры; 7 — синтез структуры; 8 — анализ полученных вариантов; 9 — подготовка данных для эскизного проектирования; 10 — эскизное проектирование привода; // — оценка вариантов конструкций; 12 — заполнение бланков для Динамического расчета; 13 — динамический расчет; 14 — анализ результатов динамического расчета; 15 — оформление общего вида узла; 16 — заполнение бланков для комплексного" поверочного расчета и моделирования; 17 — расчет н моделирование; 18 — анализ результатов; 19 — выдача заданий иа деталировку; 20 — «перейти к Другому варианту конструкции»; 21 — «есть ли еще вариант конструкции?»; 22 — «перейти к следующему варианту структуры»; 23 — «есть ли еще вариант структуры?»; 24 — ЭВМ; 25 — графопостроитель; 26 — банк типовых решений; К — операция, выполняемая конструктором; «4-» — удовлетворительное решение»; «—» — неудовлетворительное решение
вода: двигателем, коробкой скоростей и шпиндельной бабкой. При раздельном приводе механическая часть состоит из двух узлов: коробки скоростей (редуктора) и шпиндельной бабки, соединяемых ременной передачей. Иногда в шпиндельную бабку помещают переборную группу. По такому типу конструируют приводы станков с числовым управлением с обычными асинхронными двигателями и АКС. Для удобства надевания ремней применяют консольноерасположе-
ние шкива на конце шпинделя. Для создания более компактного привода применяют компоновки, в которых механическую часть встраивают непосредственно в шпиндельную бабку. Следует учитывать, что в этом случае вибрации, возникающие в коробке скоростей, а также выделяющаяся в ней теплота влияют на положение шпинделя и на точность его вращения.
В соответствии с общей тенденцией по автоматизации проектноконструкторских работ в станкостроении разработана и действует автоматизированная подсистема «Главный привод» (рис. 12.12), входящая в общую САПР. Подсистема предназначена для синтеза кинематической структуры, проектных и проверочных расчетов элементов привода главного движения с электродвигателями переменного и постоянного тока и механической коробкой скоростей. Подсистема создана для работы в режиме диалога между конструктором и ЭВМ, когда выбор всех принципиальных решений, оценку результатов каждого этапа проектирования осуществляет конструктор, выделяющий задания на проведение последующих этапов проектирования или на повторение предыдущих. При наличии в системе соответствующего оборудования можно получить графическое изображение структурной сетки, эскизы развертки и свертки коробки скоростей.
В подсистеме имеется также автоматический справочник, позволяющий накапливать и выдавать по запросу различную техническую информацию (типовые структуры, характеристики комплектующих изделий, необходимые для расчетов).
ГЛАВА 13
ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ СТАНКОВ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Шпиндель, являющийся конечным звеном привода главного движения и предназначенный для крепления инструмента или заготовки, оказывает существенное, часто лимитирующее, влияние на точность, производительность и надежность всего станка. Шпиндельные узлы станков в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями должны обеспечить следующее.
Передачу на заготовку или инструмент расчетных режимов для заданных технологических операций.
Точность вращения, оцениваемую радиальным и осевым биением переднего конца шпинделя; для станков общего назначения в зависимости от класса точности станка должна соответствовать стандартным значениям; для специальных станков точность вращения зависит от требуемой точности обработки:
А с Дд/3,(13.1)
где А — биение шпинделя; Ад — допуск на лимитирующий размер готового изделия.
„ Жесткость (радиальная и осевая), определяемая по деформации шпинделя под нагрузкой; при этом жесткость на переднем конце шпинделя, Н/мкм,
j = Fly,(13.2)
где F — сила, приложенная на переднем конце шпинделя, Н; у — прогиб переднего конца шпинделя, мкм.
Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений станков доходит до 50 %, а в некоторых типах до 85 %. Единых норм для назначения жесткости шпиндельных узлов не существует. Исходя из нормальной работы подшипников, жесткость на участке между опорами ограничивают величиной 250—500 Н/мкм (большие значения—для станков повышенной точности), что лимитирует диаметр шпинделя
d 1/(0,05 4-0,1)/3,(13.3)
где I — расстояние между опорами шпинделя.
Иногда ограничивают приведенной величиной жесткость переднего конца шпинделя станков нормального класса точности.
Возможно также определение жесткости шпинделя, исходя из требований к точности обработки. При этом определяют прогиб у от сил резания и момента привода при соответствующих режимах обработки; он ограничивается допуском на лимитирующий размер детали:
у « Дд/3.(13.4)
Высокие динамические качества (виброустойчивость), которые определяются амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и частотой собственных колебаний. Вибрации, возникающие в шпиндельном узле, отрицательно сказываются на точности и чистоте обработки, стойкости инструмента и производительности станка Желательно, чтобы собственная частота шпинделя была не ниже 500— 600 Гц.
Минимальные тепловыделения и температурные деформации шпиндельного узла, так как они влияют как на точность обработки, так и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена только для станков класса Н (допустимый нагрев на наружном кольце подшипника составляет 70 °C), для станков других классов имеются лишь следующие рекомендации:
Класс точности станка П В А С
Допустимая температура наружного кольца, °C 50—55 40—45 35—40 28—30
Долговечность шпиндельных узлов, которая зависит от долговечности опор шпинделя, которая в свою очередь во многом зависит от эффективности системы смазывания, уплотнений, частоты вращения, величины предварительного натяга в подшипниках качения и т. д. Долговечность шпиндельных узлов не регламентирована, ее определяют по усталости, износу деталей подшипника или потере
смазочных свойств масла. Диаметр шейки шпинделя выбирают по кри* терию жесткости, что обычно обеспечивает долговечность подшипников до Lh = (12ч-20) 103 ч. При применении бесконтактных опор (гидростатических, гидродинамических и аэростатических) долговечность теоретически считают неограниченной.
Быстрое и точное закрепление инструмента или обрабатываемой детали в шпинделе станка; в современных станках требуется автоматизация этой операции.
Минимальные затраты на изготовление, сборку и эксплуатацию шпиндельного узла при удовлетворении всех остальных требований.
§ 2. КОНСТРУКЦИЯ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
13.1. Основные типы концов шпинделей13.1. Основные типы концов шпинделейКонструкция шпиндельного узла зависит от типа и размера станка, класса его точности, предельных параметров процесса обработки (максимальной частоты вращения nmax, эффективной мощности привода). Факторы, определяющие ее, перечислены ниже.
13.1. Основные типы концов шпинделей
13.1. Основные типы концов шпинделей
Конфигурацию переднего конца шпинделя выбирают в зависимости от способа крепления инструмента или заготовки. Так как для их крепления применяют стандартные приспособления, то передние концы шпинделей для большинства типов станков стандартизованы (табл. 13.1). В зависимости от требований к процессу смены инструмента или приспособлений центрование осуществляется конусом Морзе, конусами конусностью 7/24 или 1/3.
Конфигурация внутренних поверхностей определяется наличием отверстия для пруткового материала и конструкцией зажимного устройства,
встраиваемого в шпиндель.
Тип приводного элемента зависит, в первую очередь, от частоты вращения, величины передаваемой силы, требований к плавности
вращения, а также от общей компоновки привода. Зубчатые передачи наиболее просты и компактны, передают большие крутящие моменты, однако из-за погрешностей и передачи возмущений на шпиндель их обычно не применяют в прецизионных станках, а также при высоких частотах вращения. При применении ременной передачи конструкция усложняется, увеличиваются ее размеры, особенно если шкив устанавливают на самостоятельные опоры для разгрузки шпинделя. Однако при этом существенно повышается плавность вращения, уменьшаются динамические нагрузки в приводе станков с прерывистым характером процесса резания.'Приводные шестерни и шкивы должны иметь посадки без зазора (предпочтительно на конические поверхности) и быть расположены ближе к опорам. .
Для привода скоростных лшинделей, например, шлифовальных станков, часто применяют высокочастотные асинхронные электрошпиндели с короткозамкнутым ротором, несущие шлифовальный круг. В станках с исключительно высокими требованиями к шерохо- ; ■ ■ ватости (Rz < 0,05 мкм) для полного исключения передачи возмущений на шпиндель применяют инерционный привод, когда после раз-~ гоиа шпиндель с маховиком отключают от привода и обработку проводят при его свободном выбеге.
Тип опор шпинделя, определяющий форму посадочных мест, выбирают на основании требований по точности обработки и быстроходности, которая определяется скоростным параметром — произведением dn, мм-мни-1, где d— диаметр отверстия под подшипник, мм; п — частота вращения шпинделя, мни-1. Эти значения для разных типов опор приведены в табл. 13.2.
13.2. Точность и быстроходность шпиндельных узлов на разных опорах
Тип опор
Радиальное и осевое биение шпинделя, мкм
Отклонение от круглости обработанного изделия, мкм
Скоростной параметр
О^тах’ мм- мун”1
Качения
1,00
1,0
0—10
Гидродинамические
0,50
0,5
1—10
Гидростатические
0,05
0,2
0—15
Аэростатические
0,10
0,5
5—40
Учитывая эти параметры, а также то, что подшипники качения имеют меньшую стоимость при централизованном изготовлении и просты в эксплуатации, в настоящее время более 95 % станков изготовляют со шпиндельными узлами на подшипниках качения.
Методы смазывания во многом определяют надежность работы шпиндельного узла. Для подшипников качения применяют жидкий либо твердый смазочный материал. Примерные границы применимости различных методов смазывания по параметру (dn)max указаны ниже.j
Смазываниеl^lmax’^ ®~S' мм" мин-1
Погружением 5,5—8
Разбрызгиванием 2,2—3,2
Циркуляционное 4,2—6
Капельное 2,8—4
Масляным туманом.. .5,5—8
Под давлением 7,5—10
(меньшие значения для тяжелых серий подшипников, большие — для особо легких).
Смазывание погружением для шпиндельных узлов практически не применяют. При смазывании разбрызгиванием от шестерен привода масло подается в подшипники либо непосредственно, либо через специальный сборник. Следует учитывать, что в этом случае масло поступает к подшипникам загрязненным продуктами изнашивания шестерен коробки, кроме того, для нормальной работы системы смазывания частота вращения шпинделя не должна быть низкой.
Циркуляционное смазывание обеспечивает необходимый по условиям теплоотвода расход масла через подшипник и охлаждает его. В большинстве случаев система циркуляционного смазывания общая для шпинделя и всей коробки скоростей, раздельные системы смазывания применяют для высокоскоростных шпиндельных узлов.
При капельном методе смазывания подшипники смазываются независимо от других элементов, в них подается ограниченное количество масла (от 1 до 100 г в 1 ч), что .снижает тепловыделение. В этом случае необходимо предотвращать попадание в подшипники смазки из коробки скоростей.
Смазывание методом масляного тумана применяют в высокоскоростных узлах; при этом кроме постоянного и равномерного смазывания осуществляется интенсивное охлаждение подшипника сжатым воздухом, служащим для образования масляного тумана в специальных маслораспылителях. Избыточное давление воздуха в подшипнике препятствует попаданию в него внешних загрязнений.
Проточное смазывание при строгом дозировании применяют при работе "шпиндельного узла в особо напряженных условиях (при высоких частотах вращения). В этом случае масло под давлением с помощью специальных дозаторов периодически впрыскивают через сопла непосредственно в зазор между сепаратором и кольцом подшипника. Тем самым преодолевается воздушный барьер, создаваемый подшипником при высоких частотах вращения.
Твердые смазочные материалы применяют в шпиндельных узлах при относительно низких частотах вращения, особенно они удобны для шпиндельных узлов, работающих в вертикальном или наклонном положении. Следует учитывать, что избыток смазочного материала, закладываемого в подшипник, ведет к повышению температуры в опоре и вытеканию смазочного материала, а недостаточное его количество приводит к быстрому выходу подшипников из строя.
Уплотнения шпиндельных узлов служат для защиты подшипников шпинделя от проникновения в них грязи, пыли и охлаждаемой жидкости, а также препятствуют вытеканию смазочного материала из подшипника. В шпиндельных узлах чаще всего применяют различные бесконтактные лабиринтные уплотнения для уменьшения тепловыделений в узле и исключения изнашивания уплотнений. Для на- 212
дежной их работы необходимо, чтобы радиальные зазоры в них были не более 0,2—0,3 мм.' В шпиндельных узлах, работающих в тяжелых (по загрязнению), условиях, лабиринт заполняют твердым смазочным материалом, а при жидком смазочном материала иногда применяют продувку воздуха через уплотнение. В уплотнениях размещают полости и каналы для отвода смазочного материала от подшипников. Основные типы уплотнений приведены на рис. 13.1.
Материалы шпинделей и термообработка. Для шпинделей станков нормальной точности применяют конструкционные стали 45,
а — контактное манжетное резиновое армированное уплотнение с пружиной; б — контактное манжетное кожаное уплотнение с пружиной; в — бесконтактное лабиринтное уплотнение; г — лабиринтное дисковое уплотнение; D, d, b — основные конструктивные размеры; h = 0,4-т-0.6 мм — лабиринтный зазор; / — вращающийся стакан; 2 — кольца; 3 — диски; 4 — невращающнйся стакан; 5 — резиновое кольцо; 6 — фиксирующий винт
40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с нагревом ТВЧ) до твердости HRCa 48—56. Шпиндели сложной формы изготавливают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до HRCa 56—60. Для прецизионных станков в условиях жидкостной смазки применяют низкоуглеродные стали 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой до твердости HRCa 56—60. Для слабона- груженных шпинделей высокоточных станков для уменьшения внутренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости HRCa 63—68.
Для изготовления полых шпинделей большого диаметра иногда применяют серый чугун СЧ 20.
ШПИНДЕЛЬНЫЕ ОПОРЫ КАЧЕНИЯ
В шпинделях станков для обеспечения высокой грузоподъемности, точности вращения, повышенной жесткости и минимальных выделений теплоты, как правило, применяют подшипники качения специальных конструкций. Для восприятия радиальных нагрузок широко применяют двухрядные подшипники 3182100 с цилиндрическими роликами. Два ряда точных роликов, расположенных в шахматном порядке, обеспечивают грузоподъемность и жесткость подшипника при высокой точности вращения. Ана-
1 НизкоскорйстНЫё . ,1 -I<Й2 1 ёп^Щ^&м-нин11 НизкоскорйстНЫё . ,1 -I<Й2 1 ёп^Щ^&м-нин12 .Ц$^~* d•n^.^l1,5■^1,8)•10sмн•ншi,2 .Ц$^~* d•n^.^l1,5■^1,8)•10sмн•ншi,3 A11нё-п^СМр^мм-МЫГ1§ ^Среднескоросткые|* Ц X§Hd'n42^T3,5)*105MM*MUHfI5^5 &ёпЦЗтуЬю’мк-кин'$6 «^d■n<(‘^75)ЮsHM■ншГ, 1§ Ш Высокоскоростные| 7 <—£ч ti'n^(5^6)•1^l5мн■мuн",^ 8 ^3^ d-n<.(S^8)-10sMM-MUH"f9 37iH d-n<(7TlOj'1OsHM-HUH-13 A11нё-п^СМр^мм-МЫГ1§ ^Среднескоросткые|* Ц X§Hd'n42^T3,5)*105MM*MUHfI5^5 &ёпЦЗтуЬю’мк-кин'$6 «^d■n<(‘^75)ЮsHM■ншГ, 1§ Ш Высокоскоростные| 7 <—£ч ti'n^(5^6)•1^l5мн■мuн",^ 8 ^3^ d-n<.(S^8)-10sMM-MUH"f9 37iH d-n<(7TlOj'1OsHM-HUH-1io -~-^4 dn'№15)105MM-HHH"<io -~-^4 dn'№15)105MM-HHH"<Рис. 13.2. Типовые конструктивные схемы шпиндельных узлов на подшипниках качения н области их применения
1 НизкоскорйстНЫё . ,
1 -I<Й2 1 ёп^Щ^&м-нин1
1 НизкоскорйстНЫё . ,
1 -I<Й2 1 ёп^Щ^&м-нин1
2 .Ц$^~* d•n^.^l1,5■^1,8)•10sмн•ншi,
2 .Ц$^~* d•n^.^l1,5■^1,8)•10sмн•ншi,
3 A11нё-п^СМр^мм-МЫГ1
§ ^Среднескоросткые
|* Ц X§Hd'n42^T3,5)*105MM*MUHf
I5^5 &ёпЦЗтуЬю’мк-кин'
$6 «^d■n<(‘^75)ЮsHM■ншГ, 1
§ Ш Высокоскоростные
| 7 <—£ч ti'n^(5^6)•1^l5мн■мuн",
^ 8 ^3^ d-n<.(S^8)-10sMM-MUH"f
9 37iH d-n<(7TlOj'1OsHM-HUH-1
3 A11нё-п^СМр^мм-МЫГ1
§ ^Среднескоросткые
|* Ц X§Hd'n42^T3,5)*105MM*MUHf
I5^5 &ёпЦЗтуЬю’мк-кин'
$6 «^d■n<(‘^75)ЮsHM■ншГ, 1
§ Ш Высокоскоростные
| 7 <—£ч ti'n^(5^6)•1^l5мн■мuн",
^ 8 ^3^ d-n<.(S^8)-10sMM-MUH"f
9 37iH d-n<(7TlOj'1OsHM-HUH-1
io -~-^4 dn'№15)105MM-HHH"<
io -~-^4 dn'№15)105MM-HHH"<
логичные подшипники типа 3182100К имеют в наружном кольце четыре отверстия (под углом 90°) и кольцевую канавку, через которые смазочный материал подается непосредственно на дорожки качения, что увеличивает быстроходность опор и повышает надежность их работы.’
Для восприятия осевых сил применяют радиально-упорные подшипники в обычном исполнении 36000, 46000, но чаще всего
используют рационально-упорные шарикоподшипники типа 178600 с углом контакта 60°, имеющие быстроходность в 2—2,5 раза выше, чему упорных шарикоподшипников (dn)max = (4ч-5)105 мм-мин-1. В последнее время применяют роликоподшипники конические однорядные (тип 67000) и двухрядные (тип 697000) с упорным буртом на наружном кольце, предназначенные для восприятия радиальной и осевой нагрузки, и однорядные со встроенными в широкое наружное кольцо пружинами (тип 17000), служащие для восприятия ра
диальных нагрузок в задних опорах.
" При повышенных требованиях к быстроходности в опорах шпинделей применяют особо быстроходные радиально-упорные шарикоподшипники (тип 36000К) с несколько измененными конструктивными и геометрическими параметрами по сравнению с обычными. Эти подшипники собирают в комплекты по два, три или четыре. 7
Для создания шпиндельных узлов в виде отдельных агрегатных модулей, уменьшения трудоемкости конструирования, изготовления и эксплуатации шпиндельных узлов в практике станкостроения целесообразно применять типовые конструктивные схемы (рис. 13.2). Их отличительной особенностью является то, что осевая нагрузка воспринимается передней опорой, задняя опора при этом плавающая, т. е. не закреплена в осевом направлении. Это повышает радиальную жесткость узла, уменьшает тепловые деформации переднего конца шпинделя.
Точность подшипников, которая регламентируется радиальным или осевым биением вращающегося кольца, во многом определяет точность вращения шпинделя. При этом радиальное биение передней 64 и задней 6Я опор можно найти из простых геометрических соотношений, анализируя схему, приведенную на рис. 13.3, а. Радиальное биение конца шпинделя
Обычно принимают 6 < А/3, где А — допуск на радиальное бие
ние конца шпинделя.
Приняв, что 6А = (1 4- -^-) = 6s-^~, получимПриняв, что 6А = (1 4- -^-) = 6s-^~, получим(13.6)(13.6)
Приняв, что 6А = (1 4- -^-) = 6s-^~, получим
Приняв, что 6А = (1 4- -^-) = 6s-^~, получим
(13.6)
(13.6)
По величинам 64 и 6В выбирают подшипники соответствующего класса точности. Рекомендуемые классы подшипников шпинделей станков различной точности приведены в табл. 13.3.
Класс точности станкаКласс точности радиальных подшипников опорКласс точности упорных подшипниковперед-заднейн п вА С542225542255442Класс точности станкаКласс точности радиальных подшипников опорКласс точности упорных подшипниковперед-заднейн п вА С54222554225544213.3. Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станков13.3. Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станковРис, 13.3. Схемы биения шпинделя на опорах:Рис, 13.3. Схемы биения шпинделя на опорах:а — биения опор направлены в разные стороны: б — биения опор направлены в одну сторонуа — биения опор направлены в разные стороны: б — биения опор направлены в одну сторону
Класс точности станка
Класс точности радиальных подшипников опор
Класс точности упорных подшипников
перед-
задней
н п в
А С
5
4
2
2
2
5
5
4
2
2
5
5
4
4
2
Класс точности станка
Класс точности радиальных подшипников опор
Класс точности упорных подшипников
перед-
задней
н п в
А С
5
4
2
2
2
5
5
4
2
2
5
5
4
4
2
13.3. Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станков
13.3. Рекомендуемые классы точности подшипников качения для шпинделей станков
Рис, 13.3. Схемы биения шпинделя на опорах:
Рис, 13.3. Схемы биения шпинделя на опорах:
а — биения опор направлены в разные стороны: б — биения опор направлены в одну сторону
а — биения опор направлены в разные стороны: б — биения опор направлены в одну сторону
Если при сборке шпиндельного узла подшипники устанавливают таким образом, что их биения направлены в одну сторону, то это резко снижает биение переднего конца шпинделя (рис. 13.3, б).
Жесткость подшипников определяется упругими сближениями тел качения с кольцами и контактными деформациями колец с сопряженными деталями. Жесткость зависит, главным образом, от типа подшипников и их диаметра. Радиальная и осевая жесткость шпиндельных опор различных типов приведена на рис. 13.4.
Для повышения жесткости подшипников, а также устранения зазоров (что повышает точность вращения) в них применяют предварительный натяг, т. е. прикладывают постоянную предварительную нагрузку. В радиальных шарикоподшипниках для создания предварительных, натягов смещают наружные кольца относительно внутренних в осевом направлении, для чего либо сошлифовывают торцы колец, либо применяют втулки различной длины между наружными и внутренними кольцами, либо устанавливают распорные пружины.
В роликовом подшипнике (тип 3182800) предварительный натяг создают осевым смещением внутреннего кольца подшипника на конической' шейке шпинделя, что вызывает радиальные деформации кольца. В шариковых радиально-упорных и конических роликовых
подшипниках (тип 697000) натяг создается при сборке за счет осевого взаимного сближения рядов тел качения, что обеспечивается размерами сопряженных деталей. В конических роликовых подшип-
Рис. 13.4. Зависимость жесткости подшипника от его диаметра:/ — двухрядные роликоподшипники; 2 — конические роликоподшипники: 3 — шарикоподшипники; 4 — гидростатические опоры (при рн = 2 МПа); 5 — упорные шарикоподшипники: 6 — упорио-раднальиые шарикоподшипники; 7 — радиально-упорные шарикоподшипникиРис. 13.4. Зависимость жесткости подшипника от его диаметра:/ — двухрядные роликоподшипники; 2 — конические роликоподшипники: 3 — шарикоподшипники; 4 — гидростатические опоры (при рн = 2 МПа); 5 — упорные шарикоподшипники: 6 — упорио-раднальиые шарикоподшипники; 7 — радиально-упорные шарикоподшипники
Рис. 13.4. Зависимость жесткости подшипника от его диаметра:
/ — двухрядные роликоподшипники; 2 — конические роликоподшипники: 3 — шарикоподшипники; 4 — гидростатические опоры (при рн = 2 МПа); 5 — упорные шарикоподшипники: 6 — упорио-раднальиые шарикоподшипники; 7 — радиально-упорные шарикоподшипники
Рис. 13.4. Зависимость жесткости подшипника от его диаметра:
/ — двухрядные роликоподшипники; 2 — конические роликоподшипники: 3 — шарикоподшипники; 4 — гидростатические опоры (при рн = 2 МПа); 5 — упорные шарикоподшипники: 6 — упорио-раднальиые шарикоподшипники; 7 — радиально-упорные шарикоподшипники
Рис. 13.5. Зависимость жесткости и долговечности от величины зазора-натяга Аг;Рис. 13.5. Зависимость жесткости и долговечности от величины зазора-натяга Аг;^Д^Д. отнесенной к жесткости подшипника при нулевом зазоре-натяге. отнесенной к жесткости подшипника при нулевом зазоре-натяге/пд = о:/пд = о:
Рис. 13.5. Зависимость жесткости и долговечности от величины зазора-натяга Аг;
Рис. 13.5. Зависимость жесткости и долговечности от величины зазора-натяга Аг;
^Д
^Д
. отнесенной к жесткости подшипника при нулевом зазоре-натяге
. отнесенной к жесткости подшипника при нулевом зазоре-натяге
/пд = о:
/пд = о:
a — жесткости
б — долговечности по усталости £д, отнесенной к долговечности при нулевом зазоре-натяге
Дд_0; / — нагрузка на опору 5000 Н; 2 — нагрузка на опору 11 000 Н
никах (тип 17000) натяг создается постоянным осевым смещением наружного кольца относительно внутреннего с помощью встроенных в него пружин.
От тщательности и точности регулирования предварительного натяга во многом зависит работоспособность шпиндельного узла. На рис. 13.5 представлена зависимость жесткости и долговечности 216
подшипника типа 3182100 от предварительного натяга. При увели
чении предварительного натяга резко возрастает тепловыделение в подшипниках. Натяг или зазор шпиндельных подшипников обычно регулируют в специальном приспособлении на собранном узле вне или на станке. Для упрощения этой операции применяют дистанционные кольца. Их размеры устанавливают заранее и при сборке
точно ограничивают силу предварительного натяга.
( Посадки подшипников качения оказывают большое влияние на точность вращения шпинделя и другие критерии работоспособности, так как они сказываются на величине и постоянстве предварительного натяга в подшипниках. Вращающиеся (внутренние) кольца
Рис, 13.6. Изменение температуры и натяга в передней опоре шпинделя токарного станка с числовым управлением:Рис, 13.6. Изменение температуры и натяга в передней опоре шпинделя токарного станка с числовым управлением:1 — температура в подшипнике; 2 — температура в стенке корпуса; 3 — натяг в опоре1 — температура в подшипнике; 2 — температура в стенке корпуса; 3 — натяг в опореРис. 13.7. Роликоподшипник с регулируемой. величиной иатягаРис. 13.7. Роликоподшипник с регулируемой. величиной иатяга
Рис, 13.6. Изменение температуры и натяга в передней опоре шпинделя токарного станка с числовым управлением:
Рис, 13.6. Изменение температуры и натяга в передней опоре шпинделя токарного станка с числовым управлением:
1 — температура в подшипнике; 2 — температура в стенке корпуса; 3 — натяг в опоре
1 — температура в подшипнике; 2 — температура в стенке корпуса; 3 — натяг в опоре
Рис. 13.7. Роликоподшипник с регулируемой. величиной иатяга
Рис. 13.7. Роликоподшипник с регулируемой. величиной иатяга
подшипников нужно устанавливать с небольшим натягом (—24- 4—4 мкм); невращающиеся (наружные) кольца — с натягом в низкоскоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором высокоскоростных при (dn)max > 2,5-105 мм-мин-1. Отклонения размеров и формы сопряженных с подшипником поверхностей деталей шпиндельного узла не должны превышать допустимых отклонений для тех элементов подшипников, с которыми контактирует данная деталь.
Потери на трение в подшипниках качения оцениваются по моменту трения либо тепловым потоком, Вт, выделяемым в них:
(13.7)(13.7)Q = 0,4 • 10-2 R dn f,
(13.7)
(13.7)
где R — нагрузка на подшипник, Н; d — диаметр подшипника, мм; п — частота вращения, мин-1; f — условный коэффициент трения (для шариковых и роликовых цилиндрических подшипников f = = 0,0024-0,003; для конических роликоподшипников / = 0,0044- 4-0,008).
Теплота, выделяемая в подшипнике, ведет к нагреву стенок корпуса и самого шпинделя и, как следствие, к температурным деформациям. Неравномерность нагрева наружного и внутреннего кольца
подшипника существенно изменяет первоначально установленную величину натяга (рис. 13.6, а). Поэтому окончательное регулирование шпиндельных подшипников целесообразно проводить при достижении в узле установившегося значения температуры. При переменном характере режима работы и высоких требованиях к точности обработки целесообразно применять искусственное охлаждение опор шпинделей. В последнее время применяют специальные конструкции шпиндельных подшипников с регулированием натяга или поддержанием его на заданном уровне. На рис. 13.7 изображен подшипник, в котором предусмотрено промежуточное кольцо 2, образующее вместе с наружным кольцом 1 подшипника небольшой гидроцилиндр. Поршень-кольцо 3, смещаясь под давлением масла, создает осевую силу предварительного натяга, воздействуя на торцы роликов 4. Давление масла автоматически изменяется при изменении температуры или нагрузки в узле, что обеспечивает независимость натяга подшипника от внешних воздействий.
ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ ДЛЯ ШПИНДЕЛЕЙ
Опоры скольжения применяют в шпиндельных узлах тех станков, где подшипники качения не могут обеспечить требуемой точности и долговечности работы. В качестве таких опор используют в зависимости от свойств гидродинамические и гидростатические подшипники, а также подшипники с газовой смазкой.
Рис. 13.8. Гидродинамические подшипники с одним (а) и несколькими (6) масляными клиньями
Гидродинамические подшипники применяют в станках с высокими постоянными или мало изменяющимися скоростями вращения шпинделей при незначительных нагрузках (станки шлифовальной группы).
В станкостроении используют многоклиновые гидродинамические подшипники (рис. 13.8, б), так как одноклиновые (рис. 13.8, а) не могут обеспечить требуемой жесткости и точности вращения. В многоклиновых подшипниках создается несколько клиновых зазоров, куда вращающимся валом увлекается масло, и результирующая гид- 218
родинамических сил Рд позволяет воспринимать внешнюю нагрузку F, действующую в любом направлении. Клиновые зазоры создаются обычно с помощью башмаков, самоустанавливающихся в зависимости от нагрузки и положения шпинделя. Самоустановка башмаков осуществляется либо их поворотом на сферических опорах (под-
Рис. 13.9. Гидродинамические подшипники с самоустановкой башмаков:а — поворотом на сферических опорах; б — поворотом относительно втулки.Рис. 13.9. Гидродинамические подшипники с самоустановкой башмаков:а — поворотом на сферических опорах; б — поворотом относительно втулки.
Рис. 13.9. Гидродинамические подшипники с самоустановкой башмаков:
а — поворотом на сферических опорах; б — поворотом относительно втулки.
Рис. 13.9. Гидродинамические подшипники с самоустановкой башмаков:
а — поворотом на сферических опорах; б — поворотом относительно втулки.
шипник ЛОН-34 конструкции ЭНИМС, рис. 13.9, а), либо поворотом относительно специально выполненной втулки (подшипник ЛОН-88, рис. 13.9, б).
Конструктивные параметры гидродинамических подшипников определяют исходя из диаметра D шейки шпинделя, выбранного конструктивно или по формуле (13.3) для обеспечения необходимой
жесткости. При этом длину L вкладыша в осевом направлении и длину его по дуге В, см, принимают из соотношений
В « 0,52); L = 0,752).(13,8)
Обычно диаметральный зазор, мкм,
А = 32),(13.9)
где D — диаметр шейки шпинделя, см.
В качестве рабочей жидкости применяют минеральное масло марки Л (велосит) с коэффициентом динамической вязкости р. = = (4ч-5)-10-8 Па-с при 50 °C.
Расчет многоклинового гидродинамического подшипника сводится к следующему.
Определяют нагрузочную способность Рд подшипника. При этом приближенно нагрузка на один вкладыш
=^,(13.10)
11 + 8 cos 0'
где е = 2с'А — относительный эксцентриситет; е — эксцентриситет (смещение центра шпинделя под действием внешней нагрузки), мкм; 0 — координата точки опоры вкладыша относительно направления действия внешней нагрузки.
Нагрузка, действующая на каждый вкладыш, при е = 0
(13.11)
CL = -1^-.(13.12)
+ -ТГ -
Нагрузочная способность подшипника к 1 где к — число вкладышей.
Она равна нулю при отсутствии внешних сил, наибольшее ее значение (^тах соответствует минимально допустимому зазору /гт1п в подшипнике; обычно /imln = А/3, что позволяет получить [с учетом соотношений (13.8) и (13.9)1 для подшипника с тремя вкладышами следующую приближенную зависимость, Н:
(fjmax ~ O,8Fo = 0,036nD2.(13.13)
Жесткость гидродинамических подшипников определяется не столько жесткостью слоя смазки /м, сколько жесткостью элементов и сопряжений конструкции /п. Суммарная жесткость опоры, Н/мин,
(1314)(1314) УМУП
(1314)
(1314)
/ОП —; L *
/м т ш
(13.15)(13.15)При малых нагрузках, а следовательно, небольших относитель ных смещениях для подшипника с тремя вкладышами
(13.15)
(13.15)
jM ~ 0,09п2),
и при большой частоте вращения шпинделя она оказывается весьма высокой. Однако жесткость элементов конструкции при контакте сегментов с опорными поверхностями не превышает 250—300 Н/мкм, например, жесткость сферической пяты в подшипниках ЛОН-34 /Г1 = 125dc, где dc — диаметр опорной полусферы, см; обычно dc = = 1,54-2,5 см.
Существенным недостатком гидродинамических опор является изменение положения otn шпинделя при изменении частоты его вращения.
Гидростатические опоры обеспечивают высокую точность вращения, обладают высокой демпфирующей способностью, что значительно повышает виброустойчивость шпиндельного узла, имеют практически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения шпинделя. Гидростатические опоры могут быть использованы в качестве датчиков силы в системах адаптивного управления, в качестве приводов микроперемещений.
Принцип действия гидростатического подшипника основан на том, что при прокачивании масла под давлением от внешнего источника через зазоры (щели) между сопряженными поверхностями в зазоре образуется несущий масляный слой, исключающий непосредственный контакт поверхностей даже при невращающемся шпинделе (рис. 13.10). В радиальных подшипниках равномерно по окружности делают полости-карманы, куда через дроссели подается под давлением масло от источника питания (насоса).При приложении внешней нагрузки вал занимает эксцентричное положение, зазоры h в под-
шипнике перераспределяются, что приводит к увеличению давления р масла в одних карманах и уменьшению в противоположных. Уравнивания давлений в карманах не происходит вследствие наличия дросселей на входе в каждый карман. Разность давлений создает результирующую силу Fc, воспринимающую внешнюю нагрузку. Отвод смазочного материала производится через торцы подшипника,
Рис. 13.11. Схема питания гидростатических опор шпинделя:Рис. 13.11. Схема питания гидростатических опор шпинделя:1 — насос питания; 2 — фильтр грубой очистки; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — обратный клапан; 5 — фильтр особо тонкой очистки: 6 — дроссели; 7 —- манометр; 8 — гидроаккумулятор; 9 — реле давления; 10 — насос откачки; 11 — теплообменник; 12 — перепускной клапан1 — насос питания; 2 — фильтр грубой очистки; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — обратный клапан; 5 — фильтр особо тонкой очистки: 6 — дроссели; 7 —- манометр; 8 — гидроаккумулятор; 9 — реле давления; 10 — насос откачки; 11 — теплообменник; 12 — перепускной клапаниногда и через дренажные канавки, выполненные на перемычках между карманами.
Рис. 13.11. Схема питания гидростатических опор шпинделя:
Рис. 13.11. Схема питания гидростатических опор шпинделя:
1 — насос питания; 2 — фильтр грубой очистки; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — обратный клапан; 5 — фильтр особо тонкой очистки: 6 — дроссели; 7 —- манометр; 8 — гидроаккумулятор; 9 — реле давления; 10 — насос откачки; 11 — теплообменник; 12 — перепускной клапан
1 — насос питания; 2 — фильтр грубой очистки; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — обратный клапан; 5 — фильтр особо тонкой очистки: 6 — дроссели; 7 —- манометр; 8 — гидроаккумулятор; 9 — реле давления; 10 — насос откачки; 11 — теплообменник; 12 — перепускной клапан
Конструктивные параметры радиальных гидростатических подшипников выбирают в зависимости от диаметра шейки шпинделя D, рассчитанного по формуле (13.3) для обеспечения требуемой жесткости шпиндельного узла или выбранного конструктивно с учетом диаметров стандартного переднего конца шпинделя. При этом обычно длина подшипника L = D, размеры перемычек, ограничивающих карманы /0 = /к = — 0,1О, диаметральный зазор А = (0,0008-4-0,001) D, мм.
Число карманов, как правило, принимают равным четырем. В качестве рабочих жидкостей применяют минеральные масла с вязкостью р = (1-4-10) ■ 10~3 Па-с; для вы
сокоскоростных шпинделей для уменьшения потерь на трение применяют масла с минимальной вязкостью, для повышения демпфирующей способности приме
няют Солее вязкие масла. Параметры капиллярных или щелевых дросселей, обеспечивающих ламинарное течение смазочного материала, при малых эксцентриситетах е рассчитывают таким образом, чтобы выполнялось условие рк = 0,5рн, где рк — давление в кармане; рп — давление, создаваемое насосом. Параметры гидростатических подшипников могут быть оптимизированы исходя из получе
ния максимальной жесткости или минимальных потерь на трение.
Применение гидростатических опор требует сложной системы питания и сбора масла, что является их недостатком.
Принципиальная схема питания гидростатических опор приведена на рис. 13.11. Когда требуется высокая точность станка, к системе питания подключают холодильную установку для стабилизации температуры. Для обеспечения нормальной работы гидростат
тических опор требуется тщательная фильтрация масла. Максимальный размер частиц, попадающих в зазор, не должен превышать половины минимальной величины зазора (5—10 мкм).
Расчет гидростатических подшипников сводится к определению нагрузочной способности, жесткости масляного слоя, расхода смазочного материала и потерь на трение и прокачивание масла. Нагрузочная способность гидростатических подшипников, Н, зависит от радиального смещения шпинделя в опоре
Fc = рн83фСР(&, к),(13.16)
где ptt — давление, создаваемое насосом, мПа; 5зф — эффективная площадь подшипника, учитывающая падение давления на перемычках, мм2; CF (е, к) — функция, зависящая от относительного смещения е шпинделя в опоре и геометрических параметров опоры.
Для легко- и средненагруженных гидростатических подшипников внешние нагрузки, а следовательно, и смещения невелики; тогда можно приближенно принять
СР (8, й) = 4- 8.(13.17)
Для радиальных гидростатических подшипников приближенно 5эф = 0,5Д2, следовательно, его нагрузочная способность
Fc = 0,75гО2рн = 1,5^- D2pH.(13.18)
Жесткость слоя смазки, Н/мм, гидростатического радиального подшипника при указанных выше малых смещениях
/м=1,5^-.(13.19)
Л _ IQ8 ч/)А РнЛ _ IQ8 ч/)А РнНа рис. 13.14 приведена жесткость слоя смазки гидростатического подшипника. Расход смазочного материала, мм3/с, необходимого для обеспечения нормального режима работы подшипника,
Л _ IQ8 ч/)А Рн
Л _ IQ8 ч/)А Рн
(13.20)
Потери на трение в гидростатических подшипниках складываются из потерь на трение в карманах и в зазорах (на перемычках), а также из потерь на обеспечение прокачивания смазочного материала через подшипник. Потери в карманах невелики, ими можно пренебречь, и общие потери, кВт,
P£ = PT4-PQ,(13.21)
где Рт — потери на трение в рабочем зазоре; PQ — потери на прокачивание смазочного материала.
Для радиальных гидростатических подшипников при принятых выше соотношениях
Р£ = 0,072.10-16-^1 + 314-^-. (13.22)
В качестве примера приведем рассчитанные по указанным соотношениям харак-З тернстнкн радиального четырех карма ни or о гидростатического подшипника токар^ ного станка при следующих исходных данных: диаметр шейки шпинделя D =4 = 100 мм, диаметральный зазор А = 0,08 мм, рн = 3 мПа, рабочая жидкость —Ч масло 45 А вязкостью ц = 7-Ю"3 Па-с лри t= 30°C, е = 0,02 мм. i
Нагрузочная способность подшипника Fc = 11 250 Н; жесткость /м— 56 X j X 104 Н/мм; расход смазки Q = 70-103 мм3/с. Потери на трение при а = 1600 мнн'Ц Р£ = Рт + PQ = 0,16 + 0,2 = 0,36 кВт. |
Шпиндельный узел станка на гидростатических опорах изобра-ч жен на рис. 13.12. При конструировании и расчете гидростатическим подшипников следует учитывать, что все их характеристики сильней зависят от величины и формы зазора, которые существенно отлича-1 ются от теоретических вследствие деформаций -сопряженных дета! лей. Учет реальных формы и величины зазора приводит к сложным зависимостям, что требует при расчетах их характеристик прибегать к вычислительной технике. 1
Опоры с воздушной смазкой. В станкостроении применяют! аэростатические подшипники, по принципу действия подобные ана* логичным гидростатическим, только несущий слой в них создается путем подвода в зазоры между сопряженными поверхностями н« жидкости, а сжатого воздуха под давлением, не превышающим 0,3—я 0,4 МПа. Вследствие этого нагрузочная способность их невелика! однако малая вязкость воздуха позволяет существенно снизить nofl тери на трение, что предопределило применение аэростатическим подшипников в небольших прецизионных станках при большим окружных скоростях вращения шпинделя. fl 224 fl
. § 5. РАСЧЕТ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Расчет на жесткость. Главные размеры шпиндельного узла (рис. 13.13) — диаметр d Шейки шпинделя под передней опорой и расстояние / между опорами — выбирают из расчета шпинделя на жесткость. Величину вылета а шпинделя определяют по стандартным размерам его переднего конца и размерам уплотнений; она
Рис. 13; 13. Главные размеры шпиндельного узлаРис. 13; 13. Главные размеры шпиндельного узла
Рис. 13; 13. Главные размеры шпиндельного узла
Рис. 13; 13. Главные размеры шпиндельного узла
должна быть возможно малой. При приближенных проектных расчетах шпиндель заменяют балкой на двух опорах с силой F, приложенной на консоли, т. е. на расстоянии а от середины передней опоры (рис. 13.14).
Радиальное перемещение переднего конца шпинделя
Ух = Ушп Уои Усдв>(13.23)
где уши — перемещение, вызванное изгибом тела шпинделя; уоп — перемещение, вызванное податливостью (нежесткостью) опор; уС№ — перемещение, вызванное сдвигом от действия поперечных сил.
Рис. 13.14. Жесткость шпиндельного узла: а — расчетная схема; б — наибольшая достижимая жесткость шпиндельного узла прн радиальном зазоре в переднем подшипнике, равном нулю (/) н с большим натягом (2)Рис. 13.14. Жесткость шпиндельного узла: а — расчетная схема; б — наибольшая достижимая жесткость шпиндельного узла прн радиальном зазоре в переднем подшипнике, равном нулю (/) н с большим натягом (2)
Рис. 13.14. Жесткость шпиндельного узла: а — расчетная схема; б — наибольшая достижимая жесткость шпиндельного узла прн радиальном зазоре в переднем подшипнике, равном нулю (/) н с большим натягом (2)
Рис. 13.14. Жесткость шпиндельного узла: а — расчетная схема; б — наибольшая достижимая жесткость шпиндельного узла прн радиальном зазоре в переднем подшипнике, равном нулю (/) н с большим натягом (2)
Применяя известные формулы сопротивления материалов и пренебрегая величиной </СдВ, которая для реальных размеров шпинделей, имеющих центральное отверстие, не-превышает 3—6 %., можем записать
ОС Ц JgJ
+ F ^[-^т^]2^^^^^^,(13.24)
2252258 П/р В. Э. Пуша
225
225
гдб Е— модуль упругости материала шпинделя; Jj и J2 — осевые моменты инерции сечения шпинделя соответственно на консольной части и между опорами; сг = 1//1 и с2 = 1//2 — соответственно податливость передней и задней опор шпинделя, которые определяют по реакциям Rx и R4 и перемещениям 6f н б2 в соответствующих опорах; Л и h — жесткость опор; £3 — коэффициент, учитывающий наличие в передней опоре защемляющего момента, если в ней расположен© несколько рядов тел качения.
Для конструктивных схем, представленных на рис. 13.2, значения коэффициента В3 можно принимать равными 0,65—0,75 (для схемы /); 0,45—0,65 (для схемы 2); 0,30—0,45 (для схем 3—4)\ 0,20— 0,30 (для схемы 5); 0,1—0,2 (для схем 6—8); 0 (для схем 9—10). Для гидростатических опор £3 равно нулю.
В соответствии с формулой (13.24) общая податливость шпин- дельного узла с2 = — = -р-, где /2 — суммарная жесткость шпиндельного узла, может быть представлена в. виде
•“2 Г а । HI —Ь) ] । „ Г а (1 — Ы +1 I2 । _ /1 t\ а8 .
(13.25)
Учитывая, что величины cv с2, JY и J2 зависят только от диаметральных размеров шпинделя, можно получить для конкретной конструктивной схемы узла зависимости /2 = f 14) (рис. 13.14,6), позволяющие определить диаметр при заданной жесткости шпин
дельного узла. При этом надо учитывать конструктивные ограничения, связанные с тем, что d < dlt где dx — диаметр последней сту
пени стандартного переднего конца шпинделя, и ограничения по ПредеЛЬНОЙ бЫСТрОХОДНОСТИ ПОДШИПНИКОВ d С —^"^” ; ^ Птах —
максимальная частота вращения шпинделя.
После выбора диаметра шейки d можно определить для него оптимальную величину межопорного расстояния /опт, исходя из необходимости получения максимальной жесткости (т. е. минимума суммарной податливости). Для этого используют выражение (13.25) без учета защемления в передней опоре, т. е. при £3 = 0. Взяв первую производную с2 по I и приравняв её нулю, получим уравнение для определения /опт:
р Г 6EJ2ciр Г 6EJ2ciI + 6EJ4 (Ci 4~ с2) j — 0,I + 6EJ4 (Ci 4~ с2) j — 0,(13 26)(13 26)
р Г 6EJ2ci
р Г 6EJ2ci
I + 6EJ4 (Ci 4~ с2) j — 0,
I + 6EJ4 (Ci 4~ с2) j — 0,
(13 26)
(13 26)
которое легко решается графически. При назначении межопорного расстояния необходимо учитывать его влияние на точность вращения шпинделя. Поэтому обычно в практике станкостроения принято ограничивать возможное значение межопорного расстояния, а именно I ^ 2,5а. Если учтены все требования к шпиндельному узлу, то можно определить значения главных параметров шпиндельного узла в виде области допустимых значений. На рис. 13.15 226
показано построение области допустимых значений для шпиндельного узла универсального токарного станка с птах = 2500 мин-1.
При точностных расчетах необходимо знать величину н направление перемещения переднего конца шпинделя с учетом силового воздействия от приводных элементов. Это могут быть зубчатые передачи, расположенные между опорами на расстоянии 1г (см. рис. 13.13) от передней опоры, либо ременные передачи со шкивом, расположенным на расстоянии 1г от задней опоры. В этом случае учитывают силы резания и силы привода, которые приводят к двум плоскостям (вертикальной и горизонтальной). По известным форму-
Рис. 13.15. Построение области допустимых значений главных размеров шпиндельного узла:
/ — ограничение по жесткости (принято / = 400 Н/мкм); 2 — ограничение по быстроходности; 3 — по допускаемой температуре подшипника; 4 — по допускаемому биению переднего конца шпинделя; • — оптимальное значение /; О — фактическое значение /
Рис. 13.16, Схема к расчету жесткости конического соединения
лам сопротивления материалов вычисляют прогиб конца шпинделя в каждой плоскости (ув и уР)
y$ = V yt + yl
Вычисления целесообразно проводить с учетом защемления в передней опоре и конкретной величины натяга средствами вычислительной техники. Выбирая определенным образом угловое расположение элемента и расстояния 1г и /2, можно добиться минимального влияния привода на положение переднего конца шпинделя.
При расчете общей жесткости шпиндельного узла необходимо учитывать жесткость конического соединения шпинделя с приспособлением (оправкой, патроном) или хвостиком инструмента, а также жесткость приспособлений и инструмента. Во многих случаях они являются определяющими в общем балансе жесткости. Например, для соединения хвостовика инструмента с корпусом шпинделя в соответствии с расчетной схемой, приведенной на рнс. 13.16, упругое перемещение при действии силы F, приложенной на расстоянии ах от конца шпинделя,
Ус = 5 4- вйх,
8* 227
где 6 -~ смещение на краю конического соединения вследствие контактных деформаций; 0 — угол поворота в коническом соединении.
Для конусности 7/24, получившей преимущественное распространение в станках с числовым управлением, без учета погрешностей изготовления жесткость, Н/мкм,
/к = —=-^> (13.27^
/к Ус al .
где D и аг — см. рис. 13.16.
Погрешности изготовления конического соединения, обусловленные несовпадением углов конусов отверстия и оправки, резко снижают жесткость соединения. Для ее повышения применяют предварительную затяжку осевой силой Fo (величина которой для конуса ISO 50 составляет 15 кН), которая создается специальными зажимными приспособлениями, расположенными во внутренних цилиндрических полостях шпинделя.
Податливость патронов и зажимных цанг при обработке коротких прутков в токарных станках составляет 80—90 % податливости всей системы шпиндельного узла. Во фрезерных и расточных станках доминирующими могут являться деформации концевого инструмента.
Расчет динамических характеристик. Уровень колебаний переднего конца шпинделя определяют по амплитудно-фазочастотным характеристикам (АФЧХ) (см. гл. 17), которые целесообразно рассчитывать по заранее подготовленным программам средствами вычислительной техники.
Приближенный расчет собственной частоты шпинделя, с-1, (см. рис. 13.13), не имеющего больших сосредоточенных масс, можно проводить по формуле
(13-28)
где т. — масса шпинделя, кг; X = 1/а —относительное расстояние между опорами; у = / (А) — коэффициент, который для X = 2,5-^3,5 лежит в пределах 2,3—2,4.
Температурные характеристики шпиндельного узла рассчитывают на основе уравнений теплового баланса, где учитывается выделение теплоты за счет трения в подшипниках и отвод ее через стенки корпуса коробки и в тело шпинделя.
В настоящее время разработаны САПР шпиндельных узлов, которые в режиме диалога позволяют спроектировать шпиндельный узел с оптимизированными по требуемым критериям параметрами.
ГЛАВА 14. ПРИВОД ПОДАЧИ
ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Регулирование скорости подачи в металлорежущих станках осуществляется при постоянном максимально допустимом моменте, поэтому в основу выбора электродвигателя положена не мощность, а момент сил сопротивления Мс в механизме подачи. Величину этого момента определяют по составляющим силы резания с учетом момента трения в механизме подачи. При переменном моменте Л10 расчет ведут по формуле эквивалентного момента.
При большом диапазоне регулирования самовентиляция двигателя неэффективна, и рекомендуется выбирать двигатели закрытого безобдувного исполнения. Если габариты двигателя, выбранного по моменту, оказываются недопустимо завышенными, рекомендуется использовать двигатель меньшего габарита с принудительным охлаждением вентилятором типа «наездник».
В приводах подачи современных станков с ЧПУ применяют высокомоментные электродвигатели серии ПБВ с возбуждением от постоянных магнитов или двигатели постоянного тока серии 2П, ПБС с электромагнитным возбуждением. В малых станках иногда применяют малоинерционные двигатели серии ПГ. Во всех случаях целесообразно использовать двигатели с внутренним встроенным тахогенератором.
В кинематической схеме привода подачи движение от электродвигателя через редуктор с передаточным отношением i передается на ходовой вннт и далее на исполнительный орган станка (стол, каретку, суппорт и т. д.). Параметры кинематической схемы (шаг ходового винта и передаточное отношение редуктора) определяются как диапазоном регулирования подачи, так и возможностями двигателя. В техническом задании на электропривод подачи указывают минимальную и максимальную рабочую подачу, скорости opmin, Уртах. в пределах которых регулирование происходит при постоянном (максимальном) моменте, и скорость вспомогательных перемещений (Утах*= 54-10 м/мин), осуществляемых при уменьшенном моменте сил сопротивления.
Таким образом, в приводе подачи необходимы два диапазона регулирования:
D
yp max — ymax i — и Оц =—
ур mlnmax
с различными условиями регулирования. Очевидно, что общий диапазон регулирования подачи
D = D^n.
При управлении в цепи якоря скорость вращения вала двигателя регулируется вниз от номинала при постоянном моменте, что обеспечивает диапазон регулирования
£Jj Ь>НОМ
Рис. 14.1. Диапазон регулирования электропривода подачиРис. 14.1. Диапазон регулирования электропривода подачиДиапазон регулирования Di очень велик, поскольку номиналь- ная частота вращения вала двигателя постоянного тока составляет 1000—3000 мин-1, минимальная может быть доведена до 0,1 — 1,0 мий"1. Кроме того, допускается кратковременное увеличение Скорости вращения вала двигателя до значения ®raax за счет кратковременного повышения напряжения на якоре. Это обеспечивает второй диапазон регулирований
Рис. 14.1. Диапазон регулирования электропривода подачи
Рис. 14.1. Диапазон регулирования электропривода подачи
Dh = ^™22L, ^ном
который целесообразно использовать для вспомогательных перемещений, поскольку двигатель здесь должен работать с уменьшенной нагрузкой. Диапазон этот невелик и равен примерно 2—2,5.
Общий диапазон регулирования двигателя D* >D,
и современный электропривод способен обеспечить все технологические требования станкостроения. Особенность расчета заключается в том, что диапазоны регулирования двигателя и станка отличаются в отдельных своих частях. При этом, как правило, Di > Di и Dh < Dn-
Диапазон D регулирования подачи должен быть «вписан» в диапазон D' регулирования двигателя. Соединение может быть произведено по верхней (рис. 14.1, а) или нижней (рис. 14.1, б) границе диапазона регулирования.
Поскольку на малых скоростях вал двигателя имеет значительную неравномерность вращения, первый вариант предпочтительнее. В этом случае передаточное отношение редуктора
I = -2®”- р,утах
где «max — максимальная частота вращения вала двигателя, мин-1; Птах — максимальная скорость вспомогательных перемещений, мм/мин; р — шаг ходового винта, мм.
Использование высокомоментных двигателей с большим диапазоном регулирования часто позволяет при выборе соответствующего значения р обойтись без редуктора и соединить вал двигателя непосредственно с ходовым винтом.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Структура регулируемого привода подачи может быть весьма разнообразной. В простейшем случае привод состоит из исполнительного двигателя М, тиристорного преобразователя, регулятора скорости и блока токоограничения с датчиком тока. Привод охвачен 230
главной обратной связью по скорости го тахогенератором. Расчет и оптимизация параметров регулятора скорости в таком приводе, как правило трудоемки и обычно осуществляются приближенно по логарифмическим амплитудно-частотным характеристикам.
Более совершенная структура регулируемого электропривода (рис. 14.2) выполнена по системе подчиненного регулирования. При- вод состоит из исполнительного двигателя Л4, тиристорного преобразователя ТП и двух регуляторов. Регулятор скорости PC и тахогенератор G образуют основной скоростной контур привода, регулятор тока РТ и датчик тока относятся к подчиненному внутреннему токовому контуру. Систему подчиненного регулирования выполняют из стандартных элементов; она отличается простотой настройки и регулирования.
Рис. 14.2. Регулируемый электропривод, выполненный по схеме подчиненного регулирования
Для настройки регуляторов электропривода, определения качества переходных процессов и быстродействия привода необходимо иметь передаточные функции всех элементов, составляющих замкнутую систему автоматического регулирования скорости вращения.
Передаточная функция двигателя постоянного тока при управлении в цепи якоря и неизменном значении потока возбуждения вытекает из операторных уравнений электрического и механического равновесия:
W (р) = е ^ + RJ» (Р) + Lpia (руМ ^ = Мй^ + Jpro.
Производя элементарные преобразования с учетом того, что М = = ci и е = его, получим
® ^ = 1 + тюр (1 + ТяР) и^ — Ж i + TmpU + Тяр) м=^’ (141 ^ где Тю = -^^- = -^электромеханическая постоянная времени; Та = -^- — электромагнитная постоянная; р = ~ —жесткость механической характеристики электродвигателя; ^д = -^статический коэффициент преобразования.
Если упругость механической передачи привода не учитывается, то в значение момента инерции J должны входить значения момента
инерции двигателя и приведенного к валу двигателя момента инерции механизма. В соответствии с уравнением (14.1) структурная схема двигателя постоянного тока представляет собой последовательное соединение апериодического и интегрирующего звеньев (рис. 14.3), охваченного внутренней обратной связью по угловой скорости или ЭДС двигателя.
Тиристорный преобразователь приближенно может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией вида
где. Т^ — постоянная времени, которая вкладывается из времени запаздывания преобразователя т, связанного с тем, что управляющий
Рис. 14.3 Структурная схема двигателя постоянного тока
сигнал не вызывает мгновенного изменения выпрямленного напряжения, и постоянной времени системы импульсно-фазового управления (СИФУ) Тсифу-
Время запаздывания
T=l/2mf,
где m — число фаз; f — частота сети.
Когда СИФУ выполнена на безынерционных элементах, ТСифу не учитывают и Т^ « т.
В современном электроприводе применяют унифицированные регуляторы, выполненные на базе полупроводниковых операционных усилителей. Передаточная функция регулятора приближенно определяется отношением импедансов цепи обратной связи и входной цепи усилителя:
z \ ^вых (Р) г1 (Р)рег W ~ t^BX (Р) “ г» (Р) '
Для коррекции частотной характеристики регулятора и устранения самовозбуждения применяют частотно-зависимые цепочки Rkt—Ск1 и Ск2. В конкретных типах усилителей вид корректирующих цепочек может несколько изменяться.
Изменяя характер цепей z0 и zn получают различные типы стандартных регуляторов.
В качестве датчиков скорости в электроприводе станков обычно используют тахогенераторы постоянного тока. Они могут иметь систему электромагнитного возбуждения или возбуждение от постоянных магнитов. Наилучшие характеристики имеют тахогенераторы, встроенные в исполнительный двигатель. Для уменьшения коллек- 232
торных-и* оборотных пульсаций на выходе тахогенератора включают сглаживающий фильтр. Инерционность фильтра, а также индуктивность якоря влияют на динамические свойства датчика скорости. В результате этого передаточная функция тахогенератора
Постоянная времени 7тГ а? 1 мс. В приводах ср значительной инерционностью ее можно не учитывать. Статический коэффициент преобразования feTr определяется крутизной характеристики тахогенератора и составляет 20—30 В на 1000 мин-1. Напряжение обратной связи должно быть пересчитано на вход задающего напряжения регулятора скорости (см. рис. 14.2). В результате коэффициент преобразования цепи обратной связи по скорости будет равен
ь — ь х
«тг D •
АО. С
В некоторых случаях задающее напряжение на входе регулятора скорости должно иметь унифицированное значение изадтах = Ю В. Это позволяет определить коэффициент fec, исходя из максимального значения скорости гоотах идеального холостого хода:
д — ^заДmax
«о max
Если окажется, что крутизна характеристики тахогенератора слишком велика и feTr > fec, то на выходе тахогенератора следует поставить делитель напряжения.
В качестве простейшего датчика тока используют шунт с номинальным падением напряжения ^ш. НОм = 45 или 75 мВ. Поскольку такое напряжение недостаточно для функционирования в системе управления привода, то в цепи обратной связи контура тока ставят промежуточный усилитель. Коэффициент преобразования этого усилителя fey. т определяют из следующих соображений. В статическом режиме для регулятора тока справедливо уравнение С^адтах — — коттах ~ о или (73аДmax — Мя.ото = 0. Откуда значение коэффициента преобразования цепи обратной связи контура тока
и U зад max кт — ——-,
' Я. ОТС
где /я. ото — значение отсечки тока якоря, которое не должно превышать максимальной силы тока якоря, указанной в паспорте на электродвигатель. Максимальное значение задающего напряжения чаще всего соответствует унифицированному сигналу 10 В.
В свою очередь,
а ь D ^1Т
A(jT
откуда, учитывая, что Rm = -^•-Ч0*., получим ' я. ото
а Rot ^зад max
у" 1Rit ^ш. ном
§ з. Динамика электромеханического приводаМеханическая система электропривода представляет собой многомассовую вращающуюся систему, содержащую упругие звенья и элементы, создающие демпфирующие моменты трения. Рассмотрим одно конкретное звено подобной системы (рис. 14.4). На массу с моментом инерции Jk действуют два упругих момента Мк_1,к и Мк> д^, пропорциональных углу закручи-§ з. Динамика электромеханического приводаМеханическая система электропривода представляет собой многомассовую вращающуюся систему, содержащую упругие звенья и элементы, создающие демпфирующие моменты трения. Рассмотрим одно конкретное звено подобной системы (рис. 14.4). На массу с моментом инерции Jk действуют два упругих момента Мк_1,к и Мк> д^, пропорциональных углу закручи-ван и я соответствующегован и я соответствующегоупругогоупругогозвена или разности углов поворота двух масс:звена или разности углов поворота двух масс:Мд_1, h —Мд_1, h —Мд, Л+1 —Мд, Л+1 —Ск-1. kСк-1. kРск, к+1РРск, к+1Р(®k-i — Год);(®k-i — Год);(®h — toft+i),(®h — toft+i),
§ з. Динамика электромеханического привода
Механическая система электропривода представляет собой многомассовую вращающуюся систему, содержащую упругие звенья и элементы, создающие демпфирующие моменты трения. Рассмотрим одно конкретное звено подобной системы (рис. 14.4). На массу с моментом инерции Jk действуют два упругих момента Мк_1,к и Мк> д^, пропорциональных углу закручи-
§ з. Динамика электромеханического привода
Механическая система электропривода представляет собой многомассовую вращающуюся систему, содержащую упругие звенья и элементы, создающие демпфирующие моменты трения. Рассмотрим одно конкретное звено подобной системы (рис. 14.4). На массу с моментом инерции Jk действуют два упругих момента Мк_1,к и Мк> д^, пропорциональных углу закручи-
ван и я соответствующего
ван и я соответствующего
упругого
упругого
звена или разности углов поворота двух масс:
звена или разности углов поворота двух масс:
Мд_1, h —
Мд_1, h —
Мд, Л+1 —
Мд, Л+1 —
Ск-1. k
Ск-1. k
Р
ск, к+1Р
Р
ск, к+1Р
(®k-i — Год);
(®k-i — Год);
(®h — toft+i),
(®h — toft+i),
Рис. 14.4. Многомассовая механн- где ск_11к И - Сд, д+1 —жесткости ческая система приводаупругих звеньев; юк1 ю^х —соот
ветственно углы поворота звеньев. Кроме того, необходимо учитывать момент трения в элементах, связанных с массой,
МТр к — Рй®Л
и моменты трения в упругих звеньях
мТр к-1, к = Pit-1, к (юА-1 — ®кУ>
МТр к1 k+i = Рд, д+1 ((Од ®к+1)-
В результате уравнение движения Л-й массы может быть записано так:
Мк_г. к -}- Мтр к-1, к — Мк, д+1 — Л4тр к, д+1 — Мтр к = Jkptok-
Рассуждая аналогично, можно написать систему дифференциальных уравнений, описывающих многомассовую механическую систему привода,
М — -^-(<01 — to2) — P12(<Oi — «J - Pitoi = Aptoj;
h о К (юк-1 — юк) + Pk-1, к (®ft-l — ®k) ~
;(14.2)
~^®к(Од+1) Рд, д+1 ((Од (Од+1) Pfe®ft ~ ^кР^ку
—П р ^ (®п-1 — ®п) 4“ Pn-1, n (®n-i юп) Рп®п Мс — Jnpton.
В расчетах электропривода удобно использовать понятие входного механического сопротивления, которое представляет собой 234
отношение операторных выражение момента искорости вращения вала двигателя:
7^
Ю1(р) е
Находим его, решая систему (14.2).
Понятие механического сопротивления может быть распространено и на отдельные элементы механической системы. При этом для сосредоточенной массы
^к (Р) — Ph + ^hP>
а для упругого элемента
^л, л+1 (/О = Ph, h+i + ^р*1 •
В системе СИ механическое сопротивление имеет размерность Н-м-с.
Аналогично можно ввести понятие механической проводимости
Yh = 1/ZK.
Для многомассовой системы входное механическое сопротивление записывают в виде цепной дроби
Zmcx (/О — Zj^)Zmcx (/О — Zj^)(14.3)(14.3)1
Zmcx (/О — Zj^)
Zmcx (/О — Zj^)
(14.3)
(14.3)
р12 (Р)+!
2г(р)+...+-у—
Важное значение системы по скоростиВажное значение системы по скорости№п1(р)№п1(р)_ «>п (р)®1 (р) ’_ «>п (р)®1 (р) ’имеет передаточная функция механической
Важное значение системы по скорости
Важное значение системы по скорости
№п1(р)
№п1(р)
_ «>п (р)
®1 (р) ’
_ «>п (р)
®1 (р) ’
которая также может быть легко определена при решении системы линейных уравнений (14.2).
В практических расчетах электропривода обычно используют эквивалентную приведенную механическую систему, в которой имеются две вращающиеся массы с моментами инерции Jt и J4, соединенные между собой упругим звеном с эквивалентной жесткостью с12. Момент инерции Jt образован якорем двигателя с деталями, непосредственно соединенными с ним (муфтами, промежуточными шестернями и т. п.). Момент инерции J2 представляет собой эквивалентную величину, связанную с поступательно или вращательно движущимися деталями станка (суппортом, столом, патроном и закрепленной в нем деталью и т. д.).
Рассматривая действие моментов на двухмассовую систему, можно записать
(14-4)(14-4)^4 р (®iю2)р12 (о)1 — (о2) PitOj — JiptoVi
(14-4)
(14-4)
•^ (®i - ®a) + Pu (“i - ®2) - p2®2 - Mc = J2p«4
■ли более лаконично в терминах механических сопротивлений
(14.5)(14.5)М — Z12 (tol — tog) = Zx®!-,Zx2 (®i®а) Мс = Z2to2>
(14.5)
(14.5)
где Zt^Px + Ap; Z2 = p2 + J2p; Z12 = ^+^-.
Системе уравнений (14.5) соответствует структурная схема механической системы, представленная на рис. 14.5. На схеме приведены два апериодических звена и одно пропорционально интегрирующее звено. Поскольку коэффициенты ръ 02 и 012 невелики, реальные характеристики всех звеньев близки к интегрирующим.
В структурной схеме имеются две внутренние обратные связи: по скорости <о2 и по упругому моменту. Без учета демпфирующего
Рис. 14.5, Структурная схема двухмассовой системыРис. 14.5, Структурная схема двухмассовой системы
Рис. 14.5, Структурная схема двухмассовой системы
Рис. 14.5, Структурная схема двухмассовой системы
действия моментов сил трения собственная частота механических
колебаний двухмассовой системы
й12 = У СИ^Д^. = У^ + ^2,
где Qi = у -р и й2 = у "j2" — собственные частоты колебаний отдельных масс.
Входное механическое сопротивление двухмассовой системы может быть найдено в формуле (14.3):
4ех = Zx +Ц- -Zx^Z2А.(14.6)
Уи +
В простейшем случае без учета демпфирования
ZMex (р) = Ар + -к?"^руТЗ = -^Р [ 1 + 1 4-p2/Q2 ] > где у = J2Ux.
При синусоидальном воздействии с частотой Й
Z^G’Q) = /Шх0 ^^^ = рЙ2Д (1 + т^г) =
где v = Й/Й2 —относительная частота.
236
Если у мало, то влияние второй массы на работу привода незначительно, и в дальнейших расчетах можно учитывать только момент инерции Jv
Механическое сопротивление двухмассовой системы, не имеющей механического демпфирования, представляет собой чисто мнимую величину. При v = 0 и v — V 1 + У функция ZMex имеет нули. Полюс функции находят при резонансной частоте v = 1.
Демпфирование уменьшает амплитуду колебаний и снижает собственную частоту, однако в целом колебательные свойства механической системы сохраняются. Передаточную функцию по скорости
Рис. 14.6. Структурная схема электромеханического привода
двухмассовой системы легко найти из второго уравнения системы (14.5). При Мс = О получим
ц/ (п\ = Ма ^ =^1а ^= Р1г ~Ь Cia/P
Mi (.Р) Zi (р) -f- Ххг (р) Ps + ^гР + Cia/P ’
где 0S = 02 + 012.
Анализируя уравнение (14.6)„ можно заметить, что входное механическое сопротивление связано с U^2i простой зависимостью
^мех = ^1 4~ 22^21.
При малом демпфировании годограф функции U72i представляет собой окружность радиусом -^-У^^й, центр которой находится на мнимой оси на расстоянии —(/ J^c^l^^ от начала координат.
Для настройки регуляторов тока и скорости необходимо иметь аналитическое выражение передаточной функции объекта управления №об (р) с учетом влияния механической системы станка.
Структурная схема электропривода, выполненного по системе подчиненного регулирования с нагрузкой в виде многомассовой механической системы, представлена на рис. 14.6. Динамика электропривода описывается системой уравнений (14.4) или (14.5) с добавлением уравнения электрического равновесия
U cwj = (/?я -ф- Lgp) i" ~ Zau(14.7)
Для объекта регулирования в контуре тока справедливо следующее выражение:
w0Q.K.^p) = wou>)l^iiT.
Операторное отношение i (p)!U (р^ может быть найдено следующим образом. Учитывая, что 1/с = ИМ, умножим и разделим второе слагаемое в левой части уравнения (14.7) на с. Получим
U-c^i = Z„l.(14.8)
Отношение М!юг представляет собой механическое сопротивление
2мех(р) — Wi{p) •
В результате из (14.8) получим
(^ = 1 = 1
Хя + с2/Хмех 2я + 2ВНос ’
где Zchoc — вносимое сопротивление, ZBHOc — c2/ZMex = с2Умех.
Вносимое сопротивление характеризует кажущееся увеличение сопротивления цепи якоря, вызванное влиянием механической системы привода. Влияние механического сопротивления видно из структурной схемы контура тока (см. рис. 14.6), выделенного штриховой линией из общей структуры привода. Окончательно для объекта регулирования контура тока
^об. к. т (/О = T+7V /?я + Ьяр +Хвнос (р) '
После настройки регулятора тока и определения его параметров выражение для передаточной функции контура тока может быть найдено на основании рис. 14.6:
.1 й^рт^об. к. т1 Л ■1
KTVP) 6т 1 + Гр. тГоб.к. т *т X Wp. т^об. к. т
11(14-9)(14-9)1
1
1
(14-9)
(14-9)
1(1 + ^пР) Гр. тр
Т;—(^я + ^внос/
«к. т • т ' р. тР
где Рц. т — кр. TkakT.
При подстановке численных значений параметров выражение (14.9), как правило, может быть упрощено, что особенно целесообразно для дальнейшей настройки регулятора скорости.
Структурная схема контура скорости с учетом механической системы станка также видна на рис. 14.6. Для объекта регулирования контура скорости
^об. К.й = ^^vp. с
ммНО (01 = —— ХмехНО (01 = —— Хмех- и М = и.- и М = и.
м
м
НО (01 = —— Хмех
НО (01 = —— Хмех
- и М = и.
- и М = и.
Следовательно,
илиили^об. к. с (р) — *с^об. к. с (р) — *сС < (Р)Z^ UP.oWС < (Р)Z^ UP.oW= кс-^—^к.Ар\= кс-^—^к.Ар\^об.к.о(р)=^^^к.т(р)-^об.к.о(р)=^^^к.т(р)-
или
или
^об. к. с (р) — *с
^об. к. с (р) — *с
С < (Р)Z^ UP.oW
С < (Р)Z^ UP.oW
= кс-^—^к.Ар\
= кс-^—^к.Ар\
^об.к.о(р)=^^^к.т(р)-
^об.к.о(р)=^^^к.т(р)-
Передаточная функция замкнутого контура скорости может быть записана следующим образом:
П7 /„\_ 1^р. с^об. к. с _ 11
АС"ГТ¥^^77" к6 ! ZMex '+ Ске IFp. с^к. т
При использовании ПИ-регулятора скорости с передаточной функцией
получим
"• °W ^аад (р) Ас 1 ZMexTp. cP !’
^с 1 + Т р. еР ^к. т где к^ у — кр, ^к^с.
Выражение W7^ 0 (р) представляет собой передаточную функцию регулируемого электропривода', на основании которой могут быть произведены все расчеты, связанные с определением динамических характеристик. Если в механическую систему станка входят упругие звенья, движение исполнительного органа станка во времени не совпадает с движением вала двигателя.
Для многомассовой электромеханической системы передаточная функция исполнительного органа станка по управляющему воздействию
ww-^—^rx^-T-«wT^' <14"»
Отношение ®п (рУюх (р) представляет собой передаточную функцию механической системы по скорости и, как было показано ранее, может быть найдено путем решения основной системы уравнений (14.2), описывающей движение механической части электропривода.
В статическом режиме работа простейшего электропривода с регулятором скорости и узлом токоограничения в пределах линейности характеристик описывается следующей системой уравнений:
со — кдия । । ,^я = кр, скр (t/зад ^о. с);
t/o. с " kpto.
Решая эту систему относительно скорости вращения со вала двигателя и обозначая общий коэффициент преобразования разомк-
239
нутрй системы электропривода £общ = ^р. с^д, получим статическую механическую характеристику электропривода
m _ ^обд п*. м .
1+Мобщ Зад ПНО + Мобш)
Из этого уравнения легко определить жесткость механической характеристики Рзамк = |Р|(1 + ^с^общ), которая, в свою очередь, связана с диапазоном регулирования скорости электропривода
п = м™х
— Д/j иРзамю
где 6 —допустимый статизм (статическая ошибка) системы электропривода; величина 6 может быть определена в соответствии с рекомендациями СЭВ, которые нормируют допустимое снижение скорости привода под нагрузкой в зависимости от заданного диапазона регулирования.
Статические характеристики электропривода, выполненного по системе подчиненного регулирования, рассчитывают следующим образом. В статическом режиме передаточная функция контура тока с ПИ-регулятором тока может быть определена, если в выражении (14.9) положить р = 0. В этом "случае Ц7К. т |р=0 =-^-. Примем для упрощения расчетов механическую систему станка абсолютно жесткой (с12 = оо) и Z№X = Jp, где J — приведенный момент инерции. При этих условиях получим выражение для механической характеристики привода
С^р. Л. т п1м _ Л
®\“ Jp + cWp. cWK,^k0 Laaa Jp+cWp. ..W^ Tkc Ю° ®’
где Аю — статическая ошибка привода, которая зависит от передаточной функции регулятора скорости:
Ай =Ай =feT М cWp. ckcfeT М cWp. ckc
Ай =
Ай =
feT М cWp. ckc
feT М cWp. ckc
Если в контуре скорости применен П-регулятор с передаточной функцией Ц7р. с = ^р. с. то статическая ошибка имеет конечное значение Аю = ктМс1кр. Скос.
Жесткость механической характеристики замкнутой системы электропривода
о^кр, скй
Рзамк=7•
В соответствии с формулой (14.10) эта жесткость определяет величину диапазона регулирования электропривода.
Коэффициент преобразования регулятора скорости выбирают из условий обеспечения динамического качества электропривода, и он имеет небольшую величину. Поэтому жесткость механических W
характеристик привода с П-регулятором скорости мржет оказаться недостаточной для обеспечения большого диапазона регулировдния.;, В связи с этим в широкорегулируемом электроприводе применяют ПИ-регулятор скорости с передаточной функцией
Ц7 — &1 Ур~ сР
с Гр ср •
Статическая ошибка такого электропривода стремится к нулю:
а механическую характеристику можно считать идеально жесткой Фзамк -* °0). Нижний предел регулирования скорости при этом определяется только техническими возможностями исполнительного двигателя.
§ 4. ТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИВОДА ПОДАЧ
Тяговые устройства служат для перемещения подвижных узлов станка по направляющим прямолинейного или вращательного движения. Они являются последним звеном кинематической цепи привода подач, вспомогательных движений или главного привода (карусельные, протяжные, строгальные, долбежные станки).
Для осуществления прямолинейного движения используют: механизмы: ходовой винт—гайка,зубчатое колесб—рейка
или зубчатый сектор—рейка, червяк—рейка, кулачковые, шатунные, рычажные и другие механизмы;
гидравлические и пневматические двигатели типа поршень — цилиндр;
электромагнитные устройства в виде линейно-развернутых электродвигателей, бесконтактных электромагнитных передач, соленоидов.
Вращательное движение может осуществляться зубчатыми, червячными, ременными, цепными, фрикционными и другими передачами.
Чтобы обеспечить в проектируемом станке высокие техникоэкономические показатели, такие, как производительность, точность, надежность, тяговые устройства должны удовлетворять следующим требованиям:
обеспечивать заданный закон перемещения и скорости; в подавляющем большинстве станков скорость должна быть постоянной;
иметь высокий КПД;
обладать высокой жесткостью, которая является одной из главных характеристик тягового устройства и влияет на статические и динамические погрешности исполнительного узла станка;
иметь малый момент инерции, что определяет быстродействие привода и точность обработки;'
обладать высокой чувствительностью к малым перемещениям, т. е. иметь способность осуществлять движения малые по пути ^ли скорости;
зазоры должны отсутствовать, особенно в тех случаях; когда по характеру движения или действию внешней нагрузки имеет место раскрытие стыков;
износ в процессе эксплуатации должен быть минимальным.
В зависимости от назначения станка, его конструкции и габарит
ных размеров применяют различные виды тяговых устройств.'
Пара винт—гайка скольжения отличается:
малым шагом при применении в качестве тягового устройства
однозаходных ходовых винтов, что обусловливает высокую редукцию
Рис. 14.7. КПД передач винт— гайка качения (шариковых) (/) и скольжения (2)Рис. 14.7. КПД передач винт— гайка качения (шариковых) (/) и скольжения (2)и малый крутящий момент на ходовом винте:
Рис. 14.7. КПД передач винт— гайка качения (шариковых) (/) и скольжения (2)
Рис. 14.7. КПД передач винт— гайка качения (шариковых) (/) и скольжения (2)
где Q—тяговая сила; р—шаг винта; т) — КПД винтовой пары;
11 = tg№ + p) • Р ~ угол п°дъема винтовой линии резьбы, лежащей на среднем диаметре; р = 34-11° —угол трения в резьбе; р = arctg р, р, = = 0,054-0,2 — коэффициент трения, зависящий от скорости скольжения;
самоторможением при одно- и двухзаходных винтах, что позволяет применять эту пару для установочных движений под нагрузкой и для вертикальных перемещений с целью более надежной фиксации подвижного узла.
Недостатком передач винт—гайка скольжения является наличие сме
шанного трения и связанное с ним изнашивание, а также низкий КПД одно- и двухзаходных винтов (рис. 14.17).
Поскольку точность винтовой пары скольжения определяется в основном винтом (износ гайки мало влияет на ее кинематическую точность), материал ходового винта должен обеспечивать длительное сохранение точности. Это достигается его высокой поверхностной твердостью. Материал ходового винта и гайки выбирают в зависимости от назначения винтовой пары, класса ее точности и требуемой термообработки. Для их изготовления применяют следующие мате
риалы:
азотируемые стали (40ХФА, 18ХГТ), которые после азотирования на глубину 0,5 мм обеспечивают высокую износостойкость и стабильность размеров; HRCa 53—58;
высокоуглеродистые стали (8ХВ, ХВГ, 7ХГ2ВМ, У10А, У12А) для неупрочненных ходовых винтов, подвергаемых объемной или поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты; HRCa 50—60;
среднеуглеродистые стали (45, 50) для неответственных винтов; гайки для ходовых винтов прецизионных станков изготовляют из оловянистых бронз БрОФ 10-0,5 или БрОДС 6-6-3; для неответственных передач — из антифрикционного чугуна; в целях экономии оловянистой бронзы крупные гайки выполняют биметаллическими (из стального корпуса и центробежным способом залитой бронзы, на которой затем нарезают резьбу).
Ходовые винты выполняют со стандартной резьбой трапецеидального профиля (угол профиля 30°). Преимуществом этой резьбы перед резьбой прямоугольного профиля является возможность ее фрезерования и шлифования; недостатком — возникновение погрешностей шага при радиальном биении ходового винта станка и поперечных колебаний от прогиба под действием собственного веса. В связи с этим в прецизионных станках применяют резьбы с меньшим углом профиля (10—20°). Другим направлением повышения точности винтовых передач является применение в гайке центрирующих втулок (рис. 14.8, а).
Для регулирования и устранения зазора в резьбе гайку выполняют из двух частей, одна из которых- неподвижно прикреплена к столу или суппорту, а другая может смещаться в осевом направлении. Изменяя толщину прокладки 4, установленной между гайками, в передаче можно полностью устранить зазор. Однако в процессе эксплуатации или изнашивания резьбы гаек и винта необходимо периодически производить регулировки. Применяют и другой способ устранения зазора в передачах, когда при неизменном осевом расположении гаек изменяется их относительное угловое положение.
Длинные ходовые винты могут быть составными для того, чтобы обеспечить надежное и точное соединение отдельных секций, длину которых выбирают от 600 до 1500 мм. Наибольшее распространение получили ходовые винты диаметром от 20 до 60 мм, в тяжелых станках встречаются винты диаметром до 200 мм.
Передачи винт—гайка скольжения рассчитывают на износостойкость. Расчет сводится к вычислению среднего давления на рабочих поверхностях резьбы
р = л dHLz/P ’(14.12)
где Q —тяговая сила; d —средний диаметр резьбы; Н —рабочая высота профиля резьбы; L —длина гайки; z —число заходов резьбы; Р — шаг винтовой линии резьбы.
В зависимости от требований, предъявляемых к точности винтовой пары, допускаемые значения средних давлений для передач винт—гайка скольжения не должны превышать 3—12 МПа.
Передача винт—гайка качения является основным видом тягового устройства для станков с числовым управлением. Механизмы винт—гайка качения используют в приводе подач столов, суппортов, траверс почти всех станков малых и средних размеров, а также и некоторых тяжелых станках. Другой областью широкого применения механизмов является привод подач обычных станков, не
оснащённых системами* Числового управления, таких, как фрезерные, токарйыё, расточные, : сверлильные, шлифовальные/ зубообрабаты- вйюгцие, резьбообрабатывающие, агрегатные станки автоматических линий, копировальные и т. д. Причиной этого является высокая Жёсткость й беззазорность соединения винт—гайка, снижающие
Рис, 14.8. Передачи винт—гайка:
а — скольжения: / — винт; 2, 5 — гайки; 3 — центрирующие втулки; 4 — прокладка? о — качения: / — винт; 2 — гайка; 3 — шарики; 4 — канал возврата; в — кинематическое соотношение скоростей; г — скорость винта; г0 — скорость центров шариков
вибрации, существенно уменьшающие изнашивание и поломки режущего инструмента, повышающие чистоту и точность обработки. Иногда передачи винт—гайка качения применяют в приводе главного движения станков с возвратно-поступательным движением, в частности, в протяжных (при небольшой силе протягивания).
Основными преимуществами механизмов винт—гайка качения являются:
возможность передачи больших усилий;
низкие:потери на трение; КПД этих механизмов составляет Q,9t— 0,95 по сравнению с 0,2—0,4 для передач винт—гайка скольжения;
малый крутящий момент на ходовом винте вследствие высокого КПД [см. формулу (14.11)];
возможность полного устранения зазора в механизме и создания
натяга, обеспечивающего высокую жесткость;
почти полная независимость силы трения от скорости и весьма малое трение покоя, что способствует обеспечению устойчивости (равномерности) движения;
высокая точность за счет создания предварительного натяга;
малая изнашиваемость, а следовательно, длительное сохранение точности; малое тепловыделение, снижающее температурные деформации винта и повышающие точность обработки;
высокая чувствительность к микроперемещениям.
К недостаткам передач винт— гайка качения следует отнести отсутствие самоторможения, сложность изготовления, высокую стоимость, несколько пониженное демпфирование, а также необходимость надежной защиты от стружки и пыли.
Минимальный диаметр винтов 6— 8 мм; максимальный 120—150 мм; длина достигает 10—12 м; статическая грузоподъемная сила более 1000 кН (шариковые), 2000 —3000 кН (роликовые); динамическая грузоподъемная сила более 200 кН (шариковые), 300—520 кН (роликовые).
Шариковая передача состоит из винта / (рис. 14.8, б), гайки 2, комплекта шариков 3, расположенных в вин-
Рис. 14.9, Профили резьбы винта и гайки шариковых винтовых парРис. 14.9, Профили резьбы винта и гайки шариковых винтовых партовых канавках винта и гайки, канала 4 для возврата шариков. Как и в шарикоподшипниках, шарики имеют линейную скорость в 2 раза меньшую, чем винт (рис. 14.8, в). Канал возврата, соединяющий первый и последний (или промежуточный) витки гайки, обеспечивает возможность непрерывной циркуляции тел качения.
Рис. 14.9, Профили резьбы винта и гайки шариковых винтовых пар
Рис. 14.9, Профили резьбы винта и гайки шариковых винтовых пар
Получили распространение следующие профили резьбы винта и гайки: полукруглый (рис. 14.9, а), арочный с двухточечным контактом (рис. 14.9, б), арочный с четырехточечным контактом (рис. 14.9, в). Профиль резьбы задают в нормальном сечении, перпендикулярном винтовой линии, проходящей через центры шариков.
По примеру шарикоподшипников соотношение радиусов шарика и желоба для полукруглого и арочного с двухточечным контактом профилей rt/r2 = 0,954-0,97. Для арочного профиля с четырехточечным контактом гг!гй = 0,834-0,87 из-за резкого возрастания сил трения при увеличении натяга. Угол контакта а в большинстве случаев равен 45°. При малых углах контакта передача имеет низкую осевую жесткость и нагрузочную способность, так как даже незначительная осевая нагрузка вызывает большие радиальные силы.
С увеличением угла контакта повышается нагрузочная способность и жесткость передачи, а также снижаются потери на трение. Широкое распространение в станкостроении получили профили с двухточечным контактом. Применение таких профилей обеспечивает наименьшее изнашивание передачи, хотя конструкция гайки для создания натяга в этом случае должна быть выполнена из двух частей. Четырехточечный контакт позволяет осуществить передачу без зазора или с натягом путем подбора шариков по диаметру. Арочный профиль с двухточечным контактом более удобен для измерения, чем полукруглый, и обеспечивает при зазоре h в несколько микрометров точное положение шариков при входе их в рабочую зону, что повышает плавность работы передачи.
Конструктивные исполнения устройств возврата шариков могут быть сведены к двум основным группам.
К первой группе относятся механизмы, в которых шарики при возврате не выводятся каналом возврата из контактирования с поверхностью винта, а лишь направляются из впадины одного витка во впадину соседнего, куда они попадают, переваливаясь через выступ резьбы винта (рис. 14.10, а); канал возврата шариков, соединяющий два соседних витка резьбы, выполняют в специальном вкладыше, который вставляется в окно гайки; в большинстве случаев в гайке делают три, четыре и шесть окон, расположенных соответственно под углом 120, 90, 60°; вкладыши и окна могут иметь различную форму (продолговатую, круглую и т. д.).
Ко второй группе относятся механизмы, в которых шарики при возврате выводятся отражателями из контактирования с поверхностью винта и направляются по каналу возврата, расположенному в теле гайки (см. рис. 14.8, б); в качестве каналов возврата используют изогнутые трубки, профрезерованные снаружи или с торцов гайки пазы, просверленные осевые отверстия и т. д.
При двухточечном контакте тел качения все способы устранения зазора и создания натяга сводятся к изменению взаимного расположения двух гаек. Возможны два основных случая регулирования натяга: регулируется относительное осевое расположение гаек прй неизменном угловом (рис. 14.10, б); регулируется угловое взаимное расположение гаек при неизменном осевом (рис. 14.10, а). Сила натяга может создаваться за счет деформирования контактирующих рабочих тел и деформирования пружин. В станках применяют первый способ, так как передача в этом случае воспринимает большие осевые нагрузки в обе стороны и обеспечивает высокую жесткость.
Основными требованиями; предъявляемыми к устройствам регулирования натяга, являются: возможность малых перемещений гаек в корпусе в осевом или угловом направлении без разборки узлов станка и надежная фиксация гаек после регулировки натяга.
виа в
Рис. 14.10. Устройство возврата шариков: a — первой группы: / —- корпус; 2, 3 — полугайки; 4 —- вкладыш; 5 — уплотнение; 6 —1 винт для регулирования натяга; 7 — ходовой вннт; б — второй группы: 1.2— полугайки; 3 « прокладка; 4 — шпоика; 5 — канал возврата; 6 — ходовой винт
В конструкции, приведенной на рис. 14.11, гайки снабжены зубчатыми венцами, входящими в соответствующие внутренние зубчатые венцы съемных колец, укрепленных на торцах корпуса. Число зубьев венцов различается на единицу, благодаря чему при повороте гаек в одну сторону на один зуб осевое перемещение их профилей резьбы может составить 1 мкм. В приведенной на рис. 14.10, б кон-
Рис. 14.11. Привод подач станка с числовым управлением:1 — двигатель; 2 — кронштейн; 3 — соединительная муфта (сильфон); 4 — шариковый винт; 5 — шариковая гайка; 6 — суппорт;7 — защитная гармошкаРис. 14.11. Привод подач станка с числовым управлением:1 — двигатель; 2 — кронштейн; 3 — соединительная муфта (сильфон); 4 — шариковый винт; 5 — шариковая гайка; 6 — суппорт;7 — защитная гармошка
Рис. 14.11. Привод подач станка с числовым управлением:
1 — двигатель; 2 — кронштейн; 3 — соединительная муфта (сильфон); 4 — шариковый винт; 5 — шариковая гайка; 6 — суппорт;
7 — защитная гармошка
Рис. 14.11. Привод подач станка с числовым управлением:
1 — двигатель; 2 — кронштейн; 3 — соединительная муфта (сильфон); 4 — шариковый винт; 5 — шариковая гайка; 6 — суппорт;
7 — защитная гармошка
струкции натяг регулируют за счет изменения толщины прокладки, расположенной между гайками и состоящей из двух частей. Неизменное угловое положение гаек фиксируется двумя шпонками. В конструкции, показанной на рис. 14.10, а, предусмотрен поворот одной из гаек на небольшой угол винтами, расположенными во фланце корпуса.
Для обеспечения работоспособности и точности передачи к материалам винта и гайки предъявляют следующие требования: твердость рабочих поверхностей должна быть не ниже HRC3 58—60; упрочненный слой при применении закалки с нагревом ТВЧ, азотирования, цементации должен иметь определенную толщину, чтобы обеспечивать восприятие контактных напряжений без продавливания; постоянство размеров и формы винта при эксплуатации.
Высокая твердость рабочих поверхностей винта и гайки и качественная сборка передачи гарантируют их высокие износостойкость и долговечность. В отечественной практике для изготовления винтов применяют сталь 8ХФ с закалкой с нагревом ТВЧ по профилю резьбы (до HRCa 58—62), глубина 1,5—2 мм; для гаек —инструментальные стали 9ХС, ШХ15 (твердость в тех же пределах).
Расчет тягового устройства привода подач станка с числовым управлением (см. рис. 14.11) следует начинать с анализа технологического процесса и выявления составляющих сил резания, действующих на каждой операции. Затем необходимо определить силы тяги в приводе (для каждой оси координат), выделить из них максимальные, промежуточные и минимальные по величине.
Для привода подач токарного станка по оси Z (оси шпинделя) выделяют, например, следующие основные силы: нагрузку при более тяжелых условиях обработки (черновом точении), которую принимают с некоторым запасом на случай отклонений от нормальных условий работы; нагрузку при наиболее часто встречающихся условиях обработки (получистовом и чистовом точении); нагрузку при быстром обратном ходе суппорта после обработки. Одновременно с нагрузками следует определить также время их действия исходя из расчетного срока эксплуатации станка и статистических данных обработки деталей.
Расчет винта на устойчивость. Диаметр винта, см, рассчитывают по формуле Эйлера
(14.13)
где F — максимальная продольная сжимающая сила; р — коэффициент, учитывающий характер заделки концов винта; / — максимальное расстояние между гайкой и опорой винта, см; Е — модуль упругости первого рода.
Основные способы заделки концов винта: один конец жестко защемлен, а второй свободен (р = 2); оба конца размещают на шарнирных опорах (р = 1); один конец защемлен, а другой размещен на шарнирной опоре и может смещаться в осевом направлении
(fi = 0,707), см. рис. 14.11; оба конца защемлены (р = 0,5). Чаще всего в станках применяют два последних способа заделки опор.
Расчет по критической частоте вращения. При высокой частоте вращения винт может потерять устойчивость движения, что выражается в появлении вибрации при некоторой критической частоте. На каждый элемент dx вала действует центробежная сила Fu6 = =i me^ydx, где т — масса единицы длины винта; со — углова® скорость; у — прогиб винта. Считая эту силу равномерно распределенной нагрузкой, получим
—г-= ть^у,
р2 dr*
где /0 — момент инерции сечения винта.
После решения этого уравнения и преобразований получим d0 = 10-7pZ2nB,(14.14)
где пв —частота вращения винта, мин-1;
IQ3^, х .
где к = 1,24-1,25 —коэффициент несовпадения частоты вращения винта с частотой его собственных колебаний; их., — скорость вспомогательного перемещения, м/мин; р —шаг виита, мм.
Расчет на жесткость. Диаметр винта зависит от жесткости привода и его элементов. Податливость привода
-1=Л+А. + ^, / /в /м /п-1=Л+А. + ^, / /в /м /п(14.15)(14.15)
-1=Л+А. + ^, / /в /м /п
-1=Л+А. + ^, / /в /м /п
(14.15)
(14.15)
где /в —жесткость винта; /м—жесткость винтового механизма; /п — жесткость опор винта (подшипников, кронштейнов и т. д ).
При выборе жесткости привода прежде всего должна быть принята во внимание его динамика. Как показал опыт эксплуатации станков с числовым управлением, для отсутствия резонанса и обеспечения необходимого запаса устойчивости собственная частота колебаний механической части привода должна не менее чем в 3—3,5 раза превышать частоту импульсов замкнутой следящей системы контроля. Последняя обычно составляет 10—25 Гц (меньшие значения для крупных станков, большие —для средних и мелких).
Задавшись собственной частотой /0 колебаний стола и суппорта, можно определить необходимую жесткость привода, перемещающего одномассовую систему с одной степенью подвижности,
j = (2«mt, (14.16)
где mY — масса перемещаемой системы- (узла, винта, детали).
Зная жесткость / привода, из уравнения (14.14) можно определить необходимый диаметр винта d0. Для винта, один конец которого защемлен, а второй размещен на шарнирной опоре,
(14.17)(14.17). _ л<$£
(14.17)
(14.17)
/»у--
Для винта; у которого оба конца, закреплены и воспринимакуг осевую нагрузку, минимальная жесткость
/в —/в —зи^ЕГ-‘зи^ЕГ-‘(14.18)(14.18)
/в —
/в —
зи^ЕГ-‘
зи^ЕГ-‘
(14.18)
(14.18)
Жесткость шарикового винтового механизма с предварительным натягом и возвратом шариков через вкладыш (при гх/г2 = 0,96; d^p — 0,6; угле контакта а = 45° и Е = 2,1-10* кН/см2)
/М = 6А6/Г (А - 1) VKS, (14.19)
где &6 = 0,34^0,5 — коэффициент, учитывающий погрешности изготовления гайки и упругие деформации в ней и на ее стыках; ir — число рабочих витков в гайке; гг и ^ — радиус и диаметр шарика; га — радиус профиля резьбы; Рн — сила натяга, даН, приходящаяся на один шарик; dQ и S — в см.
Минимально допустимая сила натяга, приходящаяся иа один шарик, которая гарантирует отсутствие зазора в механизме при действии на винт продольной нагрузки Q,
(14.20)(14.20)р —9
(14.20)
(14.20)
н min 2KzzBir sin а ’
где Kz = 0,84-0,9 — коэффициент, учитывающий погрешности шага резьбы и конусность гайки; zB — число рабочих шариков в одном витке гайки.
Максимально допустимая сила натяга, приходящаяся на один шарик, при действии на винт нагрузки Q
Л,тах = ^Доп(1 -0,55-А-),(14.21)
Xхдоп /
где Рдоп — предельно допустимая статическая нагрузка на один шарик; Рдоп = Kadv здесь Ко — коэффициент, зависящий от допустимого контактного напряжения он; при он = 2500, 3000, 3500 и 3800 МПа коэффициент Ka = 2; 3,5; 5,5 и 6,2 соответственно; следовательно, Q„on = KzzBirPRon sin а.
Для шариковых винтовых механизмов обычно принимают он = = 35004-3800 МПа. Предварительный натяг Рн можно выбирать в пределах от Рнт|п до Рн max в зависимости от требуемой жесткости и долговечности шарикового винтового механизма, а также учитывая влияние тепловых деформаций винта на точность станка и тип датчика обратной связи. Обычно Рн = (1,54-2) Рнт1п ■
Приближенно жесткость опор винта
k = e6d6,(14.22)
где ев = 5, 10 и 30 для радиально-упорных, шариковых упорных и роликовых упорных подшипников соответственно.
Тип опор винта выбирают исходя из условий жесткости, долговечности, частоты вращения винта и тепловых деформаций.
Расчет на долговечность и статическую прочность. При расчете Диаметра винта из условия долговечности определяют эквивалентную
нагрузку FeHB и эквивалентную частоту пЙНВ вращения, которые обусловливают такую же усталостную прочность элементов механизма, что и все переменные нагрузки. Этот расчет аналогичен расчету подшипников качения на долговечность:
F Д+ ^2^2 + • • ~.
эквnxti + n2t2 + • • • + nntn ’
*’_ п^ + п2Ц + • • • + nntn(14.23)
BKB~ G + <2+"- + /n ’
где Fv, F2, ..., Fn — осевые нагрузки (с учетом предварительного натяга), действующие на механизм; nv, п2, .... пп— частота вращения винта или гайки при действии нагрузок; tv, t2, ..., /п — продолжительность действия нагрузки, выраженная в процентах (tT + X t2 + ... И = 100 %).
Продолжительность работы шарикового винтового механизма, об.,
L = /^-Y.io6,(14.24)
где См — динамическая грузоподъемность (постоянная осевая нагрузка, которую может выдержать механизм в течение 10® оборотов).
При испытании винтового механизма в течение 10® оборотов принимают время работы Lh = 500 ч, п = 33-|- мин-1. С учетом характера нагрузки и твердости винтовых поверхностей из формулы (14.24) находим
Fэкв __ /л/V Fэкв^ । ^ 25)1гfп/н(гFэкв __ /л/V Fэкв^ । ^ 25)1гfп/н(г1
Fэкв __ /л/V Fэкв^ । ^ 25)
1гfп/н(г
Fэкв __ /л/V Fэкв^ । ^ 25)
1гfп/н(г
^Лпэкв50D-33-L
33 4
——; С —динамическая грузоподъемность одного витка резьбы; f№ — коэффициент, учитывающий характер нагрузки; при равномерном вращении без ударных нагрузок fw — = 1,04-1,2; при средних условиях работы fw = 1,24-1,5; при вращении с частыми ударными нагрузками fw = 1,54-2,5; для металлорежущих станков, учитывая разгоны, торможения и обработку с вибрациями, можно принять fw = 1,2; /н — поправочный коэффициент, учитывающий твердость материала; при HRCa 58—60 /и = 1; при HRCa = 55 /„ = 0,7; при HRCa = 50 fH = 0,5.
При назначении срока службы винтового механизма Lh (ч) следует учитывать загруженность станка, его размер, степень сложности сборки и разборки, стоимость, моральное старение и т. д. Однако излишне большой запас по долговечности обусловливает увеличение габарита и стоимости привода. Поэтому продолжительность работы ориентировочно принимают 10 000 ч для металлорежущих станков, 4000 ч — для промышленного оборудования, 15 000 ч — для систем автоматического управления и измерительного оборудования. Опре- 252
Рис. 14.12. Гидростатическая передача винт—гайка:"' :<
— подача масла под Давлением; 2 — дроссели; 3 — слив масла; 4 — карманы
делив динамическую грузоподъемность одного витка по формуле (14.25), по каталогу подбирают винтовой механизм с нужным диаметром винта.
Динамическую грузоподъемность С определяют экспериментально. Для механизмов с возвратом шариков через вкладыш может быть предло
жена следующая приближенная зависимость: С = (0,24-0,4) Со, где
Со — статическая грузоподъемность рабочего витка резьбы. Эта зависимость является одним из основных показателей качества
винтовых механизмов качения. Статическая грузоподъемность
(14.26)(14.26)Со — Kodx (ndg — Зр) Кг sin а cos Р,
(14.26)
(14.26)
где Р — угол наклона винтовой линии.
Гидростатическая передача винт—гайка реализуется путем подачи масла под давлением от насоса в специальные карманы, выполненные на поверхности витков резьбы гайки (рис. 14.12). Преимуществами гидростатической передачи являются:
простота технологии изготовления по сравнению с передачами винт — гайка качения (винт может быть незакаленным);
изнашивание в передаче полностью отсутствует;
передача фактически является беззазорной, так как зазор резьбы заполнен масляным слоем, жесткость которого прн определенных условиях весьма высока;
КПД до 0,99 (без учета мощности насоса, нагнетающего масло);
хорошее демпфирование, возможность работы при ударных нагрузках.
К недостаткам гидростатической передачи следует отнести сложность системы смазывания, отсутствие самоторможения, необходимость стабилизации температуры масла для снижения температурных деформаций винта. Из-за отсутствия существенных преимуществ по сравнению с передачами винт—гайка качения гидростатические передачи пока широкого распространения не получили.
Согласно уравнению (14.15) жесткость тягового устройства не может быть больше жесткости звена с максимальной податливостью. У крупных станков с увеличением длины винта жесткость jB уменьшается. Для сохранения требуемой жесткости привода можно увеличить диаметр винта, но при этом увеличиваются мощность, габаритные размеры и стоимость привода. Поэтому при значительном перемещении (5—6 м и более) исполнительного механизма экономически целесообразно применять пару шестерня—рейка или червяк— рейка.
Зубчато-реечные передачи применяют в приводе подач крупных станков, в том числе с числовым управлением при большой длине перемещения, и в приводе главного движения (в продольно-строгальных, долбежных станках). Достоинствами этих передач являются:
малые потери на трение и высокий КПД;
технологичность изготовления и сборки пары зубчатое колесо-4 рейка, что обеспечивает низкую стоимость.
678
Рис. 14.13. Зубчато-реечная передача:
1 — распределительный вал; 2, 5 — косозубые колеса; 4 — приводное колесо; 5 — гидро* цилиндр; 6,7 т- реечные колеса; 8 — рейка
К недостаткам следует отнести:
малую редукцию по сравнению с винтовыми парами: за один оборот зубчатого колеса рейка перемещается на длину начальной окружности этого колеса, что снижает точность работы станка при контроле угла поворота зубчатого колеса;
отсутствие самоторможения;
сравнительно высокая упругая податливость механизма.
В станках с числовым управлением для выборки зазоров в передаче и создания предварительного натяга между звеньями, существенно повышающего крутильную жесткость, применяют разветвленные кинематические цепи со специальными нагрузочными устройствами (рис. 14.13, а) или две независимые кинематические цепи с приводом от разных двигателей (рис. 14.13, б), один из которых (основной) работает в двигательном, а второй (зависимый) — в тормозном режиме. Зависимый привод следует за основным таким образом, чтобы выбрать зазор в передачах. В зависимости от направления перемещения каждый из приводов может быть основным или
зависимым. Такая конструкция позволяет развивать большие ускорения с меньшей затратой мощности по сравнению с конструкцией, приведенной на рис. 14.13, а. Конструкция нагрузочного устройства для выборки зазоров и создания предварительного натяга показана на рис. 14.13, в. Зазоры выбираются за счет осевого смещения распределительного вала, несущего два косозубых колеса с зубьями разного направления, которые разворачивают реечные зубчатые колеса в противоположные стороны.
Осевое перемещение распределительного вала может осуществляться от гидроцилиндра или пружин.
Передачи зубчатое колесо — рейка рассчитывают так же, как и зубчатые передачи.
Гидростатические червячно-реечные перадачи.^ Передачи червяк—рейка аналогичны передачам винт—гайка (рейка представляет собой часть длинной гайки, вырезанной плоскостями, проходящими через ее ось). Смазочный материал подается под давлением в карманы либо через червяк, либо через каналы в корпусе рейки. В первом случае карманы выполняют на боковых поверхностях витков резьбы червяка, а во втором — на боковых поверхностях рейки.
Гидростатические передачи червяк—рейка эффективно используют в приводах подач крупных фрезерных, расточных, портальнофрезерных и других станков с числовым управлением. По сравнению с зубчато-реечными передачами они обладают большей редукцией, жесткостью и хорошим демпфированием.
Передача червяк—рейка качения представляет собой короткий шариковый винт (рис. 14.14), который в результате вращения перемещается по длинной червячной рейке, укрепленной на станине станка. Возврат шариков осуществляется через канал, расположенный в теле червяка. Передача обладает сложной технологией изготовления (шлифование резьбы секций реек длиной 200—300 мм), а также сложным монтажом (непараллельность направляющих станка оси рейки не должна превышать 5—8 мкм на всей длине хода). По этим причинам шариковые передачи червяк—рейка пока широкого распространения не получили, но по мере совершенствования область их использования будет расширяться. Достоинством передачи качения перед гидростатической передачей червяк—рейка является отсутствие системы смазывания и меньшие температурные деформации.
Кулачковые механизмы широко применяют в качестве тяговых устройств привода станков-автоматов. Область применения кулачковых механизмов ограничена величиной хода, зависящей от габаритов кулачка. Применяют дисковые, цилиндрические кулачки с силовым или кинематическим замыканием.
Электромеханические тяговые устройства находят ограниченное применение. Линейно-развернутые электродвигатели и электромагнитные передачи винт—гайка применяют в станках и вспомогательных, транспортных устройствах с небольшим усилием перемещения.
Устройства микроперемещений применяют в станках, предназначенных для финишной обработки точных деталей, в системах
автоматического регулирования и адаптивного управления для осу- - ществления малого импульса движения, измеряемого десятыми долями Микрометра. Существуют устройства микроперемещении,
ИИИИ11 ю11 ю
ИИ
ИИ
11 ю
11 ю
перепере
пере
пере
Рис. 14.14. Шариковая дача червяк—рейка:
1 — червяк; 2 — опора червяка? 3 — червячная рейка; 4 — станина; 5 — шарики; 6 — канал возврата
7 — кожух; 8 — крышка; 9 - приводная шестерня; 10 — шпоика И — трубка; 12 — вкладыш
Рис. 14.15. Кинематическая схема бес центрового круглошлифовального станка с устройством микроперемё щений:
1 — бабка ведущего круга; 2 — бабка шлифовального круга; 3 — шариковая винтовая передача; 4 — шаговый двига тель; 5 — редуктор; 6 — каретка; 7 - гидроннлиндр; 8 — упор
использующие различные физические и механические свойства тел;упругосиловой, магнитострикционный, тепловой, гидростати-ческий приводы. Наибольшее распространение в станках получил
электромеханический привод, например, с шаговым двигателем и передачей винт—гайка качения (рис. 14.15). Быстрый подвод каретки 6 шлифовального круга бесцентрового круглошлифовального станка осуществляется гидроцилиндром 7 до упора 8. Рабочая подача бабки 2 производится от шагового двигателя 4 через беззазорный редуктор 5 и шариковую винтовую передачу 3. При износе шлифовального круга контрольный автомат, измеряющий диаметр обработанных деталей на выходе станка, дает шаговому двигателю команду на подналадку. Величина подналадочного импульса обычно составляет 0,3—0,5 мкм. В качестве редуктора используют червячные или волновые передачи.
ГЛАВА 15 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД СТАНКОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Гидравлический привод в большинстве случаев имеет более низкий коэффициент полезного действия по сравнению со многими механическими передачами и, как весьма сложный, требует более квалифицированного обслуживания. Потери энергии в гидроприводе, связаны с затратами на преодоление внутреннего трения и утечек рабочей среды через зазоры и уплотнения. Применение жидкостей с небольшой вязкостью способствует увеличению утечек, а стремление уменьшения утечек приводит к тщательной пригонке сопрягаемых деталей гидравлических машин и аппаратов. Все это отражается на стоимости и трудоемкости изготовления этих приводов. Применяемые в качестве рабочей среды минеральные масла огнеопасны, а заменители его имеют, как известно, худшую смазывающую способность. Часто неквалифицированное обслуживание приводит к загрязнению окружающей среды.
Требования повышения производительности и гибкости в управлении оборудованием приводят к необходимости повышения быстродействия приводов и гибкости управления ими. Повышение быстродействия определяет необходимость повышения энергоемкости привода и напряженности рабочей среды в направлении передачи движения.
Наибольшую напряженность имеют механические приводы (20— 200 МПа). Управление механическими приводами весьма громоздко и осуществляется либо регулированием за счет источника энергии, либо посредством развитых коробок скоростей.
Гидравлические приводы имеют напряженность 6—100 МПа и допускают достаточно гибкое управление за счет регулирования потока жидкости гидравлическими устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное.
Электрические приводы имеют напряженность 0,5—1,0 МПа, они преобразуют электрическую энергию непосредственно в механическую и обладают возможностью гибкого управления.
Пневматические приводы имеют напряженность такую же, как и электрические (0,6—1,0 МПа), но по сравнению с последними обладают незначительной инерционностью и более низким КПД.
Применению гидравлического привода в металлообрабатывающем оборудовании способствуют такие его особенности:
он позволяет весьма просто осуществлять бесступенчатое регулирование скорости вращения или перемещения исполнительных органов;
местоположение источника энергии (насосной станции) во многих случаях не оказывает существенного влияния на компоновку исполнительных органов на станке или устройстве;
компактность и малая инерционность гидравлического привода позволяют легко и быстро изменять направление движения исполнительного органа; так, реверс гидравлического мотора мощностью 3,75 кВт при частоте вращения 2500 циклов/мин (42 цикла/с) может осуществляться за 0,02 с;
применение несложной гидравлической и электронной аппаратуры позволяет стабилизировать работу привода вне зависимости От величины нагрузки и температуры, а также предохранить привод от поломок при его перегрузке;
если в качестве рабочей среды используют минеральные масла, то детали привода работают в условиях хорошей смазки, что способствует долговечности и надежности работы привода.
РАБОЧАЯ СРЕДА И УПЛОТНЕНИЯ
В качестве рабочей среды в гидроприводах станков применяют минеральные масла или жидкости на нефтяной основе, водные эмульсии и искусственные жидкости. Наиболее широко используют минеральные масла. Водные эмульсии применяют в приводах оборудования, которые работают в пожароопасных условиях. Искусственные жидкости используют в приводах специального назначения, работающих в широком диапазоне изменения температуры. Они дорогие и обладают худшими, чем минеральные масла, смазывающими свойствами.
Физические свойства жидкостей. Рассмотрим основные из них. Плотность жидкости (кг/м3) — отношение массы жидкости к ее объему: р = m/V. Она зависит от изменения температуры di и давления dp;
р =Ро,
где р0 — начальная плотность, кг/м3; р( — коэффициент температурного расширения (для масел, имеющих плотность от 700 до 900 кг/м3, Р( меняется от 0,82-10-3 до 0,6-10-3); Рр — коэффициент сжатия жидкости; зависит от содержания в масле воздуха (с повышением давления до 100 МПа уменьшается на 30—40 %, при давлении выше 300 МПа — стабилизируется), для легких минеральных масел при температуре 293 К и атмосферном давлении изменяется от 74-Ю*11 до 54-10'11 ма/Н.
Модуль упругости — величина, обратная коэффициенту сжатия жидкости Е = у-. Для легких минеральных масел модуль упругости колеблется от 1350 до 1750 МПа.
Растворимость газов в жидкости зависит от давления на поверхности раздела. Газы, находящиеся в жидкости в растворенном состоянии, не оказывают существенного влияния на механические свойства жидкости. Но, если в какой-либо части системы привода давление жидкости по каким-либо причинам уменьшится, то растворенные газы выделяются из жидкости в виде пузырьков, которые уменьшают ее модуль упругости. Количество растворенного воздуха в минеральном масле изменяется с изменением давления
V=kV —
где VB — объем растворенного воздуха при атмосферном давлении и нулевой температуре (273 К); Уж — объем минерального масла; Рн- Рк — начальное и конечное давление газа на поверхности раздела; ку — коэффициент растворимости воздуха в минеральном масле, кр = 0,074-0,10.
В обычных условиях нарушение сплошности потока минерального масла из-за наличия растворенного воздуха и газа возникает при давлении (разряжении) —0,034 0,032 МПа.
Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу частиц жидкости. По гипотезе Ньютона сила трения т, приходящаяся на единицу площади, прямо пропорциональна плотности, градиенту скорости и зависит от вязкости жидкости, т. е.
, do
т = vp _- dy
где v — коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
Вязкость изменяется при изменении температуры и давления. Теоретических зависимостей этих изменений нет, используют эмпирические
v = чве"кт(г-го); v = Vgexp(р~ро),
здесь индексом «0» помечены начальные значения;
V = 0,02 4- 0,03; Хр = 0,002 ч- 0,003.
Индекс вязкости i^ характеризует степень изменения вязкости в зависимости от изменения температуры:
. ' 1 dv
9*9*Для минеральных масел обычно ц = 0,064-0,02. Чем меньше Ц, тем более пологая кривая изменения вязкости в зависимости от изменения температуры.
9*
9*
259
Рис. 15.1. Графики для ориентировочного выбора вязкости минерального масла в зависимости от режима работы (давления р и скорости перемещения о) поступательного (а) и вращательного (б) гидромоторовРис. 15.1. Графики для ориентировочного выбора вязкости минерального масла в зависимости от режима работы (давления р и скорости перемещения о) поступательного (а) и вращательного (б) гидромоторовМатериалРабочая средаНаибольшее давление, МПаНаибольшая температура, °CВид соединенияЖелезо Медь Бронза Алюминий Модифицированный чугун Коррозионностойкая сталь СтеллитМасло Бензин Пар Вода ВоздухНаивысшее практически применяемое500ОАнтифрикционные сплавы15100оРезина натуральнаяВода Воздух15100Резина синтетическаяМаслоВодаБензинВоздухПарНаивысшее100Кожа150Нейлон Фторопласт100—120Полиамидная смола Полихлорвинил60Фибра БумагаМасло БензинПар Вода Воздух150Паранит450МатериалРабочая средаНаибольшее давление, МПаНаибольшая температура, °CВид соединенияЖелезо Медь Бронза Алюминий Модифицированный чугун Коррозионностойкая сталь СтеллитМасло Бензин Пар Вода ВоздухНаивысшее практически применяемое500ОАнтифрикционные сплавы15100оРезина натуральнаяВода Воздух15100Резина синтетическаяМаслоВодаБензинВоздухПарНаивысшее100Кожа150Нейлон Фторопласт100—120Полиамидная смола Полихлорвинил60Фибра БумагаМасло БензинПар Вода Воздух150Паранит45015.1. Основные материалы, применяемые для изготовления уплотнений15.1. Основные материалы, применяемые для изготовления уплотнений
Рис. 15.1. Графики для ориентировочного выбора вязкости минерального масла в зависимости от режима работы (давления р и скорости перемещения о) поступательного (а) и вращательного (б) гидромоторов
Рис. 15.1. Графики для ориентировочного выбора вязкости минерального масла в зависимости от режима работы (давления р и скорости перемещения о) поступательного (а) и вращательного (б) гидромоторов
Материал
Рабочая среда
Наибольшее давление, МПа
Наибольшая температура, °C
Вид соединения
Железо Медь Бронза Алюминий Модифицированный чугун Коррозионностойкая сталь Стеллит
Масло Бензин Пар Вода Воздух
Наивысшее практически применяемое
500
О
Антифрикционные сплавы
15
100
о
Резина натуральная
Вода Воздух
15
100
Резина синтетическая
Масло
Вода
Бензин
Воздух
Пар
Наивысшее
100
Кожа
150
Нейлон Фторопласт
100—120
Полиамидная смола Полихлорвинил
60
Фибра Бумага
Масло Бензин
Пар Вода Воздух
150
Паранит
450
Материал
Рабочая среда
Наибольшее давление, МПа
Наибольшая температура, °C
Вид соединения
Железо Медь Бронза Алюминий Модифицированный чугун Коррозионностойкая сталь Стеллит
Масло Бензин Пар Вода Воздух
Наивысшее практически применяемое
500
О
Антифрикционные сплавы
15
100
о
Резина натуральная
Вода Воздух
15
100
Резина синтетическая
Масло
Вода
Бензин
Воздух
Пар
Наивысшее
100
Кожа
150
Нейлон Фторопласт
100—120
Полиамидная смола Полихлорвинил
60
Фибра Бумага
Масло Бензин
Пар Вода Воздух
150
Паранит
450
15.1. Основные материалы, применяемые для изготовления уплотнений
15.1. Основные материалы, применяемые для изготовления уплотнений
Вязкость минеральных масел для гидравлических систем выбирают в зависимости от давления, при котором система будет работать, и типа насоса или гидромотора. Для гидросистем с быстроходными машинами вязкость масла должна быть несколько меньше, чем у систем с тихоходными машинами. Ориентировочно для выбора вязкости минерального масла можно использовать графики, при- веденные на рис. 15.1. ’ : ’
К жидкостям, используемым в качестве рабочих сред в гидравлических системах станков предъявляют следующие требования:
вязкость рабочей жидкости должна обеспечить достаточное уплотнение при наименьших затратах на преодоление сил внутреннего трения; она должна быть по возможности постоянной.
Рабочая жидкость гидросистем должна обладать хорошей смазывающей способностью, образовывать прочные пленки на поверхностях трущихся деталей для уменьшения трения и изнашивания;
не вызывать коррозии металлических частей, набухания и разрушения уплотнений в течение всего срока службы;
быть устойчивой к окислению и выделению паров, газов и смол, а содержащиеся в ней примеси не должны нарушать нормальной работы гидравлических устройств;
быть безопасной в эксплуатации.
В гидравлических приводах очень важны средства уплотнения. Блез Паскаль сформулировал свой закон примерно так. Если два сообщающихся сосуда уплотнить точно пригнанными поршнями, площадь одного из которых в 100 раз больше площади другого, то усилия одного человека, приложенные к меньшему поршню, будут эквивалентны усилию 100 человек на большем поршне. Но реализа- 260
Материал
Рабочая среда
Наибольшее давление, МПа
Наибольшая температура, °C
Шнур асбестовый, натертый ^афитом
Масло
Вода
Пар
Воздух
10
300
Шнур пеньковый, пропитанный жиром
16
120
Хлопчатобумажные набнвки, пропитанные жиром
20
Пакля с краской (сурнк)
Примечание.
— неподвижные соединения;
вращательное движение.
поступательное движение;
ция описанной Паскалем машины стала возможна лишь спустя почти целое столетие, после того, как поршни удалось уплотнить с помощью волокон пряжи, пропитанных животным салом, т. е. «сальниками». Уплотнители (сальники) изготовляют из кожи, ткани, пряжи, резины. В настоящее время применяют синтетические материалы, которые расширяют эксплуатационные возможности гидропривода (табл, 15.1).
Способы уплотнения приведены в табл. 15.2.
§ 3. НАСОСЫ И ГИДРОМОТОРЫ
В гидравлических системах источниками энергии являются насосы, конструкции которых весьма разнообразны. Конструктивные схемы насосов, получивших наибольшее распространение в металлорежущих станках, приведены в табл. 15.3.
Все объемные гидравлические насосы по характеру изменения объема рабочей камеры разделяют на две группы: с возвратно- поступательным движением вытеснителя и с вращательным движением. Действие объемного насоса основано на попеременном увеличении и уменьшении объема рабочей камеры (гп1 — z^ ST. При увеличении объема рабочей камеры (например, при движении поршня вверх, рис. 15.2) в ней понижается давление, и жидкость из бака
Вид соединения
Пригонкод
Набивками
Пластинами
•Способ уплотнения
Манжетами комбинированными
Манжетами Круглого, прямоугольного и крестообразного сечения
15.2, Способы уплотнения 6 зависимости от Вида движения
Скорости
Эскиз уплотнения
м/с
3,-5 .
О2...03
16-90
as-y
0,3-50
03-2
0,5-2.5
Тоже
5-10
S8SSS5
Теппера тура.
200-
950
.вид движе
ния
Манжетами диарраспенными
До 10-15
Давление, МПа
Зависит от матери ала манжеты
опарными
кольцами
До
20
До 850
До
20
От 60 да 120
До
50 В наборах
15 20 при гноон -0,005
Манжетами
с уплотняющими
кромками
Зависит от матера ала
Рис. 15.2. Поршневой насос с ручным приводомРис. 15.2. Поршневой насос с ручным приводом
Рис. 15.2. Поршневой насос с ручным приводом
Рис. 15.2. Поршневой насос с ручным приводом
Аккумуляторы применяют вАккумуляторы применяют вттгг£ LtSi + £ Z^£ LtSi + £ Z^Рис. 15.3. Применение газовых аккумуляторов для предохранения системы от динамических перегрузокРис. 15.3. Применение газовых аккумуляторов для предохранения системы от динамических перегрузокприводах как аварийные или до-приводах как аварийные или до-под действием атмосферного или какого-либо избыточного давления заполняет увеличившийся объем (происходит всасывание рабочей жидкости). При уменьшении объема рабочей камеры жидкость выдавливается в напорную линию. При этом механическая энергия, затраченная на изменение объема рабочей камеры насоса, преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости.
Аккумуляторы применяют в
Аккумуляторы применяют в
т
т
г
г
£ LtSi + £ Z^
£ LtSi + £ Z^
Рис. 15.3. Применение газовых аккумуляторов для предохранения системы от динамических перегрузок
Рис. 15.3. Применение газовых аккумуляторов для предохранения системы от динамических перегрузок
приводах как аварийные или до-
приводах как аварийные или до-
Кроме насосов в качестве источника энергии в гидроприводах станков используют аккумуляторы, которые в зависимости от способа накопления энергии разделяют на грузовые, пружинные и газовые.
полнительные источники энергии. Если аккумулятор является аварийным источником энергии, необходимый объем баллона газового аккумулятора
। Pmln 1’
Ртах п
где &зап— коэффициент запаса, равный 1,15—1,20; Lt — перемещение поршня исполнительного органа; Sz- — рабочая площадь поршня; Vj — рабочий объем гидромотора исполнительного органа; Zt — необходимое число оборотов гидромотора для привода исполнительного органа в безопасное положение; pm!n — минимальное давление в системе, при котором осуществляется перемещение исполнительных органов; ртах — максимальное давление в системе в процессе ее работы; п— показатель политропы, равный 1,4; т, г — число гидромоторов поступательного и вращательного движения, приводимых в движение от аккумулятора.
Газовые аккумуляторы применяют также для предохранения гидравлической системы от динамических перегрузок в процессе
Параметр
Коловратные
Пл
шестеренные
циклоидальные винтовые
героторные
одинарного действия
19
жте
4?
V/
x^y^xwx
3d»
h=io!3d«
Объем рабочей камеры v
2nmDB
4,14^
Тб [(/?? — rf) 4-
2е6 (21?л — гб)
Частота вращения п, мин-1
950—4000
950—20 000
950—5000
950—4000
Рабочее давление р, МПа
10—25
10—35
7—21
7—14
Общий КПД Поб
0,8—0,9
0,7—0,86
0,85—0,9
0,8—0,85
Объемный КПД Пв
0,9—0,95
0,75—0,95
0,8—0,95
0,6—0,95
15.3. Схемы насосов, применяемых в металлорежущих станках
Примечание. Потребляемая мощность N = ; подача (расход) Q = vnr)p
- стинчатые
Поршневые
двукратного действия
эксцентриковые
радиальные
аксиальные
т
26 [л (rl — г^ — — (Г2 — Н)*6!
1,55еяЙ
гай
—;— 2ez 4
^-DtgP
950—3000
950—6000
600—1500
950—4000
7—21
20—100
20—80
7—55
—
0,8—0,85
0,9—0,96
0,85—0,9
0,9—0,95
0,6—0,95
0,95—0,98
0,95—0,98
0,95—0,98
частота пульсации f = -эд*; * ^ число
циклов подачи жидкости в наружную полость
за один оборот.
работы. При резкой остановке исполнительных органов или их реверсировании кинетическая энергия жидкости переходит в потенциальную, и давление может резко возрастать. Объем баллона газового аккумулятора (рис. 15.3) Акъ применяемого для защиты от динамических нагрузок, возникающих при резкой остановке или реверсе,
^б. Ак, ^-/-«(^) (-f + -2~) STpL,
где итр — скорость движения жидкости в трубе до возмущения; а — скорость распространения ударной волны в линии гидросистемы, для стальных трубопроводов а = 1200^-1400 м/с, для армирован- 266
ных шлангов а = 600-4-800 м/с, для медных трубопроводов а = = 900-4-1100 м/с; р—давление в системе до возмущения; рпач— начальное давление газа в аккумуляторе (при отсутствии давления в гидравлической системе); I = -у- — допустимое относительное повышение давления в гидросистеме; STp — площадь проходного сечения; L — длина линии гидросистемы.
Объем баллона газового аккумулятора Акг может быть выбран по соотношению ,
V6. ак2 5= 2n— Q„ ( р^ ) ( g + 2 ) *
где QH — подача насоса. •
15.4. Основные типы силовых гндроцнлнндров
Телескопические
Комбинированные
Моментные
ПростыеДифференциальные
Плунжерные
Пара-метр
М = ^=А^
Рабочая площадь
sx = s2 = s = = я (О2 — d2) 4
О"D2 .
n(D2-d?) .
“4
cnd|
-2- —
nd2;
4i
Скорость движения
01
<2 . °‘=sT’
Q .
Q
<2 v s
Сила тяги
F = S (p, — p2) — ^тр
^1 = PjSiPzS2F Tp;
^2= Рг8гptSxFTp;
^з “ PH (Sf — S2) — fIp
F = S (p, — p2) —- 1
^tpI
Минимальная собственная частота
V mW
V m \ Wt Wa )
1/ 2£S2I
V mW-I
Q _ nd2
_ ndf .
4 ’
S2 = -^-№-di);
s3 = -^-№-^)
5Л = № — r) 6, где b — ширина лопатки
При отсутствии нагрузки
<2
01 = - J- > V2 =
4<?
ndi >Va
nd| 4 ndj
Q .Q .
V1- Sx ’ V2 S1 + S3-S,’
<2
1,3S1+S3 ’
<2
V4 S3-S2
v 6 (I?2 - r2)
F= ps— FTp
Fl ~ P1S1 PaS3 — FTp;
F$ — Pi (Si -J- S3 — Sa) fjp!
Fa~ Pi (Sj + S3) — PgS2 Гтр!
Fi= Pi (S3S2) FTp
P2r2
AfBp = 6 -■ 2■ X
X (Pi — P2) — ^ip
ES2 mWmax
V т к Г3 + Гх "г" ^2 /
^2_Г2 2 7прГ
6
Гидромоторы разделяют по виду движения на возвратно-поступательные, неполноповоротные и вращательного движения. Конструктивные схемы и основные характеристики возвратно-поступательных, неполноповоротных (силовых цилиндров) приведены в табл. 15.4.
АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ
Аппаратуру управления гидравлическими приводами по назначению разделяют на аппаратуру для управления и регулирования давления рабочей среды и величиной и направлением потоков рабочей среды.
К первой группе относят предохранительные и редукционные клапаны, а также клапаны постоянной разности давления. Предохранительные клапаны предназначают для: предохранения систем от перегрузок, в основном статических; установления нужного давления в системе; разгрузки системы от давления, т. е. для отвода жидкости через клапан в бак прн минимальном давлении.
В предохранительном клапане (рис. 15.4) жидкость из полости А по каналу / поступает через демпфер 2 в заклапанную полость 3 переливного клапана 4. При отсутствии напряжения на электромагните 5 управляющий клапан 6 полностью открыт, и жидкость из канала управления заклапанной полости переливного клапана сливается в бак через канал 7. Когда давление в заклапанной полости минимально, переливной клапан открывается под давлением подводимой жидкости, и в полости А устанавливается давление, определяемое усилием пружины переливного клапана,
„ / № + А) I8д з
Ра-
где / — жесткость пружины переливного клапана; h0 и h — соответственно предварительный натяг пружины и величина открытия переливного клапана; 8Д и 5ЛЗ — эффективные площади полости управления А и заклапанной полости; р4 — давление в заклапанной полости.
При подаче напряжения на обмотку электромагнита в зависимости от силы тока меняется сила, с которой затвор клапана 6 поджимается к соплу. Увеличение сопротивления потоку жидкости, проходящему через управляющий клапан, приводит к увеличению давления в заклапанной полости. Последнее приводит к уменьшению открывания переливного клапана и увеличению давления в полости А. Если управляющий клапан полностью перекрыт, то при дальнейшем возрастании давления в заклапанной полости открывается предохранительный клапан 8, и давление в заклапанной полости будет ограничиваться настройкой этого клапана. Применение электромагнита с регулируемой силой и электронной системой управления этим магнитом позволяет изменять давление в гидравлической системе по требуемому закону. Последнее обеспечивается соответствующим изменением силы тока в обмотке регулируемого электромагнита.
Тяговая характеристика электромагнита такова, что на длине 1,5 мм сила тяги при неизменной силе тока практически остается постоянной. Величина хода затвора управляющего клапана менее 1 мм. Упрощенная схема управления электромагнитом представлена на рис. 15.5. Требуемое давление устанавливается входным потен-
5
Рнс. 15.4. Предохранительный клапан (а) н условное изображение его (б, в)
циометром. Формирователь нарастания и снижения напряжения формирует закон нарастания и снижения давления в системе. Генератор пульсирующего сигнала обеспечивает стабилизацию сил трения при перемещении затвора управляющего клапана и якоря электромагнита за счет их осциллирования с частотой 200 Гц. В гидроприводах станков с программным управлением предохранительный клапан с электронным управлением применяют для разгрузки насоса в определенные периоды цикла, ограничения силы подачи
исполнительного органа в зависимости от прочности инструмента, изделия, перенастройки, силы зажима в зависимости от массы (конфигурации, жесткости) детали.
Рис. 15.5. Упрощенная схема управления электромагнитом
Редукционные клапаны предназначены для снижения давления ■ в отдельных ветвях гидравлической системы по сравнению с давлением, развиваемым насосом. Переливной клапан редукционного клапана нормально открытый (рис. 15.6). Подвод жидкости осуществляется через полость Б, а отвод в линию пониженного давления 272
через полость А. При ступенчатом изменении силы тока в обмотке электромагнита возможное повышение давления ограничивается клапаном 1.
Клапаны постоянной разности давлений предназначены для поддержания постоянного перепада давления на каком-либо гидравлическом сопротивлении, В качестве такого гидравлического сопротивления могут быть распределители, дроссели, гидромоторы
Рис. 15.7. Клапан постоянной разности давления (а) и условное изображение нормально открытого (б) и нормально закрытого (в) клапановРис. 15.7. Клапан постоянной разности давления (а) и условное изображение нормально открытого (б) и нормально закрытого (в) клапанов
Рис. 15.7. Клапан постоянной разности давления (а) и условное изображение нормально открытого (б) и нормально закрытого (в) клапанов
Рис. 15.7. Клапан постоянной разности давления (а) и условное изображение нормально открытого (б) и нормально закрытого (в) клапанов
Рнс. 15.8. Обратный клапан:Рнс. 15.8. Обратный клапан:а — без управления; б — с дистанционным управлениема — без управления; б — с дистанционным управлением
Рнс. 15.8. Обратный клапан:
Рнс. 15.8. Обратный клапан:
а — без управления; б — с дистанционным управлением
а — без управления; б — с дистанционным управлением
исполнительных органов. Эти клапаны могут быть выполнены в виде самостоятельного аппарата в отдельном корпусе либо в сочетании с другими аппаратами (дросселем, распределителем и т. п.).
Клапан постоянной разности давления (рис. 15.7) расположен в монтажной плите, на которой монтируют различную гидравлическую аппаратуру. Вход аппарата, на котором требуется обеспечить постоянный перепад давления, подключают к каналу Б, а выход — к каналу В. Подвод масла осуществляется через канал А.
Если пренебречь силами трения, разность давления на подключенном аппарате в установившемся режиме
Клапаны постоянной раз-
ности давления можно уста
навливать параллельно и последовательно до и после аппарата, на котором требуется обеспечить постоянный перепад давления. В последнем случае клапан должен быть нормально закрытым.
В аппаратуру управления и регулирования величиной и направлением потока рабочей среды входят обратные клапаны, дроссели- распределители. Обратные клапаны без управления предназначены для прохождения жидкости только в одном направлении (рис. 15.8, а); обратные клапаны с управлением — для прохождения жидкости по команде в обратном направлении (рис. 15.8, б). Потери
давления на клапане составляют 0,05—0,3 МПа в зависимости от величины потока.
Дроссель используют для управления величиной подачй жидкости в результате изменения гидравлического сопротивления. Управление может быть ручным, механическим или электрическим (электронным).
Дроссель поршневой конструкции с электронным управлением (рис. 15.9) имеет якорь 1 электромагнита 2, который воздействует на поршневой затвор 3 и, сжимая пружину 4, изменяет проходное сечение щели а, соединяющей канал А с каналом Б. Положение поршневого затвора и магнита контролируется индуктивным датчиком перемещения 5. В электронном усилителе 6 переданное датчиком
Рис. 15.9. Дроссель поршневой конструкции с электронным управлением
перемещения фактическое значение положения затвора сравнивается с заданным. При рассогласовании этих величин сила тока в электромагните 2 меняется, устраняя рассогласование между заданным и фактическим положением затвора дросселя. Для устранения изменения потока жидкости через дроссель в зависимости от изменения перепада давления на нем последовательно или параллельно дросселю включается клапан постоянной разности давления. При постоянном перепаде давления на дросселе поток жидкости определяется лишь величиной проходного сечения дросселя.
Распределители предназначены для управления направлением и потоком жидкости. По числу подводящих и отводящих каналов (трубопроводов) различают двух-, трех-, четырех- и многолинейные распределители. По числу возможных соединений каналов распределители делят на пропорциональные и двух-, трех- и многопозиционные. В табл. 15.5 приведены основные типы распределителей и виды управления ими.
Наиболее перспективными для использования в приводах автоматизированных станков и промышленных роботов являются распределители с управлением посредством электромагнитов с регулируемой длиной хода (рис. 15.10). Положение якоря / электромагнита 2 контролируется с помощью датчика положения 3 и сохраняется независимо от противодействующей силы во всем рабочем диапазоне.
15.5. Условные изображения распределителей и виды управления ими
Распределитель
Условное изображение
Распределитель
Условное изображение
Тил
Двухлинейный:
двух позиционный
пропорциональный
Трехлинейный:
двухпозиционный
пропорциональный
Четырехлинейный:
пропорциональный
трехпозицион
ный:
с открытым сливом и напором
с открытым напором
с открытым сливом
с закрытым центром
с перепуском в центре
Пятилинейный трехпозиционный
1
Шестилиней-. .
ный четы-II
рехпози-zv
ционныйAS
T
1
1
^поворотного Пл-аУ
типа)^5пУ ^&$У
Вид управления
Электронное
Электрорелейное
Гидравлическое
Пневматическое
Электронно-гидравлическое
Элект рон но- п нев- матическое
Механическое
Ручное
С помощью пружины
1—
т \
к
1 1
1 1
к Л J
1
т
iiMix
IF
L
X
гг
IF
'X
1 ь
Ipyqj^
т
X
1 L
L
V П
‘X
1
KF
III
Сигнал о положении распределителя поступает от датчика 3 в электронный усилитель 4 для сравнения с сигналом задающего устройства 5. При рассогласовании этих сигналов на обмотку электро-
Рис. 15.10. Распределитель с электронным управлениемРис. 15.10. Распределитель с электронным управлением
Рис. 15.10. Распределитель с электронным управлением
Рис. 15.10. Распределитель с электронным управлением
магнита поступает ток, что устраняет возникшее рассогласование. Применение обратной связи компенсирует гидродинамические силы в распределителе.
ВЫБОР ГИДРОМОТОРА
Определение параметров гидромоторов исполнительных органов станка в зависимости от заданных характеристик движения исполнительных органов сводится к определению наибольшей возможной нагрузки и согласованию кинематических характеристик мотора с заданным законом движения. В качестве примера определим необходимые параметры гидромотора механизма автоматической смены инструмента (рис. 15.11). Пусть требуется обеспечить поворот звена А на угол ср за время, не большее t.
Вращающий момент, необходимый для приведения в движение звена А,
Мвр = mxgl\ cos <p —— migk cos ф ++ («Л + ^i^) ф ++ (^2 + Ш^ ф + MTp,
Рис. 15.11, Механизм смены инструмента (а) и требуемый закон движения (б):
1 — шпиндель стайка; 2 — ин* струментальиый магазин
г
где тх и тг — массы сменяемых инструментов; /х и /2 — расстояния от оси поворота до центров тяжести сменяемых инструментов; Jx и J2 — приведенные моменты инерции плеч звена Д; ф" — угловое ускорение; ф — угол поворота; Л4тр — момент сил трения.
Наибольший вращающий момент
М3р max “ (/П|/1 — Hl^t-z) g 4- (Ji 4~ J2 4" т1Л 4" m2^) фтах 4" Мтр.
Наибольшее угловое ускорение следует выбрать с учетом заданного угла поворота ф = л, наибольшего допустимого времени t и динамических характеристик механизма автоматической смены инструмента.
Угол поворота ф может быть выражен в соответствии с заданным законом (рис. 15.11,6) движения следующей зависимостью:
ф —2 Фтах 4" (G ^1) фтах 42 Фтах 4" (^4^з) Фпоз,
где фтах — наибольшая угловая скорость; фГ103 — угловая скорость, с которой происходит позиционирование звена А.
Обычно выбирают время разгона /р равным времени торможения /т, т. е. /р = (/j — /0) = /т = (/3 — /2). Ориентировочно время разгона, торможения и позиционирования /поз = (/4 — /а) можно выбирать исходя из наименьшей собственной частоты звеньев механизма автоматической смены инструмента. В первом приближении наименьшая собственная частота плеча звена А
®А =®А =/прЛ. 2 + mmax^l, 2/прЛ. 2 + mmax^l, 2
®А =
®А =
/пр
Л. 2 + mmax^l, 2
/пр
Л. 2 + mmax^l, 2
где /пР — приведенная жесткость; rnmax — наибольшая масса сменяемого инструмента.
Следовательно, время разгона и торможения, исходя из наибольшего значения постоянной времени звена А с некоторым запасом, можно полагать не менее 6 -^—, т. е. /р = 7Т = 6/сол- Для позиционирования обычно достаточно принять /Поз = (6-НО) ил.
Таким образом, исходя из заданного закона движения, угла поворота и наибольшего допустимого времени поворота, можно выбрать наибольшую угловую скорость
_ Ф —(6 4- 10)a>74no3
Фтах / _ (12 4- l6)Wjl
Полагая движение равнопеременным, наибольшее ускорение можно принять равным фтах =
Выбрав наибольшее ускорение, можно оценить, какой наибольший момент вращения Л4врП1ах должен развить мотор.
При выборе приводного мотора по мощности можно использовать следующее неравенство:
Я'ред
где фм— угловая скорость выходйою вала мотора при выбранной мощности; <ред =передаточное отношение редуктора; т] —
Фтах
общий коэффициент полезного действия редуктора.
При выборе приводного мотора по моменту, развиваемому на выходном валу, следует иметь в виду не только неравенство Л4М тах ^ 5s Мвртах/т]; ред, но и диапазон изменения скорости вращения вала МОТОра фм тах ^ фтах^ред, Фм min С фтап^ред- ПередаТОЧНОе ОТНО- шение Spefl следует выбирать таким, чтобы удовлетворялись все эти неравенства.
Если поворот осуществляется моментным цилиндром, то, задавшись наибольшим рабочим давлением гидравлической системы ртах = = 1,3; 6,3; 12,5; 32; 60; 80 МПа, принимают наибольший перепад давления в полостях моментного цилиндра равным 0,8ртах и, выполняя неравенство
bR^.0,8pmax>^^L,2’ г max?
выбирают конструктивные размеры моментного цилиндра (ширину Ь, наибольший R и наименьший г радиусы). .
Далее определяют требуемый наибольший поток рабочей среды, необходимый для достижения наибольшей скорости движения,
О -о/Ь^-г^
Чтах — Фтах ~,
Чоб
где цоб — объемный коэффициент полезного действия, учитывающий перетечки в полостях моментного цилиндра.
Затем находят наименьшую собственную частоту
^м. ц V,
где W — объем рабочей полости моментного цилиндра.
Эта частота не должна быть меньше выбранной ранее ил. Если собственная частота им. ц моментного цилиндра меньше ил, то ее следует принять за исходную для выбора времени разгона и повторить расчет.
Если для поворота используют силовой цилиндр и реечную передачу, то наибольшая сила, действующая на шток силового цилиндра,
МВр тах
^тах =;>
'л. к
где г3. к — радиус начальной окружности зубчатого колеса, ось которого совмещена с осью поворота звена А.
Задавшись наибольшим давлением pY в рабочей полости цилиндра и полагая ориентировочно давление слива рс равным 0,1ртах, можно выбрать конструктивные параметры силового цилиндра
?тах ^ PlSi 0,lpmaxS2.
Учитывая силы трения в уплотняющих манжетах поршня и штока диаметром dyn, получим
fmax < Pl^W -0,1 ртахЛ (О2 - W -
— иО • 0,62 dyyj9^Tp — nd • 0,62 dyn/?c^Tpf
где fTp — коэффициент трения, равный 0,1 при трении резиновой манжеты по стали.
Выбрав диаметры поршня D и штока d, длину рабочего хода штока цилиндра следует принять не менее £р. х ^ лг3. к. Наибольшая величина потока
Q — 4 ^з. кфшах +\Р1 Рс),
где /?у — коэффициент внутренних утечек, обычно к7 ^ = 0,1-7-0,25 см®/(с* МПа).
Наименьшая собственная частота
„ -1 /ZO^tEsE
Оц“ У тпр £л
где тПр — приведенная масса подвижных частей; £ц — суммарная длина полостей цилиндра.
Собственная частота ис. ц должна быть не менее частоты шл, по которой выбрано время разгона и торможения.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ
Объемное регулирование. Регулирование скорости движения исполнительных органов посредством изменения объема рабочих камер насоса называют объемным регулированием. Такое регулирование может быть бесступенчатым при бесступенчатом изменении объема рабочих камер насоса и ступенчатым.
Бесступенчатое изменение объема рабочих камер насосов в зависимости от их конструкции может осуществляться либо за счет изменения эксцентриситета ротора относительно статора в радиальнолопастных и радиально-поршневых машинах, либо за счет изменения угла наклона планшайбы или блока в аксиально-поршневых машинах, либо за счет изменения ширины зацепления в шестеренных насосах и пр., т. е. во всех случаях за счет смещения какого-либо органа относительно другого. Такое смещение может осуществляться с помощью, например, дифференциального цилиндра с полостями 11а и 116 (рис. 15.12). В полости Па, имеющей большую эффективную площадь, устанавливается давление, пропорциональное подаче насоса, посредством клапана постоянной разности давления 16, поддерживающего постоянный перепад на дросселе 9.
При увеличении силы тока, поступающего от электронной системы управления 4 в катушку электромагнита дросселя 9, дроссель увеличивает проходное сечение, и давление перед дросселем и в полости управления клапана 16 падает. Клапан 16 уменьшает свое проходное
279
Рис. 15.12. Схема объемного регулированияРис. 15.12. Схема объемного регулированиясечение, давление за дросселем 14 повышается. Увеличивается результирующая сила в полости Па цилиндра управления, шток которого перемещает сектор или планшайбу насоса 11 в положение, способствующее увеличению его производительности.
Рис. 15.12. Схема объемного регулирования
Рис. 15.12. Схема объемного регулирования
Питание системы управления производительностью насоса 11 осуществляется вспомогательным насосом 13, который обеспечивает необходимый подпор во всасывающей линии основного насоса.
Поток, проходящий через дроссель 9, пропорционален площади проходного сечения
Сдр = ^15др.
Величина открытия дросселя пропорциональна силе тока в регулируемом магните
Здр “ ^э^Э*
Поток жидкости, проходящей через дроссель, зависит от текущего значения объема vT рабочей камеры и частоты вращения насоса сон:
Qh = 9др ~ ^т®н = ^н^н®н, где ен = vT/vH — параметр настройки насоса, равный отношению текущего значения объема камеры vT к наибольшему объему камеры vH.
При постоянной частоте вращения параметр настройки насоса становится пропорциональным силе тока в регулируемом магните Дросселя 9: 8д = &1Э*
Давление за дросселем 9 ограничивается клапаном 15, который, как и клапан 16, контролирует давление в полости Па цилиндра управления. Наибольшее давление в заклапанной полости клапана 15 настраивается с помощью пропорционального клапана 3, управляемого электронной системой /. Поток жидкости зависит от силы тока в регулируемом магните дросселя 9, а наибольшее давление в системе — от силы тока в магните клапана 3. Аварийное ограничение давления определяется предохранительным клапаном 2. Аккумулятор 10 предназначен для сглаживания пульсаций потока и динамической защиты насоса при переключении распределителя 8. Предохранительный клапан 12 ограничивает давление во всасывающей полости основного насоса, предохраняя насос 13 от перегрузок. От распределителя 8 поток жидкости может поступать в рабочие полости, например регулируемого мотора 5. Объем рабочих камер мотора регулируется так же, как и объем камер насоса, и зависит от силы тока, поступающего из системы управления 6 в катушку электромагнита клапана 7.
Полагая, что поток, проходящий через дроссель, равен потоку в напорной линии насоса и затрачивается на вращение мотора и компенсацию объемных потерь в аппаратуре и моторе, а также на сжимаемость жидкости в напорной линии, имеем
eHvH®H -^kp — ^Lp — eMvM(oH = 0, (15.1)
Рис. 15.13. Статическая характеристика объемного регулированияРис. 15.13. Статическая характеристика объемного регулированиягде к — коэффициент утечек; р — перепад давления в напорной и всасывающей линиях основного насоса; W — объем напорной линии; Е — модуль упругости жидкости; ем — параметр настройки мотора, равный отношению текущего значения объема рабочей камеры vT. м к наибольшему vM.
Рис. 15.13. Статическая характеристика объемного регулирования
Рис. 15.13. Статическая характеристика объемного регулирования
Момент, развиваемый гидравлическим мотором, должен преодолеть моменты, создаваемые нагрузкой, инерционными силами и силами трения, т. е.
CP'Vm^m ~ ^ (О 4" Ар^м +
+ MIp sign им + MvcoM, (15.2) где с — коэффициент, зависящий от размерности величин, входящих в формулу; например, если р измеряют в МПа, a vM в м3, то с = = 156-1010; М (О —момент, создаваемый нагрузкой; /Пр — мо- мент инерции, приведенный к валу
мотора; Л4тр— момент силы трения, не зависящий от времени; Mv — градиент сил трения.
Исключив р из выражений (15.1) и (15.2), можно представить частоту вращения мотора в установившемся режиме в следующем виде:
е е vH<o —/ДО + М )
Ну Му н н IVm и ГР'
здесь индексом «О» обозначены величины установившегося режима.
На рис. 15.13 показан характер изменения частоты вращения выходного вала мотора в зависимости от изменения параметра регулирования насоса ен„ при наибольшем значении объема рабочей камеры мотора JeM„ = 1), а также характер изменения частоты вращения выходного вала мотора в зависимости от изменения объема рабочей камеры мотора, т. е. от параметра еМо при наибольшем значении объема рабочих камер насоса (еи„ = 1). На этом рисунке показан характер изменения вращающего момента и мощности в зависимости от частоты вращения. При регулировании частоты вращения с помощью изменения объема рабочих камер насоса вращающий момент на валу мотора не зависит от частоты вращения, а по-
требляемая мощность изменяется пропорционально увеличению объема рабочей камеры насоса:
Мо = cpvM = const (при р = const); Nn = £-5- еН|),cn
где cN — коэффициент, зависящий от размерности принятых величин.
При регулировании частоты вращения с помощью изменения объема рабочих камер мотора следует учесть, что вращающий момент уменьшается с увеличением частоты при постоянных значениях р и QH, а потребляемая мощность становится наибольшей и не зависит от частоты вращения:
М» = ср^~ ’== const.
WM0CN
Уравнение динамики удобнее записать в отклонениях от установившегося режима движения, приняв <йг = гом„ — (ом:
^1 == Mq М (I)',81н = 8Но — ен; 81м = 8Мо — 8М,
где (Dj, Мь в1н, 81м — возмущения от соответствующих значений в установившемся режиме.
Объединив выражения (15.1) и (15.2) и опустив малые величины второго порядка, уравнение можно представить в следующем виде:
(28MoVM(OMo У8м0) 81м У8мо81н -j- «1(01 -j- «2(01 -(-+ («3 + ChoVm) ®i + PiMi -f- РгAlt = О,
гдегдеу = vH(oH;у = vH(oH;«1 =«1 =W'Jnp ._ 5Ыпр , U7MV .£cvM *2 су^ £cvm ’W'Jnp ._ 5Ыпр , U7MV .£cvM *2 су^ £cvm ’«3 =«3 =СУМ ’СУМ ’1 £cvM ’1 £cvM ’₽2 = ^₽2 = ^
где
где
у = vH(oH;
у = vH(oH;
«1 =
«1 =
W'Jnp ._ 5Ыпр , U7MV .
£cvM *2 су^ £cvm ’
W'Jnp ._ 5Ыпр , U7MV .
£cvM *2 су^ £cvm ’
«3 =
«3 =
СУМ ’
СУМ ’
1 £cvM ’
1 £cvM ’
₽2 = ^
₽2 = ^
Если оценивать отдельно влияние возбуждения по параметрам регулирования 81н, 81м и нагрузке Мг на изменение частоты вращения выходного вала мотора, то передаточные функции соответственно будут равны
Фе ^ = -^- =eiH ' ’ е1нФе ^ = -^- =eiH ' ’ е1нТеноТено“l^ + ^ + ^ + e^“l^ + ^ + ^ + e^при 81м = Мх = 0;при 81м = Мх = 0;
Фе ^ = -^- =eiH ' ’ е1н
Фе ^ = -^- =eiH ' ’ е1н
Тено
Тено
“l^ + ^ + ^ + e^
“l^ + ^ + ^ + e^
при 81м = Мх = 0;
при 81м = Мх = 0;
Ф (Г) = -^- =1М х ’ е1мФ (Г) = -^- =1М х ’ е1мФм. (Г) = -^Фм. (Г) = -^Уено — 2еМоУм<Оно а/2 + а2/- + а3 + 82м0ум-Pi(a/2 + ay + «з + e2 0vm0)Уено — 2еМоУм<Оно а/2 + а2/- + а3 + 82м0ум-Pi(a/2 + ay + «з + e2 0vm0)при 81н = Mt = 0;при 81н = Mt = 0;при 61н — е1м — 0"при 61н — е1м — 0"
Ф (Г) = -^- =
1М х ’ е1м
Ф (Г) = -^- =
1М х ’ е1м
Фм. (Г) = -^
Фм. (Г) = -^
Уено — 2еМоУм<Оно а/2 + а2/- + а3 + 82м0ум
-Pi
(a/2 + ay + «з + e2 0vm0)
Уено — 2еМоУм<Оно а/2 + а2/- + а3 + 82м0ум
-Pi
(a/2 + ay + «з + e2 0vm0)
при 81н = Mt = 0;
при 81н = Mt = 0;
при 61н — е1м — 0"
при 61н — е1м — 0"
Последнему выражению соответствует собственная частота
_ t/£(26Mv + C820v2„)
м- ~ V ^
значение которой уменьшается с увеличением объема жидкости в трубопроводах и приведенного момента инерции движущихся масс и уменьшением модуля упругости.
Зависимость собственной частоты системы в первых двух случаях более сложная:
, Л£(^/Иу + се>2)1 (Е2Мпр + WM<p
toe- V WJnp2 (Wnp)*
При незначительных утечках и силах трения увеличение объема жидкости в трубопроводах и приведенного момента инерции, уменьшение модуля упругости и объема рабочей камеры мотора способствуют уменьшению частоты гое. При незначительных силах трения увеличение утечек способствует уменьшению частоты го8. Значения
Рис. 15.14. Схема дроссельного регулирования
частот сом, и сог следует учитывать при выборе закона управления и назначения наибольшего ускорения или замедления.
Дроссельное регулирование. Регулирование скорости движения за счет изменения сопротивления называют дроссельным. По месту включения (дросселя относительно исполнительного органа различают дроссельное регулирование на входе (рис. 15.14, а), на выходе (рис. 15.14, б), в параллель (рис. 15.14, в) и дроссельно-дифферей- циальное регулирование (рис. 15.14, г).
Уравнение сил, действующих на поршень силового цилиндра, можно представить в следующем виде:
PiSi = paS2 + F (О + mu + FTp sign и + F„u, где и — скорость перемещения поршня.
Уравнения потоков при соответствующем включении дросселей могут быть записаны в следующем виде:
Qn = Siu + SA (pi - р^ -V^-P^
Qa = S2u + SA (pi - p^ - ^-р'ъ
Qh — q» = SiU + Qfl + SA (pi p2) H g^ P\\
Qfll = Qfl2 + Siu — Ац (p2 — Pi) + —g- Pi»
где QK — поток, проходящий через дроссель, уд = ц5дршах е X х ^^-(Да — рб); здесь р — коэффициент расхода; 5дршах — проходное сечение дросселя; е — параметр регулирования, равный отношению текущего значения открытия дросселя к наибольшему; р — плотность жидкости; ра, рб — давление жидкости до дросселя
Рис, 15,15. Статические характеристики дроссельного регулирования на входе и выходеРис, 15,15. Статические характеристики дроссельного регулирования на входе и выходеРис. 15.16. Статические характеристики при дроссельном регулировании в параллельРис. 15.16. Статические характеристики при дроссельном регулировании в параллель
Рис, 15,15. Статические характеристики дроссельного регулирования на входе и выходе
Рис, 15,15. Статические характеристики дроссельного регулирования на входе и выходе
Рис. 15.16. Статические характеристики при дроссельном регулировании в параллель
Рис. 15.16. Статические характеристики при дроссельном регулировании в параллель
и после него; ^к = £ц + ка — суммарный коэффициент утечек в цилиндре йц и аппаратуре ка; Fb F2 — объемы рабочих полостей и объемы подключенных до дросселя линий.
Если из уравнений сил и потока получить установившуюся скорость движения силового поршня, то при Sx = S2 и пренебрежении
Рис. 15.17. Статические характеристики при дрос- сельно-дифференциальном регулировании при постоянном открытии дросселя Д2 (а) или дросселя Д, (6):Д| н д2 — см. рис. 15.14Рис. 15.17. Статические характеристики при дрос- сельно-дифференциальном регулировании при постоянном открытии дросселя Д2 (а) или дросселя Д, (6):Д| н д2 — см. рис. 15.14
Рис. 15.17. Статические характеристики при дрос- сельно-дифференциальном регулировании при постоянном открытии дросселя Д2 (а) или дросселя Д, (6):
Д| н д2 — см. рис. 15.14
Рис. 15.17. Статические характеристики при дрос- сельно-дифференциальном регулировании при постоянном открытии дросселя Д2 (а) или дросселя Д, (6):
Д| н д2 — см. рис. 15.14
силами трения характер изменения скорости установившегося движения прн дроссельном регулировании на входе будет таким же, как и при регулировании на выходе (рис. 15.15). С точки зрения статических характеристик оба включения дросселей равноценны. Однако, если нагрузка меняет свой знак, то предпочтение следует отдать дроссельному регулированию на выходе. Так как растворенный в минеральном масле воздух оказывает большое влияние на динамические характеристики системы при небольших давлениях, желательно не допускать давление в рабочих полостях ниже 0,5 МПа. 284
Рис. 15.18. Изменение скорости движения поршня дифференциального цилиндра при постоянной нагрузке в зависимости от изменения проходных сечений дросселей Дг и Д3
При регулировании скорости движения с помощью дросселей, включенных на входе и выходе гидравлических исполнительных органов, потребляемая системой мощность наибольшая, поэтому независимо от нагрузки насос работает при наибольшем давлении.
Характер изменения скорости движения в установившемся режиме при регулировании дросселем, включенным парал
лельно исполнительному орга
ну, показан на рис. 15.16. Потребляемая системой мощность в этом случае зависит от нагрузки, так как давление в напорной полости
насоса также зависит от нагрузки.
Дроссельно-дифференциальное регулирование скорости позволяет изменить скорость движения исполнительного органа как по величине, так и направлению. На рис. 15.17, а показан характер изменения скорости движения с помощью дросселя Дх (см. рис. 15.14) при постоянном открытии дросселя Д2- За счет величины открытия дросселя Дх можно обеспечить перемещение штока дифференциального цилиндра как в одном, так и в другом направлении. При увеличении нагрузки скорость движения уменьшается.
Изменение скорости движения штока этого цилиндра можно получить и за счет изменения проходного сечения дросселя Д2 при постоянном открытии дросселя Д1 (рис. 15.17, б). При этом увеличение нагрузки способствует уменьшению скорости у0.
Скорость движения поршня дифференциального цилиндра при некоторой постоянной нагрузке изменяется в зависимости от изменения параметров регулирования обоих дросселей (рис. 15.18). Потребляемая мощность при дроссельно-дифференциальном регулировании скорости не зависит от нагрузки и так же, как при дроссельном регулировании, на входе и выходе наибольшая.
РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА
Исходя из функционального назначения каждого исполнительного органа станка, необходимо прежде всего определить полезную нагрузку, которую должен преодолеть проектируемый привод, и желаемый закон преодоления этой нагрузки, т. е. исходными условиями для расчета гидравлической системы являются статические, динамические и прочие нагрузки, а также величина пере-
мещения в функции времени, либо изменение скорости или ускорения во времени и т. п.
Выбор гидравлического исполнительного органа (мотора, силового цилиндра) в зависимости от нагрузки и требуемогб закона работы исполнительного органа станка показан на примере привода механизма автоматической смены инструмента. После выбора для каждого механизма станка гидравлических исполнительных органов (гидромоторов, силовых цилиндров) и их структуры систем управления для обеспечения требуемого закона перемещения этих органов
Рис. 15.19. Принципиальная гидравлическая схема приводов исполнительных органов станкаРис. 15.19. Принципиальная гидравлическая схема приводов исполнительных органов станка
Рис. 15.19. Принципиальная гидравлическая схема приводов исполнительных органов станка
Рис. 15.19. Принципиальная гидравлическая схема приводов исполнительных органов станка
становятся известными не только геометрические параметры гидравлических исполнительных органов (рабочий объем моторов, диаметры цилиндров и штоков, длина хода и т. п.), но и компоновка механизмов станка и объекта в целом. Поэтому ориентировочно можно оценить протяженность гидравлических линий до каждого гидромотора или силового гидроцилиндра и наметить местные сопротивления в линиях (места включения аппаратуры, изменения направления линий и т. д.). На этом этапе имеется возможность уточнить силы сопротивления не только за счет сил трения в механической части устройства станка, но и в уплотнениях гидравлических органов, а также потери в гидравлических линиях из-за включения аппаратуры, местных сопротивлений и потери на трение по длине линии.
На рис. 15.19 представлены гидравлические исполнительные органы со схемами систем управления и графиками предельных изменений во времени нагрузочных характеристик. Ниже приведен порядок предварительного расчета гидравлической системы станка. 286
Определение полезного перепада давления в полостях каждого гидравлического исполнительного органа:
для силовых гидроцилиндров
д - ^ max
^Рпол ^’
где Арпол = Р1— Рг — для простых цилиндров; Арпол = Pi — С
— рг^для диф4еренциальных цилиндров; здесь рх и рг — давление'соответственно в напорной и силовой полостях цилиндра; Sx и S2 — рабочие площади поршня в напорной и силовой полостях цилиндра; Етах — наибольшая возможная нагрузка на штоке цилиндра;
для моментного гидроцилиндра
д^вртах
Ариол = ь>
где Мвршах — наибольший вращающий момент на валу; 6 — ширина лопатки; R и г — радиусы статора и ротора; z — число рабочих камер;
для гидромотора
2лЛ1вр maxАрП0Л,
где vM — наибольший рабочий объем мотора.
Определение полезного расхода рабочей среды в полости каждого гидравлического исполнительного органа:
для силовых гидроцилиндров возвратно-поступательного движения
9пол = SlPmax>
где ишах — наибольшая скорость движения . поршня силового цилиндра; Sj — рабочая площадь в напорной полости цилиндра;
для моментного гидроцилиндра
Quun = ^o W-^T’
где а — угол поворота вала моментного цилиндра за время /;
для гидромотора
Qnon ~ ^м^тах»
где nmax — наибольшая частота вращения выходного вала гидромотора.
Оценка потерь давления в сливной и напорной линиях каждого гидравлического исполнительного органа:
Арс = АрТр. с -|- Арм. с + Арап, ci
Арн = АрТр. н 4- Арм. н + Арап. п>
где Арс, ,Арн — суммарные потери в сливной и напорной линиях, связывающих насосную станцию с рассматриваемым мотором или цилиндром; Артр, Арм, Арап — потери давления от преодоления
287
сил трения, местных сопротивлений и аппаратуры в соответствующих линиях.
Потери давления на преодоление трения по длине трубопровода зависят от характера потока, длины и диаметра трубопровода, а также скорости потока. Желательно, чтобы средняя скорость потока не превышала во всасывающих линиях 1,2 м/с; в сливных 2 м/с; в напорных 3—5 м/с при давлении 2,5—10 МПа и 8—10 м/с при давлении свыше 15 МПа. Внутренний диаметр d трубопровода определяют в зависимости от выбранной средней скорости и и величины потока Q:
d 5г 2 V Qj^vu-
Потеря давления, затрачиваемого на преодоление сил трения по длине трубопровода,
А1 L „
Л^тр - d 2g ^’
где L, d — длина и диаметр трубопровода; X — коэффициент сопротивления трению; при ламинарном потоке в металлических трубах X = (64-?75)/Re, в резиновых шлангах X = (75-?-85)/Re, при турбулентном потоке X = 0,316Re~0,25; здесь Re — число Рейнольдса, равное ^Qhll (П — периметр сечения трубы; v — кинематическая вязкость жидкости).
Потеря давления, затрачиваемого на преодоление местных сопротивлений, выражается через суммарный коэффициент местных сопротивлений от скоростного напора:
^рм = ^-^-Ъ
где 2g — суммарный коэффициент местных потерь. Коэффициенты местных потерь для минеральных масел и воды считают одинаковыми и значения их берут из справочников.
Потеря давления при прохождении жидкости через аппаратуру берется из каталогов на аппаратуру. Ориентировочно можно принимать следующие величины потери давления при прохождении жидкости: обратных клапанов 0,05 МПа; фильтров 0,05—0,15 МПа; теплообменников 0,15—0,2 МПа; клапанов постоянной разности давления 0,25—0,8 МПа; реверсивных распределителей 0,3 МПа.
Определение наибольшего давления, которое необходимо создать на входе системы управления каждого гидравлического исполнительного органа;
для простых цилиндров, моторов, моментных цилиндров Рраб = Мм + МПОЛ + Арс;
для дифференциальных цилиндре:
Рраб — Арм + А/2пол -|- Арс "^~ •
Если предполагается применить один источник энергии, то из найденных значений наибольших рабочих давлений выбирают мак- 288 :
симальное, по которому настраивают предохранительный клапан с некоторым запасом:
Ркл = Рраб max (1Л ~ 1Л $)•
При необходимости на входах локальных систем управления устанавливают редукционные клапаны для обеспечения найденных входных давлений на остальных участках системы (рис. 15.20).
Определение объемных потерь (внутренних утечек) при работе каждого гидравлического исполнительного органа. Суммируются все объемные потери не только на работающем участке системы, но и на аппаратах, соединенных с напорной линией рассматриваемого участка. Расход управления жидкости в редукционном клапане.
Рис. 15.20. Принципиальные гидравлические схемы возможных вариантов насосных станций (Л и 5 то же, что на рис. 15.19)Рис. 15.20. Принципиальные гидравлические схемы возможных вариантов насосных станций (Л и 5 то же, что на рис. 15.19)
Рис. 15.20. Принципиальные гидравлические схемы возможных вариантов насосных станций (Л и 5 то же, что на рис. 15.19)
Рис. 15.20. Принципиальные гидравлические схемы возможных вариантов насосных станций (Л и 5 то же, что на рис. 15.19)
сливающейся в бак, приведен в каталогах, обычно он не превышает 13—20 см3/с. Полагают, что характер потока внутренних утечек — ламинарный, поэтому величина их прямопропорциональна перепаду давления Ар на уплотняющих щелях аппаратов, т. е. QyT = £утАра, где Ара — перепад давления на аппарате. В каталогах аппаратуры приведены либо величина утечек при указанном перепаде давления, либо коэффициент утечек, либо коэффициент объемного действия, который связан с коэффициентом утечек следующей зависимостью:
Ь — №ут Ь — №ут Рд ПуРд Пу
Ь — №ут
Ь — №ут
Рд Пу
Рд Пу
где Qa — величина потока, проходящего через аппарат, при давлении рд и коэффициенте объемного действия т]р.
Ориентировочно для аппаратуры &ут, ап = 0,017 см3/(МПа-с); для цилиндров £ут ц = 0,0344-0,05 см3/(МПа-с); для гидромоторов йут м = 0,84-1,2 см3/(МПа-с).
Определение величины необходимых подач рабочей среды для каждого гидравлического исполнительного органа в отдельности:
Qp ~ Спол + ^&ут ^Pa-
Т. Определение наибольшей производительности насосной станции, которая может потребоваться в процессе работы всех механизмов станка. Последовательность участия в работе гидравлических
28928910 п/р В. Э. Пуша
289
289
исполнительных органов, а также их одновременная работа определяются технологическим процессом и номенклатурой заготовок. Поэтому на данном этапе анализируются возможные сочетания работы гидравлических органов и отмечается такое, которое требует наибольшей подачи насоса.
В зависимости от характера возможных сочетаний работы оценивается возможность применения аккумуляторов или периодически подключаемых насосов и пр
Давление, создаваемое выбираемыми насосами, должно быть больше давления, на которое настраивается предохранительный клапан, т. е.
^доп. н ^ Ркп max-
Мощность приводного электродвигателя выбирают в соответствии с неравенством
Л; QhPvk max
где QH — подача насоса, л/мин; ркл ^ — давление настройки предохранительного клапана, МПа; цн—общий коэффициент полезного действия насоса.
Определение коэффициента полезного действия гидравлической системы, как отношение полезной работы к затраченной:
^ Qnon бРпол th
Пг'с = О^Т ’
где индексом I — помечены номера гидравлических исполнительных органов; / — время работы этих органов в течение одного цикла продолжительностью Т.
Количество теплоты, выделяемое гидравлической системой, Q=^L.(1_tl;.c).
В прецизионных станках накладывают условие на повышение температуры рабочей жидкости в гидросистеме исходя из допустимых температурных деформаций корпусных деталей станка. В этом случае необходимо выбирать коэффициент теплоотдачи йт и поверхность излучения теплообменника ST:
где ДТ — допустимое повышение температуры.
Если нет таких ограничений, то из условия работоспособного состояния рабочей среды температура не должна превышать 55 °C, т. е.
55°С>ТМ = ТО +
где Тм — температура рабочей среды; То — температура окружающей среды; S6, ST — поверхности излучения бака и теплообменника; ^б, ^т — коэффициенты теплопередачи бака и теплообменника.
Ориентировочно для бака, расположенного в нише станка, &б = 9 [-^-]; Для бака, расположенного вне станка, ко = = 15Для бака, обдуваемого вентилятором, &б = 234-
[Вт 1
-^5^- J; для воздушного- теплообменника &т = 70 4-
ТГ £ Вт 1
—; для водяного теплообменника &т = 1204-230 —^ . м2К JL м2к J
Уточненные расчеты проводят для оценки переходных процессов в гидравлических системах. В зависимости от поставленной задачи рассматривают частотные характеристики системы, а в отдельных случаях расчет ведут с учетом распределенных параметров системы
ГЛАВА 16
МАНИПУЛЯТОРЫ*
МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СМЕНЫ ЗАГОТОВОК
Автоматизация вспомогательных операций смены заготовок и деталей на станках с ЧПУ создает предпосылки для внедрения трудосберегающей («безлюдной») технологии в механообрабатывающем производстве, а также повышает его эффективность за счет сокращения простоев станков между отдельными рабочими циклами. Из-за многообразия компоновочных схем станков и способов их загрузки, а также типов изготавливаемых деталей конструкции устройств для автоматической смены заготовок могут быть различными. В автоматизированных станочных системах данные устройства, как правило, включают в состав гибкого производственного модуля для соединения его с транспортными и накопительными устройствами. При этом выбор конструкции загрузочного устройства к станку зависит от принятой схемы транспортно-накопительной системы. В то же время загрузочные устройства целесообразно механически отделить от станка для его виброизоляции. Конструктивная автономность устройств автоматической смены заготовок создает возможность нх проектирования в виде достаточно универсальных манипуляционных механизмов, имеющих собственные приводы и средства электро-, гидро- или пневмоавтоматики.
Автоматические загрузочные устройства для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на многоинструментальных токарных, кругло- или внутришлифовальных станках с ЧПУ, могут быть выполнены в виде манипуляторов с поворотным или рычажным захватным механизмом (табл. 16.1).
10*10*Поворотные загрузочные устройства к станкам с ЧПУ предназначены для манипулирования главным образом длинными заготовками
10*
10*
291
16.1 Схемы манипуляторов для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на станках с ЧПУ.16.1 Схемы манипуляторов для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на станках с ЧПУ.
16.1 Схемы манипуляторов для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на станках с ЧПУ.
16.1 Схемы манипуляторов для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на станках с ЧПУ.
(типа валов), обрабатываемыми на станке в центрах. В этом случае цикл обслуживания станка, который сводится к снятию обработанной заготовки и установке следующей, можно осуществить при повороте двухзахватного механизма на 180°. Если заготовку обрабатывают в патроне станка, то поворотное загрузочное устройство должно иметь дополнительное осевое движение. В зависимости от числа обслуживаемых позиций, одной из которых является рабочая позиция — шпиндель станка, а остальные — вспомогательные позиции транспортно-накопительной или контрольно-измерительной системы, поворотные загрузочные устройства могут быть двух- или многопозиционными.
Схемы трехпозиционного поворотного загрузочного устройства для токарных станков с ЧПУ приведены в табл. 16.1 (схемь^/а, б ив). Захват очередной заготовки осуществляется непосредственно с ленты транспортера-накопителя или из магазина, где заготовки предварительно установлены в ориентированном виде на специальных призмах. Другие позиции манипулятора совпадают с осью шпинделя станка или с позицией контроля обработанной на станке детали.
Конструктивной особенностью приведенных в табл. 16.1 схем 1а и 16 поворотного загрузочного устройства является обеспечение гипоциклоидной траектории движения заготовки за счет одновременного вращения захватного устройства вокруг своей оси и поворота головки со схватом относительно параллельной оси, смещенной на величину эксцентриситета е. В этом случае при достижении конечных положений (позиций 1, 2 и 3) скорость перемещения заготовки автоматически снижается, что обеспечивает повышение точности ее позиционирования. Кроме того, при гипоциклоидной траектории движения центра схвата исключается возможность столкновения заготовки с резцедержателем станка, зажимными и транспортными устройствами, а также уменьшается время общего цикла обслуживания станка.
Для параллельного обслуживания двух рабочих позиций (например, в двухшпиндельном станке) загрузочное устройство выполняют двуруким с неизменяющимся относительным положением рук на поворотном устройстве, определяемым углом <р между одноименными позициями 1 и Г, 2 и 2' и т. д. (схема /в).
Конструкции захватных устройств и формы их зажимных губок зависят от типоразмеров обрабатываемых на станке заготовок. Обычно губки имеют призматическую форму и достаточно большой развод при разжиме, создающий возможность при одной настройке манипулировать заготовками, у которых диаметральные размеры достигают 40—50 мм. Возможно применение сменных схватов. Поворотные загрузочные устройства можно монтировать на консоли, жестко закрепленной на каретке, которая перемещается над станком по направляющим траверсы (схема /а). Такая конструкция загрузочного устройства отличается компактностью и предназначена для обслуживания нескольких позиций, расположенных вдоль оси траверсы в рабочей зоне манипулятора. В других конструкциях
загрузочных устройств их поворотная часть, несущая схваты, установлена неподвижно, например, на корпусе магазина-накопителя заготовок, образуя единый магазинный загрузочный механизм (схема 16). Данный механизм для загрузки заготовок может передвигаться вдоль оси станка, освобождая рабочее пространство для обслуживания и наладки.
Рычажные загрузочные устройства предназначены для манипулирования тяжелыми заготовками типа валов (массой до 500 кг и длиной до 3 м), а также для загрузки средних по размерам заготовок фланцевого типа.
Рычажные устройства выдвижного типа выполнены в виде штока со схватом, совершающим возвратно-поступательное движение. Поворотные рычажные устройства представляют собой механическую руку с двумя или тремя степенями подвижности и захватным устройством. Цикл работы манипуляторов задается с помощью средств путевой электро-, гидро- или пневмоавтоматики.
Манипулятор для загрузки заготовок фланцевого типа, обрабатываемых в патроне станка, может быть простым с поворотно- качательным движением руки. Заготовка в захватном устройстве базируется по торцу. Осевое перемещение для установки ее в патрон станка осуществляется специальным выталкивателем, встроенным в схват. Загрузочный манипулятор для заготовок типа валов имеет более сложную, например эллиптическую, форму движения схвата за счет поворотного и осевого перемещения механической руки. Осевое перемещение руки обеспечивает, например, специальный кривошипный механизм.
Такая сложная траектория движения схвата является рациональной с точки зрения закона изменения скорости и направления подвода и отвода в позицию / снятия очередной заготовки с транспортера и позицию 2 установки ее в шпиндель станка. Показанная на схеме в табл. 16.1 эллиптическая траектория движения схвата соответствует циклу загрузки станка; при разгрузке движение производится в обратном направлении. Захватное устройство можно легко переустанавливать вдоль горизонтальной и вертикальной осей, а затем закрепить винтами. За счет дополнительных перемещений рычагов руки относительно друг друга загрузочное устройство переналаживают в зависимости от длины и диаметра заготовок. Зажимные губки схвата также можно легко заменить.
Для рычажных устройств характерно двурукое исполнение: два манипулятора, которые установлены на общей каретке, перемещаемой по направляющим траверсы, совершают одновременные возвратно-поступательные движения, всегда находясь в противоположных позициях (схема 26). При этом один манипулятор оперирует заготовками, а другой — деталями. Для одновременного манипулирования заготовкой и деталью манипулятор может быть двухзахватным с дополнительным поворотным движением головки относительно оси руки на угол 180° (схема 2а).
Загрузочные устройства для заготовок типа колец и дисков, которые базируются на транспортере или в магазине-накопителе 294
по торцу, требуют исполнительных движений кантования перед установкой в патрон станка, а также после обработки для установки детали в приспособление-спутник транспортной системы. Дополнительная позиция, подготавливающая заготовку для загрузки ее в станок или для установки в приспособление-спутник, обслуживается специальным манипулятором-кантователем (схема /г). Цикл работы манипулятора-кантователя включает в себя следующие движения: захват заготовки в позиции 0, подъем и снятие ее с приспособления-спутника транспортно-накопительной системы, поворот в позицию 1 с одновременным кантованием на 90°, разжим после установки в загрузочное устройство. После обработки загрузочное устройство передает деталь в позицию 1 для захвата манипулятором- кантователем, который вновь переносит ее с одновременным поворотом на 90° в начальную позицию 0 и устанавливает в приспособление- спутник. Использование кантователя необходимо также при обработке заготовок с двух сторон при переносе их с одной рабочей позиции в другую (схема 26). Захватное устройство кантователя выполняют сменным для возможности настройки на определенный типоразмер деталей.
Автоматическая смена заготовок призматического типа, обрабатываемых на многооперационных станках с ЧПУ, может быть осуществлена двумя принципиально различными способами с использованием многопозиционных рабочих столов станка, имеющих возвратно- поступательное или поворотное делительное движения, или автономных загрузочных устройств, установленных рядом со станком.
При первом способе загрузки на столе станка устанавливают несколько приспособлений-спутников таким образом, чтобы во время обработки заготовки на рабочей позиции на других вспомогательных позициях были возможны снятие обработанной детали или установка очередных заготовок. Благодаря возвратно-поступательному или поворотному делительному движению стола станка либо установочному перемещению стойки со шпинделем производится смена его рабочей позиции. Однако такой способ смены заготовок требует значительной длины установочных перемещений или увеличения размеров стола для установки многопозиционного поворотного устройства.
В большинстве многооперационных станков используют различные схемы автоматической смены столов-спутников с автономными одно,- двух- или многоместными загрузочными устройствами (табл. 16.2). Применение сменных столов-спутников, на которых заготовки предварительно закрепляются, а затем переносятся в рабочую позицию либо переустанавливаются при многопозиционной обработке, контролируются и передаются на межстаночные транспортные средства, дает возможность автоматически сменять заготовки любой сложной формы и обеспечивать их постоянное базирование в процессе обработки.
Одноместные загрузочные устройства располагают вдоль продольной оси станка по обе стороны его стола (схема 1а). Цикл смены заготовки включает в себя прямолинейное перемещение стола станка
16.2. Схемы манипуляторов для автоматической смены заготовок на многооперационных станках с ЧПУ
Тип загрузочного устройства
Загруака
Схема загрузки
Одноместные
Продольная (схема /а)
Поперечно-продольная Т-образная (схема 76)
Поперечно-продольная Г-образная (схема 1в
Поперечно-продольная П-образная (схема 7г)
Двухместные
Поперечная (схема 2а)
Поперечная загрузка и поворотное перемещение загрузочного устройства (схема 26)
Многоместные
Продольная двусторонняя (схема За)
Поперечная загрузка и параллельное перемещение транспортера (схема 36)
Поперечная загрузка н кольцевое движение транспортера (типа карусели) (схема Зе)
till——* J А
к свободному загрузочному устройству для переустановки на него стола-спутника с обработанной деталью, а затем к другому загрузочному устройству, на котором находится стол-спутник с очередной заготовкой. Для сокращения времени смены заготовки можно использовать дополнительные подвижные каретки, которые при смене стола-спутника одновременно подводятся с двух сторон к зафиксированному в центральной позиции столу станка. Однако в этом случае конструкция загрузочного устройства усложняется.
При Т-образной схеме перемещений столов-спутников (схема /6) два одноместных загрузочных устройства установлены поперечно по обе стороны стола станка в его крайнем положении, что позволяет произвести смену заготовки при одном продольном перемещении стола в позицию загрузки, а для поперечных перемещений столов- спутников использовать общий привод.
Г-образная схема перемещений столов-спутников (схема /в) предполагает размещение двух одноместных загрузочных устройств под прямым углом друг к другу в одном из крайних положений стола. При такой схеме зона обслуживания загрузочных устройств становится наиболее удобной для применения грузоподъемных механизмов или автоматических манипуляторов. Однако стол станка в этом случае должен иметь поворотное устройство для совмещения транспортных направляющих стола и каждого из загрузочных устройств.
Широкое применение находит П-образная схема перемещений столов-спутников (схема /г), расположенных на двух одноместных загрузочных устройствах, которые установлены перпендикулярно к оси стола станка, симметрично относительно его центра. Цикл смены заготовки включает в себя поочередно установочные движения стола к каждому загрузочному устройству.
Двухместные загрузочные устройства в отличие от одноместных имеют две платформы с направляющими для установки на них столов-спутников. При этом платформы имеют собственный общий привод, обеспечивающий либо маятниковый цикл движений вдоль продольной оси станка (схема 2а), либо поворотное движение на угол 180° относительно вертикальной оси (схема 26).
Конструктивная схема двухместного загрузочного устройства для многооперационных станков с горизонтальным шпинделем показана на рис. 16.1. Особенностью данной конструкции является использование перемещений стойки станка вдоль оси шпинделя для перестановки столов-спутников с загрузочной платформы на стол станка и обратно. Из-за отсутствия специальных приводов для перемещения столов-спутников конструкция загрузочного устройства при такой схеме упрощается. На неподвижном основании / имеются горизонтальные направляющие 2, по которым могут перемещаться салазки 3 с платформами // и /2, а на каждой из платформ — поперечные направляющие для столов-спутников 10 и 13. Захватное устройство 5, выполненное в виде оправки с Г-образным пальцем на его конце, устанавливается в одном из гнезд инструментального магазина 8. При команде на смену заготовки стол 4 станка перемещается в позицию разгрузки, в которой его транспортные направляющие
совмещаются е поперечными направляющими свободной платформы 11. Захватное устройство 5 механизмом 7 автоматической смены инструментов устанавливается в шпиндель 6. Шпиндель опускается вниз до уровня стола-спутника 10 и поворачивается в одну из фиксированных угловых позиций, в которой Г-образный палец входит в паз специального замиа 15 на столе-спутнике, захватывая его. После этого стол-спутник разжимается и при перемещении стойки 9 вперед устанавливается на платформу 11. Затем салазки 3 гидроцилиндром 14 передвигаются в позицию загрузки, в которой направляющие стола 4 и платформы 12 совмещаются, а палец схвата
А-А
Рис. 16.1. Многооперационнын станок с ЧП У и устройством автоматической смены столов-спутников для заготовок и деталей
входит в паз замка на столе-спутнике 13. При перемещении стойки 9 назад стол-спутник 13 с заготовкой переставляется на стол станка. По окончании смеиы заготовки оправка поворачивается в исходное угловое положение, освобождая спутник, а затем переносится в инструментальный магазин.
Для обеспечения длительной работы станка без вмешательства оператора применяют многоместные загрузочные устройства, схемы которых приведены в табл. 16.2.
Схема За соответствует загрузке станка заготовками, установленными на столах-спутниках, с платформ, которые расположены вдоль продольной оси станка с двух противоположных сторон. Многоместное загрузочное устройство, показанное на схеме 36, обеспечивает параллельное перемещение столов-спутников перпендикулярна оси станка. Многоместные загрузочные устройства можно строить по типу карусельного транспортирующего механизма с поперечным движением стола-спутника в перегрузочной позиции (схема Зв).
Устройства смены заготовок для станков, встроенных в гибкие производственные комплексы, связаны с общей транспортной системой автоматической линии, участка или цеха. В условиях гибкого 298
автоматизированного производства столы-спутники должны автоматически распознаваться, чтобы по коду очередного спутника, находящегося в позиции загрузки, подготовить нужную управляющую программу и комплект режущих инструментов для станка с ЧПУ. При этом вызов управляющей программы и выбор инструментов осуществляются с помощью ЭВМ. В связи со сложностью обеспечения стабильной точности при автоматической установке заготовок на разных столах-спутниках применяют дополнительные устройства для контроля действительного положения стола-спутника при установке его на станок с автоматическим вводом коррекции в управляющую программу.
МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СМЕНЫ ИНСТРУМЕНТОВ
Устройства смены инструментов в станках с ЧПУ включают в себя накопители необходимых инструментов (шпиндельные револьверные головки, многопозиционные резцедержатели, инструментальные магазины, склады-стеллажи), автооператоры или манипуляторы с захватными механизмами, зажимные механизмы в шпинделе или резцедержателе, транспортирующие механизмы и устройства управления, обеспечивающие автоматический цикл поиска необходимого инструмента, передачу его в рабочую зону станка, установку в определенной позиции в инструментальном шпинделе или резцедержателе, контроль состояния во время рабочего цикла и возврат в конце цикла в накопитель или на склад.
Данные устройства должны обеспечить точность и стабильность положения инструмента в шпинделе или резцедержателе, жесткость и надежность его закрепления, минимальное время смены инструментов, достаточно большую емкость накопителя, компактность конструкции, возможность унификации и агрегатирования. Конструкции устройств смены инструментов разнообразны и могут быть выполнены с автооператором (манипулятором) или без. него. Устройства, работающие без автооператора, чаще всего представляют собой многопозиционные резцедержатели или револьверные шпиндельные головки, в которых предварительно устанавливают необходимый набор инструментов. В процессе обработки детали на станке резцедержатель или револьверная головка периодически поворачивается и фиксируется. В зависимости от направления оси вращения они могут быть горизонтальными, вертикальными или наклонными. В отличие от резцедержателя с неподвижно закрепленными инструментами в револьверных головках шпиндель, находящийся в рабочей позиции, приводится во вращение от главного привода станка.
Поворотные резцедержатели и револьверные головки обеспечивают быструю смену инструментов (время смены 1—3 с), отличаются простотой конструкции и возможностью унификации и агрегатномодульного построения. Однако число инструментов в этих устройствах ограничено (до 6—12 шт.), так как с увеличением числа позиций возрастают габаритные размеры, снижается жесткость конструкции и уменьшается рабочая зона станка.
Для повышения жесткости шпинделя и увеличения его хода используют револьверные головки для размещения в них набора - унифицированных сменных инструментальных оправок. Такая револьверная головка представляет собой инструментальный магазин, непосредственно расположенный на шпиндельной бабке.
Конструкция револьверной головки со сменными инструментальными оправками и наклонной осью вращения показана на рис. 16.2. В рабочей позиции шпиндель 6 станка и инструментальная оправка 2 устанавливаются соосно, что позволяет шпинделю при его движении вниз (вместе со шпиндельной бабкой) захватить инструмент, обеспечив беззазорную посадку конической оправки в отверстии шпинделя. При дальнейшем выдвижении шпинделя осуществляется фиксация установленной инструментальной оправки с помощью торцовых шпонок 1, входящих в пазы на фланце оправки. Инструментальную оправку зажимают тарельчатые пружины 7, которые выдвигают вверх штангу 8 вместе со втулкой 4 и шариками, захватывающими выступы стержня 3 на хвостовике оправки. Для фиксации инструментальной оправки шпиндель должен быть предварительно установлен в определенное угловое положение гидроцилиндром 9, шток которого посредством пальца, входящего в винтовой паз на втулке 10, поворачивает приводной вал с шестерней 5. Контроль правильности позиционирования шпинделя осуществляет бесконтактный датчик положения 11.
После завершения операции обработки детали шпиндельная каретка 14 цилиндром 12 поднимается вверх, освобождая оправку с инструментом. Одновременно осуществляется разжим инструментальной оправки гидроцилиндром 13, шток которого нажимает на штангу 8 и, преодолевая усилие пружин 7, опускает втулку 4 до тех пор, пока шарики не закатятся в кольцевую канавку в отверстии шпинделя и не освободят хвостовик оправки. Оправка остается в магазине 19, удерживаясь в его гнезде фиксатором 20, а шпиндель поднимается выше, пока его передний конец полностью не освободит инструмент.
Револьверная головка поворачивается относительно оси 18 гидроприводом 16 и зубчатой передачей 17 в следующую позицию до совмещения оправки 15 очередного инструмента с осью шпинделя. Затем цикл работы механизма повторяется.
Большинство многооперационных станков с ЧПУ имеют устройства с магазином инструментов и совместно выполненным с ним автооператором. Если инструментальный магазин большой вместимости представляет собой автономное устройство, то дополнительно имеются автоматические транспортирующие механизмы, транспортные манипуляторы или тележки для перемещения выбранного в магазине инструмента в позицию захвата его автооператором и возврата заменяемого инструмента в магазин.
Конструктивная схема устройства смены инструментов в значительной степени зависит от типа магазина, который, в свою очередь, определяется числом размещаемых инструментов (вместимостью магазина). При относительно небольшой вместимости (не более 20— 300
25 инструментов) применяют дисковые инструментальные магазины, размещаемые непосредственно на шпиндельной бабке станка. Такие магазины могут быть с различным расположением инструментов относительно оси вращения диска: параллельным, радиальным или наклонным.
Рис. 16.3. Устройство автоматической смены многошпиндельных насадок в аг- регатном стайке с ЧПУРис. 16.3. Устройство автоматической смены многошпиндельных насадок в аг- регатном стайке с ЧПУПри большем числе инструментов (до 40—50 шт.) целесообразно использовать многосекционные барабанные или планетарные магазины, представляющие собой либо многорядные дисковые устройства, либо многопозиционные инструментальные головки, в каждой позиции которых устанавливается поворотный дисковый магазин с небольшим числом (4—6 шт.) инструментов. Многосекционные
Рис. 16.3. Устройство автоматической смены многошпиндельных насадок в аг- регатном стайке с ЧПУ
Рис. 16.3. Устройство автоматической смены многошпиндельных насадок в аг- регатном стайке с ЧПУ
Рис. 16.4. Схема токарного стайка с ЧПУ и устройством автоматической смены резцовых головок
инструментальные магазины устанавливают непосредственно на станке или на отдельной стойке. При дальнейшем увеличении вме- стимости (до 100—140 шт. и более) необходимо применять цепные магазины, устанавливаемые на колонне станка или на отдельном основании и изготавливаемые в виде автономных агрегатов, предназначенных для встройки в гибкие производственные модули.
В агрегатных станках с ЧПУ может осуществляться автоматическая смена комплектов одновременно работающих инструментов (рис. 16.3). Сменные многошпиндельные насадки 1, которые предварительно устанавливают в специальном магазине 2, выполненном в виде многопозиционного поворотного стола, затем автооператором 4 с наклонной осью вращения переносятся к шпинделю агрегатной силовой головки 3 станка.
В гибких производственных комплексах на базе многооперационных станков требуется дополнительное транспортирование инструментальных магазинов из склада-стеллажа, установка их на станок и возврат снятых со станка магазинов на склад. При большом числе инструментов (более 100 шт.), имеющих массивные державки, целесообразна смена только их режущих головок.
Токарный станок с ЧПУ и устройством автоматической смены резцовых головок показан на рис. 16.4. Сменные головки с унифицированными базовыми поверхностями для быстрой установки и 302
крепления их на инструментальной державке предварительно загружают в магазин 1, выполняющий функции инструментального склада. Автооператором 2 осуществляется замена режущих головок в многопозиционном резцедержателе 3. После замены режущих головок измерительный щуп 4 контролирует размеры инструментов. Большой запас инструментов создает условия для длительной работы гибкого производственного модуля без участия рабочего, а также расширяет технологические возможности входящего в него станка.
Механизмы смены инструментов с автооператором, наиболее часто'применяемые в станках с ЧПУ, приведены в табл. 16.3.
В таблице использованы следующие условные обозначения: I, II, III — положения схвата автооператора; М — магазин; И — инструмент; Ш — шпиндель; ЗУ — захватное устройство; РГ — револьверная головка; К — кантователь; —>-И-< зажим инструмента в шпинделе; -<—И—>- — разжим инструмента в шпинделе; 3—*им^ — захват инструмента из магазина (шпинделя); >•—^(Ш^ — установка инструмента в магазине (шпинделе);
)* Озу) — поворот магазина (захватного устройства);
-»|— (®@) — поступательные движения в плоскости чертежа (перпендикулярно данной плоскости).
Для переноса инструмента из дискового магазина в шпиндель, когда их оси параллельны, а расстояние между положениями инструмента в магазине и шпинделе не превышает 250—300 мм, применяют однозахватные автооператоры рычажного типа, совершающие одно простое вращательное (схема 1а) или поступательное (схема 16) движение захватного механизма. Для обеспечения минимального времени смены инструмента (до 1 с), необходимого только для поворота револьверной головки, и увеличения числа инструментов в одном комплекте (до 25—30 шт.) часто применяют инструментальный магазин в сочетании с револьверной головкой (схема 16).
Двухзахватные механизмы автооператоров, в которых к моменту окончания какой-либо операции непосредственно у шпинделя располагается захватное устройство для снятия заменяемого инструмента, а вновь устанавливаемый инструмент уже подготовлен и находится во втором схвате, также обеспечивают малое время (2—3 с) смены инструмента. Это достигается за счет совмещения с основным временем станса всех дополнительных движений автооператора, непосредственно не связанных с перестановкой инструментов в шпинделе и обеспечивающих возвращение отработавшего инструмента в магазин, поворот магазина для поиска нового инструмента, захват и перенос данного инструмента к шпинделю.
Механизмы с двухзахватным автооператором, совершающим простые вращательные и поступательные перемещения, показаны на схемах 2а, 26 и 2в. Если оси инструментов в магазине и шпинделе не параллельны или направления этих осей противоположны, то применяют двузахватные автооператоры, совершающие одновременно
Тип авто- оператораТип авто- оператораОднозахватный:с качательным и осевым движениями.Однозахватный:с качательным и осевым движениями.с прямолинейным осевым движением и револьверной головкойс прямолинейным осевым движением и револьверной головкойДвухзахватный: с вращательным и осевым движениямис прямолинейными . радиальными движениями и2 магазинамиДвухзахватный: с вращательным и осевым движениямис прямолинейными . радиальными движениями и2 магазинамис вращатель-ным и радиаль -ным движениямис вращатель-ным и радиаль -ным движениямибраща.телонтми вокруг наклонной оси и осевым движениямибраща.телонтми вокруг наклонной оси и осевым движениямис вращательным и осевым движениями совместно с • двихпозиционной револьверной, головкой.с вращательным и осевым движениями совместно с • двихпозиционной револьверной, головкой.Схема механизмаСхема механизмаЦикл работы механизмаЦикл работы механизмаТип авто- оператораТип авто- оператораСхем'а механизмаСхем'а механизмаМногозахватныь с радиальными движениями и неподвижнымЗаУх \ЖИУ,магазиномш ®@ И,с дополнительным захватнымхЪ/^«——8У,устройством с качательным движениемм'39Многозахватныь с радиальными движениями и неподвижнымЗаУх \ЖИУ,магазиномш ®@ И,с дополнительным захватнымхЪ/^«——8У,устройством с качательным движениемм'39ЗУ,ЗУ,ммс дополнительным захватным устройством с радиальным движениемс дополнительным захватным устройством с радиальным движением. с дополнительным захватным устройством с вращательным и осевым движениями и кантователем с качательным движением. с дополнительным захватным устройством с вращательным и осевым движениями и кантователем с качательным движениемЦикл работы механизма •Цикл работы механизма •УЗУ, кПУ^^Ш;*- И,-*; ©ш;WDMkjiy, ®Ш;>нуи;^И2*-; \зу2кТ)УЗУ, кПУ^^Ш;*- И,-*; ©ш;WDMkjiy, ®Ш;>нуи;^И2*-; \зу2кТ)узу усу©ЗУ;3*И,Ш;«-И,-*;">»И2ЗУ,; ®ЗУ; уЗУЦбо» ®ЗУк>*И2Ш;-*И2*-;>»-И,ЗУ,; ®ЗУ; \ЗУ(901 ®ЗУ,;Узу,;®зу,^и.М;®ЗУ.;УМ;®ЗЦ;У-И3М;© ЗУ,^ ЗУ,;® ЗУ,узу усу©ЗУ;3*И,Ш;«-И,-*;">»И2ЗУ,; ®ЗУ; уЗУЦбо» ®ЗУк>*И2Ш;-*И2*-;>»-И,ЗУ,; ®ЗУ; \ЗУ(901 ®ЗУ,;Узу,;®зу,^и.М;®ЗУ.;УМ;®ЗЦ;У-И3М;© ЗУ,^ ЗУ,;® ЗУ,
Тип авто- оператора
Тип авто- оператора
Однозахватный:
с качательным и осевым движениями.
Однозахватный:
с качательным и осевым движениями.
с прямолинейным осевым движением и револьверной головкой
с прямолинейным осевым движением и револьверной головкой
Двухзахватный: с вращательным и осевым движениями
с прямо
линейными . радиальными движениями и
2 магазинами
Двухзахватный: с вращательным и осевым движениями
с прямо
линейными . радиальными движениями и
2 магазинами
с вращатель-ным и радиаль -ным движениями
с вращатель-ным и радиаль -ным движениями
браща.телонтми вокруг наклонной оси и осевым движениями
браща.телонтми вокруг наклонной оси и осевым движениями
с вращательным и осевым движениями совместно с • двихпозиционной револьверной, головкой.
с вращательным и осевым движениями совместно с • двихпозиционной револьверной, головкой.
Схема механизма
Схема механизма
Цикл работы механизма
Цикл работы механизма
Тип авто- оператора
Тип авто- оператора
Схем'а механизма
Схем'а механизма
Многозахватныь с радиальными движениями и неподвижным
За
Ух \ЖИУ,
магазином
ш ®@ И,
с дополнительным захватным
хЪ/^«——8У,
устройством с качательным движением
м'
39
Многозахватныь с радиальными движениями и неподвижным
За
Ух \ЖИУ,
магазином
ш ®@ И,
с дополнительным захватным
хЪ/^«——8У,
устройством с качательным движением
м'
39
ЗУ,
ЗУ,
м
м
с дополнительным захватным устройством с радиальным движением
с дополнительным захватным устройством с радиальным движением
. с дополнительным захватным устройством с вращательным и осевым движениями и кантователем с качательным движением
. с дополнительным захватным устройством с вращательным и осевым движениями и кантователем с качательным движением
Цикл работы механизма •
Цикл работы механизма •
УЗУ, кПУ^^Ш;*- И,-*; ©ш;
WDMkjiy, ®Ш;
>нуи;^И2*-; \зу2кТ)
УЗУ, кПУ^^Ш;*- И,-*; ©ш;
WDMkjiy, ®Ш;
>нуи;^И2*-; \зу2кТ)
узу усу
©ЗУ;3*И,Ш;«-И,-*;">»И2ЗУ,; ®ЗУ; уЗУЦбо» ®ЗУк>*И2Ш;-*И2*-;>»-И,ЗУ,; ®ЗУ; \ЗУ(901 ®ЗУ,;Узу,;
®зу,^и.М;
®ЗУ.;УМ;
®ЗЦ;У-И3М;
© ЗУ,^ ЗУ,;® ЗУ,
узу усу
©ЗУ;3*И,Ш;«-И,-*;">»И2ЗУ,; ®ЗУ; уЗУЦбо» ®ЗУк>*И2Ш;-*И2*-;>»-И,ЗУ,; ®ЗУ; \ЗУ(901 ®ЗУ,;Узу,;
®зу,^и.М;
®ЗУ.;УМ;
®ЗЦ;У-И3М;
© ЗУ,^ ЗУ,;® ЗУ,
с переносом инструмента из магазина в шпиндель станка его поворот на 90° (схема 2г) или на 180° (схема 2d).
При необходимости частой смены небольшого числа инструментов применяют многозахватные автооператоры с последовательными простыми движениями схватов. Многозахватный автооператор с прямолинейным движением в радиальном направлении показан на схеме За. Установка инструмента в шпиндель и изъятие из него осуществляется за счет возвратно-поступательного движения шпинделя перпендикулярно плоскости перемещения схватов.
16.3. Механизмы абтомаческой смены инструмента, автоппеоатором и магазином
УзУкйХ^^Ш; *-И,-*;
© ЗУ; ЗУкЮ;® ЗУ; о*- И, М;
УЗУкИ);Ум;
)зУкШ)!У^ИгМ;®ЗУ;
УЗУкЦ у® ЗУ;>-И2Ш; -*-М2-*; узу(П'
к ЗУ;>*ипШ;*Ип-*;
ПЗУ; У*-ИПМ;
)ЗУ;Ум;
Ш; >»Hn+1M;
^ЗУ; >-ИпмШ;-*Ипм-<-6
^ЗУ^ РГ
I ЗУ, т-Й.Ш;— И,»;>»И2М;
13У;>зу к*;
иУ;>-и2 Ш^И^Уя- и, м;
у ЗУ к90^; ^39; ум
i зу,;6*и,ш;*-и,*Дзу,; .
® М,; "л^МД ЗУр>- И2Ш;* иг*-;
\ЗУ2;® мрУмрем^ИзМдом,; УзУ2; ">»и2Ш;*И2-*-ДзУ2;®М2;>*И2м2 © м2; ум2;® мг;б*И,М2-@ М2
«-ЗУ к Ш Yy-И, М;^ЗЧ( I);
-»ЗУкП ^ЦШ; ■•-и,—;®ш•.
узУ;®Ш;>«гИ2Шт>И2*-;
—ЗУкШ\>*И2М;
-*ЗУкР;>М
I Ш;
узу №;>*H,m;-^Mt—;y^e2M;
Ц-ЗУДЗУ к180^;
^ЗУ; >* И2 Ш;«*-И2-*м>*- И, М;
Ц-ЗУ;>ЗУ к№;ум;
^ЗУ;
( Ш
-^рг^зук*;
®ЗУ;>*И2Ш; ^Мр»)*>*И3М;
*-РГ;®ЗУ; у ЗУ У80*У,^-РГ;®ЗУ;
^ЦН;^ НзШ^Из*-; *РП® ЗУ; ург уво*;; узусом.
ПроВолженир таУл 16. В
У ЗУ ДоУт-ЗУ;>»И,Ш;*-И,*;>»И2ЗУ,;
—ЗУАЗУ,;
УЗУ (1в0*у,-е-ЗУД)?
^ЗУ;У^И2Ш;^И2-^;
—ЗУТуЗУ кУО»); узу,;">-И,М; иУ(;)М;
\ЗУД!НУ>>-
A-ЗУ, к!)
у зу к90");
УУ;>- й,Ш;*-И,-*;>»И2 ЗУ,;
^ЗУ;-^зу,кТ); ум;
узу ум4;;
^зУ;")*-игш;-*и2*;
узуДЗУкМ4);
—ЗУ^ИзМ;
■*ЗУ,кН)
>ЗУ кМ^ЗУС^Ш^И.-^ря-ИгЦ
*-ЗУ; У ЗУ W,
-*ЗУ; >-И2 ш;-»и,—Д>*- и, к;
^-ЗУ; у ЗУ кро^-, УК кДО’вполо*. 1);
®ЗУ,;>-И,К;>»ИзМ;
®зу,;> ЗУ, W, ®ЗУ,;>--И,М;>-ИзК;
® ЗУр> м; уккУО”, вполож.И')
При размещении инструментального магазина на значительном расстоянии от шпинделя станка применяют схемы многозахватных автооператоров, обеспечивающих предварительное перемещение инструмента из магазина в промежуточную позицию, а затем из этой позиции в шпиндель станка. Для этого обычно используют дополнительный однозахватный автооператор, совершающий простое ка- чательное (схема 36), комбинированное — осевое и радиальное (схема Зе) или только радиальное возвратно-поступательное (схема Зг) движение относительно инструментального магазина,
Рис. 16.6. Захватное устройство типа охватывающей скобы с фиксирующим устройствомРис. 16.6. Захватное устройство типа охватывающей скобы с фиксирующим устройством
Рис. 16.6. Захватное устройство типа охватывающей скобы с фиксирующим устройством
Рис. 16.6. Захватное устройство типа охватывающей скобы с фиксирующим устройством
При необходимости изменения ориентации инструментальной оправки перед установкой ее в шпиндель станка или магазин устройство смены оснащают специальным однозахватным автооператором- кантователем (схема Зд\ Кантователь передает инструмент из позиции /, в которую он предварительно переносится из магазина, в позицию // для установки в шпиндель (или, наоборот, из позиции // в позицию / при возврате инструмента в магазин). Оси инструментальных оправок в позициях / и // взаимно перпендикулярны.
Рис. 16.5. Захватное устройство клещевого типа
Важным узлом инструментального автооператора является захватное устройство,, которое удерживает инструмент за счет силы зажима. Наибольшее распостранение получили захватные устройства с радиальным зажимом инструментальной оправки за ее цилиндрическую поверхность. Реже используют захватные устройства с осевым зажимом за фланец оправки. Закрепление инструмента в схвате в обоих случаях осуществляется за счет сил трения при сжатии губок (в схватах клещевого типа) либо с помощью фиксирующего устройства (в схватах типа .охватывающей скобы или в схватах с губками для осевого зажима).
Захватное устройство с силовым закреплением состоит из привода (механического, гидравлического или комбинированного) и передаточного механизма, обычно с самотормозящим звеном для" повышения надежности зажима. Примером такого устройства может служить схват клещевого типа (рис. 16.5). Втулка 1, на которой установлены на осях серьги 2, передвигается вдоль оси охвата вместе 306
со штоком гидро- или пневмоцилиндра (на рисунке не показан). Противоположные концы каждой серьги 2 шарнирно закреплены на рычагах 3, в передние части которых устанавливают сменные зажимные губки 4, имеющие трапецеидальный профиль для захвата инструментальной оправки 5 с V-образной кольцевой канавкой. Ось 6 качания каждого из рычагов 3 закреплена в корпусе 7. Разжим инструмента осуществляется при движении штока вперед, а зажим — при его отходе назад под действием пружины 8. Торцовые шпонки 9, передающие крутящий момент от шпинделя станка на инструмент, при данной конструкции схвата должны быть срезаны (на рисунке не показано) для свободного прохождения губок 4 схвата над вращающейся вместе со шпинделем оправкой.
Конструкция захватного устройства типа охватывающей скобы с фиксирующим устройством показана на рис. 16.6. Скоба 1 с V- образным профилем для захвата инструмента за кольцевую канавку, выполненную на его оправке 2, крепится винтами на поворотной руке 6 автооператора. Фиксатор 3, имеющий такой же поперечный профиль, установлен на рычаге 7, который может поворачиваться относительно руки. Фиксатор к инструментальной оправке при ее зажиме прижимается стержнем 4 под действием пружины 5. Отжим выполняется в момент подвода корпуса руки к торцу шпинделя или инструментального магазина, когда стержень 4 утапливается в специальный паз на подвижном упоре механизма выдвижения руки (на рис. 16.6 не показан).
Для автоматического поиска необходимого инструмента используют различные методы кодирования непосредственно инструментальной оправки или гнезда магазина (рис. 16.7). Кодирование самих инструментов осуществляют с помощью набора 1 колец, закрепляемых на специальном цилиндрическом пояске оправки 2 (рис. 16.7, а). Считывающее устройство 3 контактного или бесконтактного типа формирует двоично кодированные сигналы при движении относительно него инструментального магазина. В момент совпадения кода инструмента, заданного управляющей программой, с кодовым сигналом считывающего устройства подается команда на останов и фиксацию магазина инструментов. Данный способ кодирования позволяет располагать инструменты в произвольном порядке, что упрощает обслуживание станка с ЧПУ. Однако при этом усложняется конструкция инструментальной оправки, снижается ее жесткость, увеличивается масса магазина и время поиска инструмента.
Кодирование гнезд магазина выполняют либо кодовыми ключами 4 (рис. 16.7, б), устанавливаемыми в специальные замки 5 рядом с соответствующим инструментом, либо кодовым барабаном с набором 1 кулачков, который установлен в хвостовой части вала 6 магазина (рис. 16.7, в) или механически связан с его приводом. Ключи, выполненные в виде пластин, с различными комбинациями проточек (например, по двоично-десятичному коду) или соответствующие каждой позиции магазина комбинации выступов кулачков на барабане, воздействуют на контактные или бесконтактные микро-
переключатели считывающего устройства 3. Кодирование гнезд] магазина получило широкое применение в станках с ЧПУ главным- образом из-за сокращения времени поиска инструмента в связи с воз-: можностью выбора кратчайшего пути для вращения инструментального магазина. Однако цикл работы механизма автоматической смены инструментов и устройство его управления в этом случае усложняются.
Рис. 16.7. Устройства для кодирования инструментовРис. 16.7. Устройства для кодирования инструментов
Рис. 16.7. Устройства для кодирования инструментов
Рис. 16.7. Устройства для кодирования инструментов
поиска инпоиска инПерспективными являются способы кодирования и
поиска ин
поиска ин
струментов с использованием фотоэлектрических, электромагнитных и других физических эффектов, позволяющие достичь наибольшей компактности конструкции устройства. Для кодирования инструмента в определенном месте нерабочего участка инструментальной оправки прикрепляют небольшую этикетку, например, с ферромагнитным слоем или штриховой шкалой, в котором записаны кодовый номер и параметры (геометрические, технологические и др.) данного инструмента.
§ 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ МАНИПУЛЯТОРОВ
Характерными особенностями манипулирующих устройств являются короткое время цикла работы, непостоянство массы и момента инерции исполнительных органов, большие динамические нагрузки, колебания и удары в механизмах приводов во время переходных процессов (при разгоне, торможении и реверсе). В связи с этими особенностями обеспечение высоких требований к быстродей
ствию, точности, долговечности манипуляторов возможно только при обоснованном выборе параметров их приводов во время пере
ходных режимов работы.
Приводы манипуляторов — это системы, состоящие из двигателя, передаточного механизма и устройства управления совместно с датчиками положения, скорости, силы и т. д. В качестве двигателей манипулирующих устройств используют гидро- и пневмоцилиндры, гидро- и пневмодвигатели с вращательным или неполнопово-
ро ным качательным движе- рис 16.8. Графики изменения скорости в пением ротора, электродви- реходных режимах движения манипулятора гатели постоянного и пере
менного тока, линейные двигатели и электромагниты. Передаточные механизмы имеют редукторы (зубчатые простые, планетарные и волновые) и преобразователи движения (зубчато-реечные, рычажные, кривошипные, кулачковые и некоторые другие). Общий коэффициент передачи механизма с поступательным движением йп = = v/юд = iptM, где и — скорость исполнительного органа; сод — угловая скорость двигателя; tp, tM — соответственно передаточное отношение редуктора и шаг (ход) механизма преобразования движения.
Переходные режимы исполнительных органов манипуляторов характеризуются законом изменения скорости и их движения во времени t (рис. 16.8). Наибольшее быстродействие механизма достигается при треугольном законе изменения скорости, когда переходный процесс совершается в два этапа: разгон с максимально возможным ускорением а^ до скорости итах, а затем торможение с наибольшим замедлением ат до полной остановки. Ускорение при этом ограничивается максимальным вращающим моментом двигателя Л4Д тах, статическим моментом нагрузки /Ис, суммарным динамическим моментом инерции Ji двигателя и механизма, приведенными к валу двигателя с учетом общего коэффициента передачи йп : Mi = = №; Ji = ^д + ^п/п, где Fc — сила сопротивления движению исполнительного органа; т — масса исполнительного органа; J„— момент инерции двигателя..
Особенностью манипуляционных устройств является их неуравновешенность из-за переменности масс исполнительных органов, вследствие чего возникает дополнительный момент сопротивления, изменяющийся в зависимости от положения этих органов при движении. На рис. 16.9 показана расчетная схема для определения момента неуравновешенности Мн для автооператора механизма смены инструментов с горизонтальной осью вращения:
Л4Н = (mi — ma) gr sin ф,
где т-^, тг — масса инструментов; г — расстояние между осями
автооператора и инструмента; ф — угловое положение автоопера -
Рис. 16.9. Расчетная схема для определения момента Л1Н неуравновешенности авгооператораРис. 16.9. Расчетная схема для определения момента Л1Н неуравновешенности авгооператоратора; g — ускорение силы тяжести.
Рис. 16.9. Расчетная схема для определения момента Л1Н неуравновешенности авгооператора
Рис. 16.9. Расчетная схема для определения момента Л1Н неуравновешенности авгооператора
В зависимости от положения автооператора направление действия момента Ми может изменяться. Минимальнее время переходного процесса определяется при треугольном законе изменения скорости (см.-рис. 16.8) по формуле
где / — путь перемещения исполнительного органа.
Максимальный момент приводного двигателя Мдтах и его мощность Ри шах при условии оптимального быстродействия и практическом постоянстве (из-за малого статического момента нагрузки Мс и J's привода определяют по фор
времени переходного процесса) и динамического момента инерцивремени переходного процесса) и динамического момента инерцимулам
времени переходного процесса) и динамического момента инерци
времени переходного процесса) и динамического момента инерци
„_ ^Афд . п8^^
где Дфд — угол поворота вала двигателя; км =коэф-
^д шах
фициент нагрузки двигателя по моменту.
Мгновенное изменение знака ускорения в точке начала торможения, приводящее к появлению ударов, а также необходимость установки двигателя большой мощности делают закон треугольного изменения скорости менее рациональным в сравнении с трапецеидальным законом. При ограничениях скорости у и ускорении при разгоне ар и торможение ^.соответствующих трапецеидальному закону изменения скорости уменьшаются габариты двигателя и затраты энергии, снижаются ударные нагрузки на механизм привода и увеличивается его долговечность.
Общее время отдельного движения механизма манипулятора при трапецеидальном законе изменения скорости
, = 1 / 2/ (др + ат)~
V дрдт(1-^)’
где т = t^t — параметр, характеризующий диаграмму скорости движения; при трапецеидальном законе т > 0, а при треугольном законе т = О, так как суммарное время разгона и торможения /„ + + К = t (1 - т).
Более удобной является формула
/ _ 1/ J_ 1 + fea W^l?
V ат WV" ат1
где I — общий путь исполнительного органа; ат — модуль ускорения при торможении; ка = а^ат — коэффициент, зависящий от соотношения ускорения при разгоне ар и торможении ат; у — скорость установившегося (равномерного) движения.
Оптимальную скорость цопт движения исполнительного органа манипулятора можно найти, если принять в качестве критерия минимальное значение функции, являющейся линейной комбинацией значений быстродействия t и энергоемкости (или мощности привода), обратно пропорциональной ^. Значение ^olV«тОонт = 0,54-0,6 позволяй1 установить, что цовт зависит от длины кода /: при малых перемещениях не требуется высоких скоростей движений, с увеличением длины хода знамение уопт возрастает. Оптимальные значения скорости поступательного движения рабочих органов манипуляторов обычно от 0,4 до 1,2 м/с.
Номинальное значение ускорения ограничивается уровнем колебаний механизма привода. Для уменьшения этих колебаний необходимо, чтобы время /т торможения было значительно больше периода Тк собственных колебаний привода; в большинстве случаев Тк = 0,02-4-0,04 с и (т = 0,084-0,1 с. При малых ходах (/ = 0,154- 4-0,3 м) для выполнения этого условия необходимо, чтобы а, = = 54-6 м/с4, при больших ходах (1 = 0,74-0,8 м) ат = 104-12 м/с4.
Максимальный момент приводного двигателя /Ид шзх и его мощность Рд „их при трапецеидальном законе изменения скорости определяют по формулам
гтгтр8^Афд
гт
гт
д,пах " ^-^О-^а + т) •
Если режим работы механизма является повторно-кратковременным, характеризующимся временем паузы ta между отдельными движениями и общим временем цикла /д = / + /п. то номинальный момент Мд должен быть больше эквивалентного момента М№ ЭЕВ, определяемого из условий нагрева двигателя:
Мд. акв ^^д max V* ^i /ц*
Эквивалентная мощность двигателя
Рд. экв " ^д. экв®д,
где б)д — номинальная угловая скорость двигателя.
Коэффициент перегрузки двигателя по моменту &м = Л4 д „ах^д. Полученные параметры дают возможность выбрать двигатель по каталогу, а затем по характеристикам двигателя уточнить минимальное время выполнения движений манипулятора и провести проектный расчет его механизма,
Характеристики приводов поступательного движения (с гидропневмоцилиндрами и другими линейными двигателями) выбирают по расчетным значениям параметров исполнительных механизмов манипуляторов: наибольшей скорости тах и предельной нагрузке силой Атах. По этим значениям и выбранному давлению р определяют диаметр цилиндра
rj I f 46FmaxV лр ’
где b — коэффициент, зависящий от типа уплотнений штока цилиндра (Ь = 1,14-1,5).
Затем вычисляют расход рабочей жидкости Q = umaxS, где S — площадь поршня.
По каталогу определяют ближайший типоразмер гидро- или пнев- моцилиндра и с учетом его характеристик проводят проектный расчет привода манипулятора.
Рассмотрим пример проектирования механизма, привода автооператора для смены инструментов на горизонтально-фрезерном и расточном станке с ЧПУ (рис. 16.10). Работа механизма происходит следующим образом. После получения команды «смена инструмента» стол станка отводится от шпинделя по осям X и Z, а шпиндельная коробка поднимается по направляющим стойки (по оси У) в положение смены. Автооператор поворачивается из исходного положения на 90° и захватывает одновременно инструментальные оправки в шпинделе и кантователе, затем он выдвигается вдоль оси / на 150 мм, поворачивается на 180° и вновь смещается назад, осуществляя при этом смену инструментов в шпинделе и кантователе. После зажима инструмента в шпинделе автооператор возвращается в исходное положение, а кантователь поворачивается на 90° в вертикальное положение и осуществляет установку инструмента, его фиксацию в гнезде магазина за счет опускания инструментальной оправки вдоль ее оси на 36 мм.
Шпиндельная коробка и стол станка совершают установочные перемещения по осям X, У и Z в положение начала обработки вновь установленным инструментом, а инструментальный магазин поворачивается, осуществляя поиск следующего инструмента. После остановки магазина в заданной позиции кантователь захватывает инструментальную оправку из гнезда магазина, смещает ее вверх на 36 мм, а затем поворачивается в горизонтальное положение, где ожидает начала следующего цикла смены инструмента. Мага- 312
<i>1300<i>1300
<i>1300
<i>1300
%А Циклограмма работы механизма автоматической смены инструментов
Наименование элемента цикла
Длительность этапов цикла, с
Остановочное перемещение стела снимка па осям
Т^Г
Установочное перемеецвыиг шаинде^ной коробки по оси Y
—н
Поборот руки абтооператора на 90еиг исходного положения
ГчУ=1м1С •1
|Ц Ct,=»sc[
Поворот руки автоосератора в исхейное положение
i ^*d V-05C f■*п<—
Выдвижение руки обтооператора вдоль оси 1 на 159 мм
Возбрат руки абтоогератора б начальное положение
|ll
Поборот руки абтооператара на 168* из исходного положения
i>M<i i ^—
поборот ^нтобатеяя б вертикальное положение
।i
Поворот кантователя в горизонтальное положение
1II
1 11 1 1 1П
Снятие инструментальной оправки из гнезда магазина «ри ее осевом смещении на 36 мм
11
1 11 h - 1 1
11II
установка инструментальной оправки б гнезда магазина
iiii i H i
11ill 1 • 1
Поборот и позиционирование инструментального магазина
11I I1—1 l-
1 11 1 1
Зажим инструмента б шпинделе
i i 1 1
Разжим инструмента в шпипвеле ,
Установочное перемещение шпиндельной коробки по оси У
Установочное перемещение стола станка по осям Хи 2
1
зин вновь поворачивается в положение свободного гнезда для последующей установки в нем заменяемого инструмента. Циклограмма работы механизма, определяющая последовательность движений, показана в табл. 16.4. Задавшись трапецеидальным законом движений и ограничив предельные значения скорости поступательных перемещений инструментов (с учетом радиуса дуги, на которой они расположены при выполнении вращательных движений), рассчитывают время t$ отдельных этапов цикла и длительности /см собственно смены инструмента. При этом учитывают время /уСТ установочных перемещений стола и шпиндельной коробки станка, совмещенное с ним и частично со временем рабочего цикла время /маг перегрузки инструмента из кантователя в магазин и поворота магазина при поиске очередного инструмента и свободного гнезда.
Оптимальную скорость линейного движения инструмента с учетом радиуса дуги траектории центра схвата автооператора (7? = — 250 мм) при его повороте на 90° определяют из соотношения: Vj = 0,6 У ат1; при ат1 = 7 м/с2 и / = л/?/2_= 0,39 м ^ = 1 м/с. Время поворота иа 90° У = 1 "^" при и^^а^х =
= 0,6 и ка = 1 /, = 0,5 с. Время поворота на 180° при этих условиях /3 = 1 с.
Оптимальная скорость линейного перемещения автооператора вдоль его оси у2 = 0,6}/ат2/2; при ат2 = 3 м/с2 и Z2 = 150 мм у2 = = 0,4 м/с. Если принять ускорение при разгоне ар2 = 5 м/с2 и ка = = ар/ат = 1,67, время выдвижения инструментальной руки
/ 1 4" &а (Уг/^^та^а) лг „‘2 — _ и,О С.
^2'г ^Т2*2
Время зажима (разжима) инструмента в шпинделе станка tx — = 0,5 с. Общее время, затрачиваемое непосредственно на смену инструмента, /см = 0,5 + 0,5 + 0,6 + 1 + 0,6 + 0,5 4- 0,5 = 4,2 с.
Принципиальная гидросхема механизма смены инструментов, разработанная в соответствии с циклограммой его работы, показана на рис. 16.11. Движения поворота автооператора на 90 и 180° осуществляются с помощью рейки, нарезанной на штоке каждого из цилиндров, и зубчатых колес; осевое перемещение руки — гидроцилиндром, одновременно выполняющим переключение приводной шестерни механизма поворота.
Рабочие параметры гидроприводов определены расчетным методом при следующих исходных данных: число инструментов — 2; наибольшая масса инструментальной оправки, имеющей конус хвостовика 7/24 № 50, равна 20 кг; расстояние между осями инструментов 2R = 500 мм; наибольший момент неуравновешенности руки автооператора Л4П = 50 Н-м; номинальные скорости и ускорения поршней гидроцилиндров привода поворота находятся повыбранным ранее скоростям и ускорениям поступательного движения инструмента, деленным на значения коэффициента кп = nmpupIR, где тр — модуль реечной передачи; ир — передаточное число зубчатого механизма; общая масса автооператора с инструментами — 80 кг; номинальная сила, развиваемая гидроцилиндром осевого перемещения для преодоления силы инерции при выбранном ранее ускорении, равна 2800 Н; гидравлический КПД цг = 0,5, а механический КПД цм = 0,8; рабочее давление масла в гидросистеме р = = 2 МПа.
Конструкция механизма автооператора, выполненная в соответствии с расчетными параметрами гидроприводов поворота и осевого перемещения руки, показана на рис. 16.12. Гидроцилиндры 2 и 3 механизма поворота руки / соответственно на угол 180 и 90° установлены параллельно друг другу в корпусе 6. Зубчатые рейки, нарезанные на штоках гидроцилиндров, с помощью двух повышающих зубчатых передач 4 приводят во вращение шестерню 5, насаженную на шлицевой вал 7, который установлен на подшипниках в корпусе 6. Двухзахватная рука автооператора поворачивается вместе с валом 7 и может перемещаться относительно него в осевом направлении под действием гидроцилиндра 10, шток которого жестко соединен с вилкой 8, входящей в кольцевой паз во фланце руки. При осевом перемещении руки вперед вместе с ней движется тяга 9,
которая передвигает шестерню 5, расцепляя ее с зубчатым колесом’ привода поворота на угол 90° и присоединяя к аналогичному механизму привода поворота на 180°. При возврате руки в осевом направлении подпружиненный плунжер 11 смещается вперед, сжимая пру- ;
жину, и освобождает фиксатор 12 зажимного устройства, который : расфиксирует инструментальную оправку.
Рука автооператора •■
Кантователь:
Поворот на 180
•Поворот на 90° Осевое смещение Поворот на 90'
и=50мм
П=63мм,в=45ми,1=70мм d=25MM,L=Z6HM
П=45мм
d*22MM,L=36MM П^Омм^^ЗЗмН^Зд^мМ
5005 73-12
ст
В
и
33 Щ
яи
33 SB
ail
В
ЛГ51-22
ПГ55-22
54ПГ73-12
54ПГ73-12 | 5460573-5
33
>ПГ51-24
ПГ55-22
4
J 54ПГ73-12'
ПГ 51-22
¥ Осевое перемещение ; П=50мм,5=30мм, 1=150мм
I ГАЗ-53
\0,08Г41-14^
Рис. I6.ll. Принципиальная гидросхема механизма автоматической смены инструментов
ПГ52-24
8П2-23А
Механизм кантователя
^Гивростанция
инструмента показан на рис. 16.13. Ме-
ханизм поворота на 90° приводится в движение гидроцилиндром /,j на штоке которого нарезана зубчатая рейка, входящая в зацепление, с шестерней 9. Поворотная часть, выполненная в виде кронштейна 3, имеет направляющую, по которой перемещается с помощью гидроцилиндра 2 ползун 4, При движении ползуна вверх инструменталь-
3X1
ная оправка 5 вместе с втулкой 6 снимается с фиксирующего штиМ фта 7, установленного на торце корпуса 8 инструментального мага-' зина, а затем переносится в горизонтальное положение при повороте
Рис. 16.13. Кантователь механизма автоматической смены инструментов для станка с ЧПУ
кронштейна на 90°. После замены инструмента автооператором кантователь вновь возвращается в вертикальное положение, ползун 4 опускается, а втулка 6 вместе с инструментом устанавливается в гнезде магазина.
ГЛАВА 17
БАЗОВЫЕ ДЕТАЛИ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ
НАЗНАЧЕНИЕ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И НАПРАВЛЯЮЩИХ
Базовые детали металлорежущих станков служат для создания требуемого пространственного размещения узлов, несущих инструмент и обрабатываемую деталь, и обеспечивают точность их взаимного расположения под нагрузкой. Совокупность базовых деталей между инструментом и заготовкой образует несущую систему станка. К базовым деталям относят станины, основания, колон ны, стойки, поперечины, ползуны, траверсы, столы, каретки, суппорты, планшайбы, корпуса шпиндельных бабок и т. п. (рис. 17.1)
Монтажнаяплита(спутник)Монтажнаяплита(спутник)ПоборотныйстолПоборотныйстолВерхниесалазкиВерхниесалазкиНижние салазкиНижние салазкиСтойкаСтойкаСтанинаСтанинаШпиндельная бабкаШпиндельная бабка
Монтажнаяплита(спутник)
Монтажнаяплита(спутник)
Поборотныйстол
Поборотныйстол
Верхниесалазки
Верхниесалазки
Нижние салазки
Нижние салазки
Стойка
Стойка
Станина
Станина
Шпиндельная бабка
Шпиндельная бабка
Рис. 17.1. Базовые детали фрезерно-расточного станка
По форме они условно могут быть разделены на три группы: брусья — детали, у которых один габаритный размер больше двух других; пластины, у которых один размер значительно меньше двух других; коробки — габаритные размеры одного порядка.
Направляющие обеспечивают правильность траектории движения заготовки и (или) инструмента и точность перестановки узлов. Во многих случаях направляющие выполняют как одно целое с базовыми деталями. Базовые детали и направляющие должны иметь: первоначальную точность изготовления всех ответственных поверхностей для обеспечения требуемой геометрической точности станка;
высокую жесткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и деформациями самих базовых деталей;
высокие демпфирующие свойства, т. е. способность гасить колебания между инструментом и заготовкой от действия различных источников вибраций;
долговечность, которая выражается в стабильности формы базовых деталей и способности направляющих сохранять первоначальную точность в течение заданного срока эксплуатации.
Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные деформации, из-за которых могут произойти относительные смещения между инструментом и заготовкой, а направляющие должны обладать,малой величиной и постоянством сил трения, так как от этого зависит точность позиционирования узлов станка. Перечисленные основные требования, предъявляемые к базовым деталям и направляющим станков, могут быть удовлетворены при правильном выборе материала и конструктивными принципами, которые являются общими несмотря на многообразие форм.
Конструирование базовых деталей — это поиск компромиссного решения между противоречивыми требованиями: создание конструкций жёстких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность; дающих экбномию металла, но учитывающих возможности литейной технологии при проектировании литых конструкций и возможности технологии сварных конструкций. Конструирование базовых деталей во многом опирается на богатый опыт, накопленный за долгие годы как в нашей стране, так и за рубежом.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
Станины бывают в зависимости от расположения оси станка горизонтальные и вертикальные (стойки). Они несут на себе основные подвижные и неподвижные узлы станка. Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется требованиями жесткости, расположением направляющих, условиями удаления стружки и охлаждающей жидкости, размещением в станинах различных механизмов, агрегатов и резервуаров для масла и охлаждающей жидкости.
Основные типы сечений горизонтальных станин представлены на рис. 17.2. Все сечения, кроме показанных на рис. 17.2, д, применяют при необходимости отвода большого количества стружки и охлаждающей жидкости. Станины с двойными стенками (рис. 17.2, б) в 1,3—1,4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками (рис. 17.2, а). Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый профиль имеет гораздо большую жесткость (особенно на кручение), чем разомкнутый, а сыпучий материал во внутренней полости повышает демпфирующие свойства станины. Применяют также станины, у которых стружка отводится через окна в задней стенке (рис. 17.2, в). Сечения станин с наклонной задней стенкой и расположением направляющих на разном уровне (рис. 17.2, а) обладают высокой жесткостью и создают хорошие условия для отвода стружки, но в этом 320
случае усложняется конструкция суппортов. Тяжелые станки (токарные, продольно-строгальные, продольно-фрезерные, расточные) имеют сечение станин, аналогичное сечению на рис. 17,2, д. При отсутствии защитных устройств стружка отводится через наклонные
Рис. 17.2. Типы сечений горизонтальных станинРис. 17.2. Типы сечений горизонтальных станин
Рис. 17.2. Типы сечений горизонтальных станин
Рис. 17.2. Типы сечений горизонтальных станин
люки в станине. Сечения типа на рис. 17.2, е применяют в высокопроизводительных токарно-гидрокопировальных, многорезцовых станках и в станках с программным управлением.
Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действующих на них сил. Стойки, испытывающие нагрузки в плоскости
Рис. 17.3. Типы сечений вертикальных станин (стоек)Рис. 17.3. Типы сечений вертикальных станин (стоек)
Рис. 17.3. Типы сечений вертикальных станин (стоек)
Рис. 17.3. Типы сечений вертикальных станин (стоек)
симметрии (например, вертикально-сверлильные станки), имеют профиль сечения, показанный на рис. 17.3, а, г. Если же нагрузка пространственная (фрезерные, расточные и другие станки), то профиль сечения стоек делают близким к квадрату (рис. 17.3, б), что обеспечивает повышенную жесткость на кручение. Стойки станков имеют круглое сечение (рис. 17.3, в), если необходимо обеспечить, поворот узлов относительно оси стойки (радиально-сверлильные станки).
321321Увеличения жесткости стоек добиваются с помощью поперечных и продольных ребер. Во избежание коробления стенок расстояние
321
321
11 П/р В. Э. Пуша
между ребрами должно быть не более 400 мм. У большинства станков момент сил, действующих на стойку у основания, больше, чем момент сил, действующих сверху, поэтому стойки выполняют расширяющимися книзу хотя бы в одной плоскости.
Плиты служат для повышения устойчивости станков с вертикальными станинами; их применяют в станках с неподвижной заготовкой (тяжелые расточные станки, радиально-сверлильные, консольно-фрезерные, вертикально-сверлильные и другие станки). Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой стенок и ребер или двух пластин, скрепленных стенками и ребрами. Высота плит не должна быть меньше 1/10 длины плиты.
Коробчатые базовые детали (шпиндельные бабки, коробки передач, коробки подач, фартуки и т. п.) чаще имеют форму параллелепипеда, реже цилиндрическую форму (многошпиндельные токарные автоматы). Жесткость коробок увеличивают за счет увеличения жесткости стенок непосредственно в месте приложения нагрузки путем постановки бобышек и ребер, однако увеличение диаметра бобышек более 1,4—1,6 диаметра отверстия и высоты бобышки более 2,5— 3 толщины стенки большого эффекта не дает. Отверстия в стенках снижают жесткость коробок пропорционально соотношению площадей отверстия и стенкн.
Базовые детали типа суппортов и салазок предназначены для перемещения заготовки или инструмента и имеют обычно две системы направляющих. Конструктивные формы суппортов и салазок определяются формой и расположением направляющих, конструкцией регулирующих элементов и механизма привода, требованиями к размерам по высоте. При конструировании салазок и суппортов приходится учитывать противоречивые требования: уменьшение массы и размеров по высоте, с одной стороны, и увеличение жесткости, которое достигается увеличением высоты сечения салазок, с другой.
Столы служат для поддержания и перемещения заготовок при обработке; их делят на подвижные и неподвижные. Подвижные столы имеют одну систему направляющих, т. е. перемещаются в одном направлении. Столы неподвижные для поддержания заготовок (радиально-сверлильные, протяжные станки) и подвижные консольные (вертикально-сверлильные, поперечно-строгальные станки) имеют коробчатую форму с внутренними перегородками и ребрами, повышающими их жесткость. v
Фрезерные, продольно-фрезерные, шлифовальные и другие станки имеют подвижные столы плоской прямоугольной формы. Их жесткость определяется главным образом высотой. В продольно-фрезерных станках отношению высоты стола к ширине,'равное 0,14—0,16, считается оптимальным.
Подвижные столы круглой формы имеют карусельные, зуборезные и другие станки. Круглые столы (планшайбы) карусельных станков диаметром более 1000 мм выполняют коробчатыми с радиальными и кольцевыми ребрами.
В большинстве конструкций базовых деталей в стенках предусматривают технологические окна и вырезы. Иногда они нужны для 322
размещения внутри них некоторых вспомогательных устройств (элементов систем смазывания и охлаждения, противовесов). Они сильно снижают жесткость базовых деталей, особенно крутильную жесткость. Для частичной компенсации потери жесткости используют дополнительные ребра и перегородки. Реже встречаются местные утолщения и приливы, так как по литейным соображениям следует стремиться к равной толщине стенок всей конструкции. Ориентировочно толщина стенки (по литейным условиям)
б = ю /ЖТ^+дуз >
где L, В, Н — габаритные размеры деталей, м (причем L — наибольший из них.)
При конструировании базовых деталей необходимо учитывать следующее.
Детали, работающие на растяжение и сжатие, обладают, как правило, значительно большей жесткостью, чем детали, работающие на изгиб и кручение.
Наибольшую жесткость на изгиб обеспечивают сечения с максимально возможным удалением части площади от нейтральной оси, а наибольшую крутильную жесткость — замкнутые кольцевые сечения. Разрез замкнутого контура приводит к уменьшению жесткости при кручении в десятки и сотни раз.
Для уменьшения местных деформаций в базовых деталях необходимо применять перегородки, препятствующие искажению контура и обеспечивающие совместную работу стенок. Этой же цели служат отдельные ребра и сетка ребер.
Рациональный выбор опорных точек позволяет значительно уменьшить деформацию. Например, при постоянном сечении балки установка опор в точках Бесселя на расстоянии 0,223Л от концов балки уменьшает прогиб от собственной массы в 48 раз по сравнению с прогибом при опорах на концах.
Снизить погрешности обработки можно применением конструкций, обеспечивающих наименьшие перемещения между инструментом и заготовкой в направлении, определяющем точность обработки. К ним, в частности, относятся симметричные конструкции.
Обработка базовых деталей с начальным деформированием в сторону, противоположную деформациям от массы или рабочей нагрузки, позволяет повысить точность обработки по длине. Этого добиваются также обеспечением малого изменения жесткости по координате обработки.
Необходимо стремиться к рациональному балансу жесткости, чтобы жесткие базовые детали имели жесткость неподвижных стыков такого же порядка.
МАТЕРИАЛ ДЛЯ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
.Основными материалами базовых деталей, удовлетворяющими условиям стабильности, жесткости и виброустойчивости, являются чугун и низкоуглеродистая сталь. Значительно реже при-
11*11*323
11*
11*
меняют бетон, да и то в качестве материала для оснований или станин.
Чугун наиболее распространенный материал для изготовления базовых деталей. Чаще всего применяют чугун СЧ 15. Он обладает хорошими литейными свойствами, мало коробится, но имеет сравнительно низкие механические свойства (модуль продольной упругости Е — 80-5-150 кН/мм2). Применяют для изготовления оснований большинства станков, салазок, столов, корпусов задних балок, тонкостенных отливок с большими габаритными размерами небольшой массы и других деталей сложной конфигурации при недопустимости большого коробления и невозможности подвергнуть их старению.
При повышенных требованиях к износостойкости направляющих, выполненных как одно целое с базовой деталью, применяют также чугун СЧ 20. Его также широко используют при изготовлении станин и других ответственных корпусных деталей прецизионных станков. Значительно реже применяют чугуны СЧ 30 и СЧ 35. Обладая высокой прочностью и износостойкостью, они имеют плохие литейные качества, поэтому их не рекомендуют для изготовления базовых деталей сложной формы и крупногабаритных. Эти чугуны применяют для изготовления блоков и плит многошпиндельных станков, станин токарных, револьверных станков, базовых деталей станков-автоматов и других интенсивно нагруженных станков. Для изготовления базовых деталей станков применяют легированные чугуны с присадками никеля, хрома, магния, ванадия и других элементов.
Следует помнить, что в деталях из литых чугунов образуются остаточные напряжения, которые могут привести к короблению базовых деталей и нарушению точности станка. Для снятия этих напряжений в станкостроении применяют различные методы старения: естественное, тепловую обработку, метод, термоударов, отжиг, вибрационное старение, статическую перегрузку и др.
Углеродистую сталь применяют при изготовлении сварных базовых деталей простой формы. Сварными базовые детали делают при мелкосерийном и единичном характере производства; их широко применяют в станках, работающих при ударных и очень больших нагрузках. По сравнению с литыми, сварные конструкции значительно легче при той же жесткости, поскольку модуль упругости стали в 2—2,4 раза выше модуля упругости чугуна. Кроме того, сварные конструкции имеют более совершенные формы с точки зрения жесткости, возможности исправления дефектов конструкции, менее трудоемки. При этом используют в основном листовую сталь СтЗ или Ст4 сравнительно большой толщины (8—12 мм). Тонкостенные базовые детали имеют толщину стенок 3—6 мм, что позволяет получить максимальную экономию металла, но технологически они сложнее из-за большого числа перегородок и ребер. В последнее ; время широко применяют конструкционные фасонные профили в свар- j ных станинах, что позволяет существенно снизить трудоемкость их) изготовления.:
Бетон хорошо -гасит вибрации, что увеличивает динамическую жесткость станка. Кроме того, большая, по сравнению с чугуном, тепловая инерция делает бетон менее чувствительным к колебаниям температуры. Модуль упругости бетона меньше, чем чугуна"; и ту же жесткость бетонной станины можно достичь, увеличивая толщину стенок. Увеличение массы детали при этом остается в допустимых пределах, так как удельный вес бетона составляет только треть удельного веса серого чугуна.
Вместе с тем необходимо учитывать, что бетон после схватывания поглощает влагу, что влечет за собой объемные изменения, а попадание масла на бетон повреждает его. Необходимы меры по защите бетона
Рис. 17.4. Бетонная станина токарного станка с числовым управле-Рис. 17.4. Бетонная станина токарного станка с числовым управле-Рис. 17.5. Станина из полимербетонаРис. 17.5. Станина из полимербетонанием
Рис. 17.4. Бетонная станина токарного станка с числовым управле-
Рис. 17.4. Бетонная станина токарного станка с числовым управле-
Рис. 17.5. Станина из полимербетона
Рис. 17.5. Станина из полимербетона
от влаги и попадания масла. В бетонной станине станка (рис. 17.4) силовое замыкание между направляющими станка и деталями крепления передней бабки проходит непосредственно через бетон, обеспечивая эффективное гашение вибраций.
Для изготовления станин тяжелых станков иногда применяют железобетон. Обеспечивая такую же жесткость, как и чугунная станина, железобетон дает экономию металла примерно на 40—60 %.
Как у нас в стране, так и за рубежом разрабатывают новые материалы для базовых деталей. Перспективным считают применение полимербетона для станин и оснований станков (рис. 17.5). Обладая сравнительно высоким модулем упругости (Д » 40 кН/мм2), полимербетон лишен недостатков обычного бетона.
РАСЧЕТ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
Базовые детали станков рассчитывают на жесткость и температурные деформации с точки зрения точности.
Жесткость базовых деталей во многом определяет погрешности обработки и характеризуется величиной смещения инструмента от-
325
носительно заготовки из-за деформаций базовых деталей. Она определяет также работоспособность механизмов станка, которая зависит от распределения давлений в сопряжениях. Жесткость отдельных базовых деталей определяется собственной их жесткостью на изгиб, кручение, сдвиг и т. п., а жесткость соединений элементов характеризуется отношением нагрузки Р к соответствующему относительному перемещению 6 в стыке:
/ = ^/6;
изгибная и крутильная жесткость
/изг = ^7/; /кр = ^/91,где / — вызываемая силой деформация; М — крутящий момент;0! — угол закручивания на единицу длины.
Расчет на жесткость носит приближенный характер, вместе с тем все чаще применяют сложные, но более точные расчеты на основе метода конечных элементов с использованием современных электронно-вычислительных машин, по мере совершенствования которых доля точных расчетов будет возрастать. Даже приближенный метод расчета полностью рассмотреть в ограниченном объеме учебника невозможно.
Приближенный технический расчет на жесткость в своей основе имеет следующие, допущения: все силовые факторы сводятся к сосредоточенным силам, т. е. распределенные нагрузки заменяют равнодействующими силами;
базовые детали имеют стенки постоянного сечения;
все рассчитываемые детали рассматривают как брусья, пластины или коробки соответствующей приведенной жесткости.
Нагрузку, действующую на элементы базовых деталей, представляют в виде составляющих, действующих в плоскости стенок, образующих основной контур сечения элемента, и в перпендикулярной к ним плоскости. Деформации элементов с жестким контуром сечения от нагрузки, действующей в плоскости стенок, относятся к так называемым общим деформациям, а от нагрузки, действующей в плоскости, перпендикулярной к стенкам — к местной. При рассмотрении деформаций деталей типа станин, стоек, поперечин, рукавов, хоботов и т. п. учитывают общие деформации изгиба, сдвига и кручения, как для сплошных брусьев, или, в случае необходимости, деформации, связанные с искажением контура сечения, а также местные деформации направляющих или фланцев. Для деталей типа плоских столов, плит, суппортов и т. п. определяют главным образом деформации от нагрузки, действующей перпендикулярно их плоскости, рассматривая детали как однородные пластины (если в деталях коробчатой формы нагрузка приложена в плоскости перегородок).' Для деталей типа коробок рассматривают главным образом деформации стенок коробки в плоскости меньшей жесткости. При определении деформаций деталей, перемещаемых по направляющим (суппортов, столов, ползунов и т. п.), их рассматривают 326
как балки на упругом основании, которым являются поверхностные слои направляющих.
Влияние конструктивного оформления элементов (окон, ребер, переменности сечений по длине и т. п.) учитывается введением некоторых приведенных параметров: приведенной толщины стенок, приведенной жесткости и т. д.
Для расчета базовых деталей составляют расчетную схему (рис. 17.6) с действующими нагрузками. Определяют деформации
Рис. 17.6. Расчетные схемы базовых деталей станков: а — токарного; б — многооперациоиного; в — сверлильного
с использованием,приближенных формул. Например, прогиб в середине пролета двухопорной балки
Р1?
f = 48 (£7)пр ’
а прогиб свободного конца балки с заделанным концом
PLaf = 3 (£J)np ’
где Р — поперечная сила соответственно в середине пролета или на конце заделанной балки, Н; L — длина рабочего участка балки, см; (Д/)Пр — приведенная жесткость балки на изгиб.
Угол закручивания балки от действия крутящего момента
MKL
(GJр)пр
где тИк— крутящий момент, Н-см; (GJp)np— приведенная крутильная жесткость.
Приведенную жесткость элемента на изгиб или кручение определяют из условия равенства перемещений элемента, рассматриваемого как брус или пластина и как пространственная система, при выбранном частном виде нагружения только изгибающими силами или только крутящими моментами. Она зависит от конструктивного оформления базовой детали, расположения перегородок, толщины стенок и т. п.
Рис. 17.7. Формы станинРис. 17.7. Формы станинПриведенная жесткость на изгиб станины из двух основных боковых стенок и
Рис. 17.7. Формы станин
Рис. 17.7. Формы станин
перпендикулярныхперпендикулярныхсвязу-связу-ющих перегородок в направлении, перпендикулярном боковым стенкам (рис. 17.7, а), (EJ)np = kTEJ ст,
перпендикулярных
перпендикулярных
связу-
связу-
а при диагональных перегородках (рис. 17.7, б)
№Пр = №2SCT,
где ки к2 — коэффициенты, зависящие от числа п и рас
положения перегородок (табл. 17.1); 7СТ — момент инерции сечения боковой стенки, см4; Е — модуль упругости материала станины, Н/см2; SCT — площадь сечения боковой стенки, см2.
Схемабазовой деталиСхемабазовой деталик.Схема базовой деталиnк.8П12sin a cos2 a12 (£ + sin3 a)4 (Пг + 4П1)4sin a cos2 aЧтЧг12 (g + 3 sin3 a)32П26sin a cos2 a12 (^ + 6,3 sin3 a)к.Схема базовой деталиnк.8П12sin a cos2 a12 (£ + sin3 a)4 (Пг + 4П1)4sin a cos2 aЧтЧг12 (g + 3 sin3 a)32П26sin a cos2 a12 (^ + 6,3 sin3 a)17.1. Значения коэффициентов ^ и 62 в зависимости от расположения перегородок в станине
Схемабазовой детали
Схемабазовой детали
к.
Схема базовой детали
n
к.
8
П1
2
sin a cos2 a
12 (£ + sin3 a)
4 (Пг + 4П1)
4
sin a cos2 a
ЧтЧг
12 (g + 3 sin3 a)
32
П2
6
sin a cos2 a
12 (^ + 6,3 sin3 a)
к.
Схема базовой детали
n
к.
8
П1
2
sin a cos2 a
12 (£ + sin3 a)
4 (Пг + 4П1)
4
sin a cos2 a
ЧтЧг
12 (g + 3 sin3 a)
32
П2
6
sin a cos2 a
12 (^ + 6,3 sin3 a)
Примечание.Примечание.1 । 36ф3 + 4§ , 36-ф Г,
Примечание.
Примечание.
Обозначения:— I 4"— ; ть = ——■—- 4- — ■ I 4-
1V8 83 4" §L ™
+? F • v - в + (п + 1):-у+зШ:
СТL JJ
^п» ^п ” площадь поперечного сечения и момент инерции на изгиб в плоскости
меньшей жесткости перегородок; а — половина угла между диагональными пере-
Перегородки практически не оказывают влияния на жесткость при изгибе в плоскости боковых стенок, и в этом случае момент инерции в выражении (EJ)np берут относительно нейтральной линии
Приведенная крутильная жесткость этой же базовой детали с перпендикулярными перегородками
B^EJ^
(G^p)np = L2/6 + 2£JCI/GSCT ’
где В — ширина детали (расстояние между боковыми стенками), см; J'CT — момент инерции сечения боковой стенки на изгиб в вертикальной плоскости; G — модуль сдвига материала базовой детали, Н/см2.
При наличии диагональных перегородок
(07р)пр = k3EJст,
где к3 — коэффициент, учитывающий форму и число перегородок Для станин с замкнутым контуром сечения приведенную крутиль ную жесткость определяют, как для полых труб:
_ р 4S26
(и/р)пр — О £ >
где S — площадь замкнутого сечения по осевым линиям стенок, см2; 6 — толщина стенки, см; L — периметр сечения, см.
Базовые детали типа пластин (основания, плоские столы, суппорты, салазки) рассчитывают на перекос при изгибе пластины под действием внешних нагрузок (см. рис. 17.6, б):
9 = 9qi + 9q2 + 9М.
Рассматривая пластину как балку на упругом основании, каждую составляющую угла перекоса можно представить в следующей виде:
n 0im6 h .n q^mb к .Q _ Mm? и
Ogl = —£— Rql>°g2 — “— "g2>УМ — ^— «М»
где b — ширина плиты, см; m = у -^коэффициент жесткости плиты; к — коэффициент жесткости упругого основания, приблизительно к = 1256 Н/см2; J — момент инерции поперечного сечения; kql, kq2, км — коэффициенты, определяемые в зависимости от геометрических параметров плиты и длины приложения распределенной нагрузки.
Расчет на жесткость базовых деталей типа коробок сводится к определению перемещения стенки в точках приложения внешних сил в направлении, перпендикулярном к плоскости стенки,
-Ра2(1 —и2)
f = пгп2п3п4,
где «1, п2, п3, п4 — коэффициенты, учитывающие связь рабочей, стенки с остальным корпусом, влияние ребер, бобышки, отверстий; а — половина наибольшего габаритного размера стенки; р — коэффициент Пуассона.
Толщина стенки существенно влияет на величину деформации, поэтому стенки шпиндельных бабок, воспринимающие осевую силу, делают утолщенными.
оатываемои поверхности.Жесткость неподвижных соединений базовых деталей существенно влияет на погрешности обработки. В общем балансе упругих перемещений несущей системы станка контактные деформации в стыках составляют от 30 до 70 %. Линейная деформация и поворот в плоском стыке при нагружении центральной силой Р и моментом 7И (рнс. 17.8) определяют из выражений6~CVS") ,q>-cM—,контактной податливости; S, J — пло-оатываемои поверхности.Жесткость неподвижных соединений базовых деталей существенно влияет на погрешности обработки. В общем балансе упругих перемещений несущей системы станка контактные деформации в стыках составляют от 30 до 70 %. Линейная деформация и поворот в плоском стыке при нагружении центральной силой Р и моментом 7И (рнс. 17.8) определяют из выражений6~CVS") ,q>-cM—,контактной податливости; S, J — пло-Рис. 17.8. "Деформация плоского стыка при нагружении силой и моментомРис. 17.8. "Деформация плоского стыка при нагружении силой и моментомПолученные в результате расчета базовых деталей упругие перемещения пересчитывают на соответствующие относительные перемещения инструмента и обрабатываемой заготовки в направлении, определяющем точность обработки. Для токарных станков таким перемещением будет перемещение резца перпендикулярно к обрабатываемой поверхности в точке резания; для сверлильных станков -*- перекос оси сверла относительно поверхности обрабатываемой детали; для фрезерных — перекос оси инструмента и относительные смещения детали и инструмента перпендикулярно к обра-
оатываемои поверхности.
Жесткость неподвижных соединений базовых деталей существенно влияет на погрешности обработки. В общем балансе упругих перемещений несущей системы станка контактные деформации в стыках составляют от 30 до 70 %. Линейная деформация и поворот в плоском стыке при нагружении центральной силой Р и моментом 7И (рнс. 17.8) определяют из выражений
6~CVS") ,q>-cM—,
контактной податливости; S, J — пло-
оатываемои поверхности.
Жесткость неподвижных соединений базовых деталей существенно влияет на погрешности обработки. В общем балансе упругих перемещений несущей системы станка контактные деформации в стыках составляют от 30 до 70 %. Линейная деформация и поворот в плоском стыке при нагружении центральной силой Р и моментом 7И (рнс. 17.8) определяют из выражений
6~CVS") ,q>-cM—,
контактной податливости; S, J — пло-
Рис. 17.8. "Деформация плоского стыка при нагружении силой и моментом
Рис. 17.8. "Деформация плоского стыка при нагружении силой и моментом
где с, см — коэффициенты щадь и момент инерции сечения контакта; т — показатель степени, т = 0,5 для поверхностей, обработанных чистовыми методами.
Коэффициенты контактной податливости связаны соотношением / Р \m—1
и зависят от материала и качества обработки сопрягаемых поверхностей. Для деталей из стали и чугуна при чистовой обработке (тонком точении, шлифовании и тщательном шабрении) с = 0,154- 4-0,2; при притирке можно получить с = 0,07, а при сравнительно грубой обработке (фрезеровании, грубом шабрении) с = 0,84-1,2.
Неподвижные стыки базовых детален имеют, как правило, предварительную затяжку силами, значительно большими, чем силы резания. Это позволяет считать жесткость стыка в приближенных расчетах близкой к постоянному значению, а деформацию и угол поворота определять по приближенным линейным зависимостям:
6 = стр""х р\ф = стрт~х M/J,
где р0, р — первоначальное и текущее давление в стыке.
Касательная жесткость стыков учитывается при расчете также на основе линейной зависимости
ot ст s ,
где сх — коэффициент контактной касательной податливости; Т — касательная сила, Н; S — площадь стыка, см3.
Для затянутых соединений можно принимать ст = 0,1 мкм-см2/Н, а при отсутствии предварительного натяга, например, в направляющих скольжения, сх = 0,3-5-0,35 мкм-см2/Н.
Точность приближенных расчетов оценивается сравнением результатов расчетов и экспериментов на реальных станках аналогичных конструкций при статическом нагружении, соответствующем нагружению при резании. Во многих случаях, когда базовые детали из-за сложности формы не поддаются расчету, проводят исследование жесткости на моделях, геометрически подобных рассматриваемому элементу или всей базовой детали. Обязательным условием при
этом является равенство критериев подобия модели н реальной базовой детали. Например, прн моделировании сплошных станин на упругом основании показатели жесткости X для модели и реальной станины должны быть близки друг другу:
Л 2 Г 4£J ’
где L, b — длина и ширина опорной поверхности балки; EJ — жесткость балки; К — коэффициент, характеризующий деформируемость грунта.
Наиболее распространенные материалы для изготовления моделей — органическое стекло и конструкционная сталь (для сварных моделей).
Расчет на жесткость методом конечных элементов проиллюстрируем простейшим примером. Для шарнирносоединенной системы (рис. 17.9, а) необходимо определить смещение в узле 2, предполагая, что каждый стержень имеет длину L, поперечное сечение S и модуль упругости Е. На элемент et действует продольная сила Р и реакции в шарнирах FT и F3 (рис. 17.9, б). Смещения узлов элемента от исходного положения обозначим 6, и 62, а их проекции на оси координат соответственно 6Х1, 6У1, 6Х2, 6У2. В матричной форме силы и смеще
ния описывают выражениями
6У16x2_ 6У26У16x2_ 6У2(17.1)(17.1)
6У1
6x2
_ 6У2
6У1
6x2
_ 6У2
(17.1)
(17.1)
где матричный индекс ег означает элемент, к которому относятся
рассматриваемые величины.
Проекции продольной силы на оси координат могут быть приравнены реакциям в шарнирах:
' РХГ Fyi
F Х2
_ РУ2_
—
Рcos у-
—Р sin у
— Pcos у
Р sin у_
(17.2)
Продольную силу Р можно определить по удлинению стержня:
/ ES \
^ = (—)[(5x2-6xi)cosy + (6y2-6ri)slny].(17.3)
Подставляя Р из выражения (17.3) в выражение для FX1, получим
Fxi = (-^-) [(6Х2 — 6х1) cos2 у + (6У2 — 6У1) cos у sin у] =
~ ("7^")*~-6xiCos2y—6yicosysiny4-6x2cos2Y + 6y2sinycosy). (17.4)
В матричной форме выражение (17.4) имеет вид
/ ES \FXi = \Т~/ l~cos2 у, —sin у cos у, cos2 у, sin у cos у]/ ES \FXi = \Т~/ l~cos2 у, —sin у cos у, cos2 у, sin у cos у](17-5)(17-5)— —cos2 у—sin у cos уCOS2 уsin у cos у ~Fe* =sin у cosysin12 у—sin у cos у—sin2 уLcos2 уsin у cos у—cos2 у—sin у cos у_—sin у cos у—sin2уsin у cos уsin2 у _— —cos2 у—sin у cos уCOS2 уsin у cos у ~Fe* =sin у cosysin12 у—sin у cos у—sin2 уLcos2 уsin у cos у—cos2 у—sin у cos у_—sin у cos у—sin2уsin у cos уsin2 у _5x16у16x2— 6у2 _5x16у16x2— 6у2 _Четыре уравнения типа (17.5) для FX1, Fyi, FX2, Fy2 в матричной форме записывают так:Четыре уравнения типа (17.5) для FX1, Fyi, FX2, Fy2 в матричной форме записывают так:6xi6У15x2_ 6у2_(17.6)6xi6У15x2_ 6у2_(17.6)
/ ES \
FXi = \Т~/ l~cos2 у, —sin у cos у, cos2 у, sin у cos у]
/ ES \
FXi = \Т~/ l~cos2 у, —sin у cos у, cos2 у, sin у cos у]
(17-5)
(17-5)
— —cos2 у
—sin у cos у
COS2 у
sin у cos у ~
Fe* =
sin у cosy
sin12 у
—sin у cos у
—sin2 у
L
cos2 у
sin у cos у
—cos2 у
—sin у cos у
_—sin у cos у
—sin2у
sin у cos у
sin2 у _
— —cos2 у
—sin у cos у
COS2 у
sin у cos у ~
Fe* =
sin у cosy
sin12 у
—sin у cos у
—sin2 у
L
cos2 у
sin у cos у
—cos2 у
—sin у cos у
_—sin у cos у
—sin2у
sin у cos у
sin2 у _
5x1
6у1
6x2
— 6у2 _
5x1
6у1
6x2
— 6у2 _
Четыре уравнения типа (17.5) для FX1, Fyi, FX2, Fy2 в матричной форме записывают так:
Четыре уравнения типа (17.5) для FX1, Fyi, FX2, Fy2 в матричной форме записывают так:
6xi
6У1
5x2
_ 6у2_
(17.6)
6xi
6У1
5x2
_ 6у2_
(17.6)
Fxi
^Xl, XI
^Xl, У1
Ml, X2
Ml, У2
6xi
Fc* =
Fyi
kyi, xi
^Yl, Fl
^Pl, X2
Ml, У2
6yi
• (17.7)
Fx2
^X2, XI
^X2, У1
M'2, X2
kxi, У2
5x2
_ Fy2_
_ ^Y2, Al
Ma, Pl
Ууг, xz
&У2, У2 _
_6у2_
Если множитель —— внести в квадратную матрицу, то уравнение (17.6) приобретает вид
Если квадратная матрица разбита, как показано, штриховыми линиями, то уравнение (17.7) можно записать следующим образом:
kn ^qp,
Mi Мг _ _ 62
(17.8)(17.8)
(17.8)
(17.8)
Уравнение (17.8) является матричным уравнением для элемента ех, и его квадратную матрицу коэффициентов называют матрицей жесткости элемента. Подобные уравнения могут быть получены и для других элементов.
Г* = кС16,Г* = кС16,Уравнение (17.8) может быть расширено так, чтобы оно включало все узловые смещения системы:
Г* = кС16,
Г* = кС16,
F21
kfl
k2i
к&
к 22
0
0
о-
0
"бГ
82
(17.9)
0
=
0
0
0
0
6з
_ 0 _
_ 0
0
0
0_
_64_
Уравнение (17.9) представляет собой уравнение для элемента ех и может быть
расширенное матричное записано как
■ (17.10)
где к*1 — расширенная матрица жесткости элемента ех; 6 — вектор узловых смещений системы.
Внешняя сила R2 может быть выражена через проекции Rxa, RY2, а условие равновесия в точке 2 в направлении оси X будет
Rx2 = Fxa + F Х2 -f- Fx2Rx2 = Fxa + F Х2 -f- Fx2(17.11)(17.11)
Rx2 = Fxa + F Х2 -f- Fx2
Rx2 = Fxa + F Х2 -f- Fx2
(17.11)
(17.11)
или в матричной форме
(17.12)
Подстановка выражений типа (17.10) в уравнение (17.12) и обоб-
зе=1зе=1(17.13)(17.13)(17.14)(17.14)
з
е=1
з
е=1
(17.13)
(17.13)
(17.14)
(17.14)
Уравнение (17.14) называют матричным уравнением системы, а матрицу К, задаваемую равенством
з
К = S к,(17.15)
называют матрицей жесткости системы.
Процедура объединения матричных уравнений элементов является по существу сложением расширенных элементарных матриц
ЗЗЗ
жесткости к и показывает, что элементы к^ матрицы жесткости К задаются равенством
зkf/ = ^k^.
Так как размеры и свойства стержней в рассматриваемой системе известны, то все элементы ketj могут быть вычислены с использованием уравнений типа (17.6)—(17.9), и матричное уравнение системы можно составить с помощью уравнений (17.15). Если приложенная сила R3 известна, то система линейных алгебраических уравнений (17.14) может быть решена различными методами и могут быть определены смещения 6.
Описанный метод расчета деформаций конструкции называют методом перемещений. В качестве внешних воздействий могут быть сосредоточенные и распределенные нагрузки, моменты, тепловые деформации, предварительные смещения и деформации в стержнях и т. д. Элементы могут быть как стержневые, так и пластинчатые, как плоские, так и пространственные.
При расчете на жесткость методом конечных элементов базовые детали станка представляют в виде произвольной композиции из стержней и пластинчатых элементов. Пластинчатые элементы могут быть треугольные и прямоугольные с шестью степенями свободы. Связь между элементами и узлами может быть не только жесткой, но и упругой.
Расчет сложной базовой детали с большим числом перегородок, ребер, окон и утолщений в стенках можно осуществить только с помощью современных электронно-вычислительных машин, часто в диалоговом режиме оператора с ЭВМ. Исходная информация состоит из геометрических и физических данных базовой детали и внешних и внутренних воздействий. По программе автоматически или с участием оператора происходит разбиение базовой детали на элементы с вычерчиванием результатов разбиения на графическом дисплее (рис. 17.10) или на графопостроителе.
Результатом расчета являются смещения всех узлов конструкции в абсолютных координатах.
Температурные деформации базовых деталей оказывают существенное влияние на точность обработки, особенно в прецизионных станках при окончательных операциях. Основными источниками тепловыделения в станках являются двигатели, элементы привода и процесс резания. Температурные смещения узлов плоскошлифовального станка с вертикальной осью Шпинделя показаны на рис. 17.11. Теплота, образовавшаяся в шпиндельной бабке, через стыки передается стойке станка. Ближние к источнику тепла стенки будут нагреты выше, чем отдаленные, что вызовет искривление стойки и, как следствие, нарушение заданного углового положения оси шпинделя относительно плоскости стола. Неравномерность нагрева отдельных точек стойки сравнительно невелика и лежит в пределах 5—8 °C при средней избыточной температуре корпуса шпин- 334
дельной бабки 12—15 °C. При этом нарушение заданного углового положения плоскости стола и торца шлифовального круга доходит до 0,1—0,15 мм/м.
Рис. 17.11. Температурные деформации стойки плоскошлифовального станкаРис. 17.11. Температурные деформации стойки плоскошлифовального станка
Рис. 17.11. Температурные деформации стойки плоскошлифовального станка
Рис. 17.11. Температурные деформации стойки плоскошлифовального станка
Расчет и анализ температурных деформаций несущей системы усложняются тем, что тепловое воздействие изменяется во времени ho случайному закону, поэтому \
применяют приближенный метод расчета при наличии предварительных данных об источниках тепловыделения и температурном поле.
Температурное поле, т. е. распределение температуры в разных точках несущей системы после некоторого времени работы станка, определяют по экспериментальным данным или приближенным расчётом, например, методом элементарных балансов. При этом все базовые детали разбивают на элементарные геомет-
рические фигуры, в пределах
которых закон изменения температуры считается линейным. Детали типа прямоугольных пластин и коробок разбивают на элементарные параллелепипеды со сторонами Ах, Ау и Az, а де-
тали типа тел вращения -^ на цилиндры постоянного диаметра. Для каждой элементарной фигуры составляют уравнение теплового баланса, по которому определяют приращение температуры через некоторый промежуток времени" Ат. Например, для элементарного параллелепипеда, расположенного в углу стойки и содержащего источник теплоты малого размера, при условии равномерного теплообмена с окружающей средой уравнение теплового баланса будет иметь вид
Q Ат = су Ax Ду Аг (0т — 6) + аб Ат [2 Ax Ду 4- Аг (Ах 4- Ду)] 4- 6—е .0—0 л
+ Хд^—Az/z/z Ат + X^AlAxAzAt+ (17.16) где Q — удельная теплота, кДж/ч; с — удельная теплоемкость материала, для чугуна с = 50 кДж/(кг-К); у— плотность материала, кг/м3; X — коэффициент теплопроводности, для чугуна X = = 47-4-58 Вт/(м-К); а — коэффициент теплопередачи в окружающую среду, при отсутствии вентиляции а = 5-4-7 Вт/(м2-К); 6, 6Т — избыточная температура элемента в начальный момент и спустя время Ат; 6Ж+Дх, 6,,.+Ду — избыточная температура в начальный момент для центров соседних элементов.
Из уравнения (17.16) можно получить выражение для избыточной температуры
+ 0 {1(4+ 4г+ 4") - Ыо-" + "4>4}' (|717>
где m = у Ах Ay Az — масса рассматриваемого элемента; а = = Х/су — температуропроводность материала, для чугуна а = 60X X 10~2 м2/ч.
Уравнения, подобные (17.17), составляют для всех элементарных фигур базовой детали. По ним можно проследить изменение избыточной температуры с течением времени. При большом числе элементов расчет целесообразно проводить на ЭВМ.
Температурные деформации отдельных элементов и всей детали определяют при допущении, что эти смещения пропорциональны средней температуре:
^i == ^Х^0Ср j, где е — коэффициент линейного расширения, для чугуна е да да 10-5 К"1-
Общее температурное перемещение рабочих органов станка получают суммированием отдельных температурных деформаций. Суммарные температурные смещения необходимо ограничивать исходя из допустимых погрешностей обработки.
Основные способы уменьшения температурных деформаций сводятся к следующему.
Уменьшение теплообразования в двигателях, опорах и передачах в результате применения жидкостной смазки и трения каче- 336
ния. Совершенствование системы смазывания строгим нормирова-. нием количества подаваемого смазочного материала, что способствует уменьшению тепловыделения и сокращению потерь.
Тепловая изоляция источников тепла от основных деталей несущей системы и интенсивный отвод образующейся в них теплоты, минуя несущую систему.
Целесообразное расположение источников тепла, Как правило, в верхней части станка, а наиболее мощных источников теплообразования (двигателя главного привода, резервуаров систем смазывания, охлаждения и гидропривода) вынесением на достаточное удаление за пределы станка, как это делают в современных прецизионных станках.
Взаимная компенсация температурных деформаций за счет внесения целесообразных изменений в конструкцию базовых деталей для улучшения баланса температурных деформаций. Для регулирования величины температурной деформации иногда используют специальные материалы с коэффициентом линейного расширения, отличным от обычного литейного чугуна, Так, легированный никелем чугун (36 % Ni) имеет коэффициент линейного расширения в 5 раз меньший, чем серый чугун, а у сплавов типа инвар этот коэффициент меньше в 10—12 раз. Компенсация температурных деформаций возможна также при искусственном подогреве отдельных частей несущей системы, например, теплым воздухом от двигателей.
Автоматическая компенсация температурных смещений путек измерения деформаций наиболее важных узлов и внесения поправом в их расположение от специального привода микроперемещений.
5. КЛАССИФИКАЦИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ
В металлорежущих станках применяют направляющие скольжения, качения и комбинированные. Направляющие скольжения могут быть с полужидкостной, жидкостной и газовой смазкой. При полужидкостной смазке суммируется сила взаимодействия контактирующих поверхностей деталей и сила вязкого сопротивления смазочного материала, не разделяющего полностью эти поверхности. Если смазочный материал разделяет поверхности полностью, то возникает жидкостная смазка, что имеет место в гидростатических и гидродинамических направляющих. Направляющие качения различают по виду тел качения на шариковые и роликовые.
Все типы направляющих имеют свои достоинства и недостатки, что и определяет их целесообразную область применения. Часто делают комбинированные направляющие, используя достоинства разных типов и достигая тем самым суммарного эффекта.
В зависимости от траектории движения подвижного узла направляющие могут быть прямолинейного и кругового движения. Их делят также на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По форме поперечного сечения наиболее распространены прямоугольные (плоские), треугольные (призматические), трапециевидные (типа ласточкина хвоста) и круглые направляющие. Часто используют
сочетание различных форм, когда одна из направляющих выполнена прямоугольной, а другая треугольной или в виде половины трапециевидной формы. Каждую из форм можно применять в виде охватывающих и охватываемых направляющих. Охватываемые направляющие плохо удерживают смазочный материал, а охватывающие удерживают его хорошо, но нуждаются в надежной защите от загрязнений.
Прямоугольные направляющие отличаются технологичностью изготовления и простотой контроля геометрической точности. Их все чаще применяют в станках с программным управлением, так как они отличаются простотой и надежностью регулировки зазоров и способны воспринимать большие нагрузки. Треугольные направляющие обладают свойством автоматического выбора зазоров под действием собственного веса, но угловое расположение рабочих граней усложняет их изготовление и контроль. Трапециевидные направляющие отличаются компактностью конструкции, но сложны в изготовлении и контроле. Регулирование зазора у них относительно простое, но не обеспечивает высокой точности сопряжений. Круглые направляющие применяют редко. В охватываемом варианте они не обеспечивают большой жесткости из-за прогиба скалок (штанг), закрепленных на концах, поэтому применяют их в основном при малой длине хода. В охватывающем варианте у цилиндрических направляющих сложно изготовить полукруглые пазы.
в. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
Непосредственный контакт сопряженных поверхностей в направляющих скольжения определяет непостоянство и большие силы сопротивления. В зависимости от нагрузки, скорости, вида смазочного материала и его количества направляющие могут работать в режимах трения без смазочного материала и с ним. Существен- ' ную разницу для этих направляющих составляют силы трения покоя (силы трогания) по сравнению с силами трения движения; последние, в свою очередь, сильно зависят от скорости скольжения. Эта разница приводит к скачкообразному движению узлов при малых скоростях, что крайне нежелательно, особенно для станков с программным управлением. Значительное трение вызывает изнашивание и, следовательно, снижает долговечность направляющих.
Для уменьшения недостатков направляющих с полужидкостной смазкой внедряют специальные антискачковые масла, применяют накладки из антифрикционных материалов. Если коэффициент трения покоя в паре чугун—чугун при обычных маслах равен 0,21 — 0,28, то применение антискачкового масла ИНСП снижает его до 0,075—0,09. Применение накладок из полимерных материалов на основе фторопласта снижает коэффициент трения покоя до 0,04— 0,06.
Достоинства направляющих с полужидкостной смазкой — высокая контактная жесткость и хорошие демпфирующие свойства. Кроме того, они обеспечивают надежную фиксацию подвижного узла станка после его перемещения в заданную позицию.
Материал направляющих в значительной мере определяет износостойкость и плавность движения узлов. Во избежание крайне нежелательного явления — схватывания, пару трения комплектуют из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и твердость. Направляющие, относительно которых перемещаются подвижные детали, делают более твердыми и износостойкими. Этим обеспечивается длительное сохранение точности, так как при движении копируется форма неподвижных направляющих.
Направляющие из серого чугуна, выполненные как одно целое с базовой деталью, наиболее просты, ho при интенсивной работе не обеспечивают необходимой долговечности. Их износостойкость повышают закалкой с нагревом токами высокой частоты или газопламенным методом. Закалкой одной из сопряженных поверхностей до HRC3 48—53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза. Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение износостойкости только при последующей закалке. Значительного повышения износостойкости чугунных направляющих можно добиться применением специальных покрытий. Хромирование направляющих слоем толщиной 25—50 мкм обеспечивает твердость до HRC3 68—72, в 4—5 раз повышает износостойкость и существенно уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Аналогичный эффект дает напыление направляющих слоем молибдена или сплавами с содержанием хрома. Хромируют только одну из сопряженных поверхностей, обычно неподвижную, так как пара хром по хрому склонна к схватыванию, хотя и имеет минимальный коэффициент трения.
Направляющие из стали выполняют в виде отдельных планок, которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным станинам крепят винтами или приклеивают. Материал накладных направляющих — низкоуглеродистые стали 20, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ с цементацией и закалкой до высокой твердости (HRC3 60—65), азотируемые стали 38Х2АПОА, 40ХФ, 30ХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до очень высокой твердости (800—1000Я/). Реже применяют легированные высокоуглеродистые стали ШХ15, ХВГ, 9ХС с объемной закалкой и отпуском (HRC3 58—62). Стальные закаленные направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость в паре с закаленным чугуном.
Цветные сплавы, такие, чкак безоловянная бронза Бр АМц9—2, оловянная бронза БрОФЮ— 1, сплав на цинковой основе ЦАМ 10—5 в паре со сталью и чугуном, дают наилучшие результаты по износостойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи, ио высокая стоимость сдерживает их широкое применение при изготовлении направляющих. Их используютфлавным образом в тяжелых станках, делая накладные направляющие или для заливки.
Пластмассы обладают хорошими характеристиками трения и антизадирными свойствами, обеспечивают равномерность движения при малых скоростях и не дают схватывания. Однако малая жесткость, низкая износостойкость при абразивном загрязнении, влияние тепловых воздействий, влаги, масла, слабых щелочей и кислот
материалы наматериалы наis 6is 65)5)в)в)Охватывающие ВОхватывающие Вг)г)
материалы на
материалы на
is 6
is 6
5)
5)
в)
в)
Охватывающие В
Охватывающие В
г)
г)
ограничивают их применение. Используют пластмассы в основном ■ в комбинированных направляющих, когда основную нагрузку несут, например, роликовые опоры, а слой пластмассы на вспомогательных гранях обеспечивает необходимые характеристики трения. В станках используют фторопласт в виде ленты, наклеиваемой на направляющие, фторопласт с бронзовым наполнителем, композиционные
основе эпоксидных смол с присадками дисульфида;
Охватываемые
Рис. 17.12. Формы направляющих скольжения: а — треугольные; б — прямоугольные; в — трапециевидные; г — круглые молибдена, графита и неметаллических наполнителей, материалы на основе ацетальных смол (дельрин).
Композиционные материалы на основе эпоксидных смол очень : технологичны. На подготовленные поверхности направляющих перемещаемой детали наносят слой только что приготовленной эпоксидной композиции (смола, пластификатор, отвердитель и наполнители). Поверхности направляющих неподвижной базовой детали покрывают тонким слоем смазочного материала или воска во избежание прилипания смолы и на них устанавливают подвижную базовую деталь. После затвердевания профиль направляющих подвижной детали полностью копирует профиль направляющих, по которым деталь перемещается. При необходимости такие покрытия можно обрабатывать строганием, фрезерованием, шабрением.
Конструктивное оформление. Сечения направляющих трения скольжения нормализованы (рис. 17.12). Соотношения размеров 340
сечений зависят от высоты направляющих (табл. 17.2). Отношение длины подвижной детали к общей ширине (ширина направляющих и расстояние между ними) направляющих должно быть в пределах 1,5—2. Длину неподвижных направляющих принимают такой, чтобы не было провисания подвижной детали.
Накладные направляющие крепят к базовой детали по всей их длине. При креплении винтами шаг между ними во избежание искривления и коробления должен быть не больше двукратной высоты накладной планки. При механическом креплении или приклеивании накладных направляющих необходимо предусматривать фиксацию их в поперечном направлении различными центрирующими выступами, поверхностями, фасками.
Расчет направляющих трения скольжения ведут исходя из обеспечения необходимой износостойкости и жесткости. Для обеспечения
износостойкости ограничивают допустимые давления на рабочих гранях направляющих, а требования к жесткости лимитируют допустимые контактные перемещения.
Если собственная жесткость сопряженных базовых деталей существенно больше контактной жесткости направляющих, то давления на рабочих поверхностях определяют приближенным методом. При этом пренебрегают собственными деформациями деталей и рассматривают относительный поворот и смещение деталей как твердых тел вследствие деформаций поверхностных слоев. К таким деталям
Рис. 17.13. Расчетная схема направляющих скольжения
относят суппорты токарных, карусельных, зубофрезерных и других станков, консоли и шпиндельные головки фрезерных станков, стойки, короткие столы и т. п.
В противном случае, т. е. когда собственная жесткость базовых деталей соизмерима с контактной жесткостью направляющих, расчет производят с использованием теории балок и плит на упругом основании. К этой группе деталей относят ползуны карусельных и долбежных станков, суппорта и длинные столы фрезерных, продольно-строгальных станков и т. д.
Рассмотрим первый случай на примере расчета направляющих токарного станка с ЧПУ. Допускаем, что по длине направляющих давления изменяются по линейному закону, а по ширине направляющих из-за ее малости по сравнению с длиной давления будем считать постоянными. Составляем расчетную схему для подвижного узла при действии на него всех сил: составляющих силы резания, массы узла, тяговой силы, реакций на рабочих гранях направляющих и соответствующих сил трения (рис. 17.13). Принимаем систему 342
координат и по расчетной схеме составляем уравнения равновесия подвижного узла:
£Х = 0; Px + ZH + B + Q-Q = 0;
£У = 0; — PY-\-B = 0;
2/ = 0; —Р2-С + Л + С = 0;
У М, — 0> Ру кН 4* ^/2) — Gd — РzyP 4“ СВ0 = 0;
У, Му = 0; Рх кН 4" ^/2) 4~ Pzxp 4" Qzq — Аха — Схс = 0;
У Mz = 0; —РхУр 4" QVq — РуХр — fCBg —"/В (Вд 4" £/2) Вхв = 0.
(17.18)
В системе уравнений (17.18) семь неизвестных А, В, С, хА, хв, Хс, Q, но первые четыре уравнения позволяют определить реакции на гранях направляющих и тяговую силу.
В = Ру;
Pzyp + Gd-/>y(//4-6/2) ,
л ПP^p + Gd-Py^ + b^ J (1719)
А = rZ-V U,
Q = Bx4-/H4-B4-C).
По реакциям на гранях можно оценить величины средних давлений
Ра = A/aL; рв ^ В[ЬЦ рс = Ci.cL. (17.20)
Определить максимальные значения давлений можно после нахождения координат равнодействующих реакций хА, хв, хс. Для этого к оставшимся двум уравнениям равновесия составляют дополнительное уравнение перемещений, предполагая, что момент внешних сил относительно оси Y—Y, равный моменту от реакций в направляющих
Му = РzXp 4" Рх кН 4- Ь/2) — Аха 4- Схс, распределяется между двумя направляющими пропорционально их жесткости, т. е. пропорционально их ширине,
Аха!Схс = а!с.(17.21)
Теперь координаты хА, хв, хс находят из уравнения (17.21) и оставшихся двух уравнений равновесия:
Px(H + b/2) + Pzxp + QzQ , ХаА (с/а 4- 1)’
Px(HA-b^ + Pzxp + QZ(1 . Хсс7о7с+п’
QVq РхУр РуХр — fGBg (В ^Вд -|- с/2) ХВ.
Когда форма одной из направляющих треугольная, ее заменяют призматической направляющей плоской формы с приведенной шириной
е = a cos2 а + b cos2 0,(17.23) ;
где а, 0 — углы наклона рабочих граней треугольной направляющей.
Последними в расчете опрёделяют максимальные давления на рабочих гранях направляющих по формуле, связывающей давления с равнодействующей и координатой ее приложения:
^4 = ^(1+-^-).(17.24) ;
Если в формуле (17.24) хл = 0, то распределение давлений i вдоль направляющей равномерное; при 0 < хд < L/6 получается ; трапецеидальный закон распределения давлений, а при хд = L/6 — треугольный. Если хд > L/6, это свидетельствует о том, что давле- : ния приложены не по всей длине направляющей, и в работу может ’ вступить нижняя планка, препятствующая отрыву подвижного ; узла.
Рекомендуемые максимальные давления на направляющих при J малых скоростях равны 2,5—3,0 МПа; при больших скоростях — j не более 1,0—1,2 МПа. Средние давления должны быть вдвое меньше i максимальных. В прецизионных и тяжелых станках средние давле- ния не превышают 0,1—0,2 МПа.;
Расчет контактных перемещений в направляющих смешанного ’ трения определяют на основе допущения о том, что они прямо про- < порциональны давлениям:5
А = ср, где с — коэффициент контактной податливости, который устанавли- : вают экспериментально; ориентировочно принимают с = ; = 10 мкм-мм2/Н.
Контактные деформации необходимо привести к точке приложе- : ния сил резания и учитывать по тем направлениям, которые влияют ' на точность обработки. Так, в рассматриваемом примере (см. рис. 17.13) смещение инструмента относительно детали в направлении Y—Y образуется за счет поперечного и углового перемещений подвижного узла:
b = cpB^c-A^c-H.(17.25)
Контактные перемещения на направляющих входят составной частью в общее упругое перемещение всей несущей системы и опре- : деляют точность обработки.<
Жидкостную смазку между направляющими можно обеспечить : либо за счет гидродинамического эффекта, либо подачей смазочного : материала между трущимися поверхностями под давлением. Достоинство жидкостной смазки в том, что отсутствует изнашивание направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства и плавность движения.
344
Гидродинамические направляющие отличаются простотой конструкции, хорошо работают лишь при достаточно больших скоростях скольжения, которым соответствуют скорости главного движения (в продольно-строгальных, карусельных станках). Гидродинамический эффект, т. е. эффект всплывания подвижного узла, создается пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, выполненными на рабочей поверхности направляющих (рис. 17.14). В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении затягивается смазочный материал, и обеспечивается разделение трущихся поверхностей слоем жидкости. При малой ширине направ-
Рис. 17.44. Гидродинамические направляющие:Рис. 17.44. Гидродинамические направляющие:/ — прямолинейного движения; 2 — кругового движения; 3, 4 — соответственно эпюры давлений при прямом и обратном ходе/ — прямолинейного движения; 2 — кругового движения; 3, 4 — соответственно эпюры давлений при прямом и обратном ходе
Рис. 17.44. Гидродинамические направляющие:
Рис. 17.44. Гидродинамические направляющие:
/ — прямолинейного движения; 2 — кругового движения; 3, 4 — соответственно эпюры давлений при прямом и обратном ходе
/ — прямолинейного движения; 2 — кругового движения; 3, 4 — соответственно эпюры давлений при прямом и обратном ходе
ляющей по сравнению с ее длиной критическая скорость скольже- ния, м/с, после которой наступает жидкостная смазка,
ц>2,5-105ц>2,5-105Pt? .r"minPt? .r"minр!?Вр!?В(17.26)(17.26)
ц>2,5-105
ц>2,5-105
Pt? .
r"min
Pt? .
r"min
р!?В
р!?В
(17.26)
(17.26)
где Р — общая нагрузка на направляющую, Н; НтХп — минимальная толщина смазочного слоя, в зависимости от длины направляющей Zimm = 0,064-0,1 мм; р. —динамическая вязкость, мПа-с; L, В — длина и ширина направляющей, мм.
Для различных скоростей скольжения и нагрузки существуют свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса.
Серьезным недостатком гидродинамических направляющих является нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможения подвижного узла.
Гидростатические направляющие более широко распространены в металлорежущих станках. Они обеспечивают жидкостную смазку при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность, и высокую чувствительность точных исполнительных движений. Недостатком гидростатических направляющих является сложность си-
стемы смазывания и необходимость специальных устройств для фиксации перемещаемого узла в заданной позиции.
Гидростатические направляющие (рис. 17.15) имеют карманы, в которые под давлением подается масло. Вытекая наружу через
Рис. 17.15. Схемы гидростатических направляющих: а, б — открытых; в, г — замкнутыхРис. 17.15. Схемы гидростатических направляющих: а, б — открытых; в, г — замкнутых
Рис. 17.15. Схемы гидростатических направляющих: а, б — открытых; в, г — замкнутых
Рис. 17.15. Схемы гидростатических направляющих: а, б — открытых; в, г — замкнутых
Рис. 17.16. Формы карманов гидростатических направляющихРис. 17.16. Формы карманов гидростатических направляющих
Рис. 17.16. Формы карманов гидростатических направляющих
Рис. 17.16. Формы карманов гидростатических направляющих
зазор h, оно создает масляную подушку по всей площади контакта. Целесообразная форма карманов для гидростатических направляю
щих показана на рис. 17.16. Их геометрические размеры задают на основе ориентировочных ' зависимостей а = = 0,5af, с^ = 0,1В; аа = 2ах.
По характеру восприятия нагрузки гидростатические направляющие делятся на открытые и замкнутые. Открытые направляющие предназначены для восприятия прижимающих нагрузок, а замкнутые (закрытые) могут воспринимать, кроме того, и значительные опрокидывающие моменты. Гидростатические направляющие различаются также системой регулирования толщины масляного слоя. Наиболее просты
и надежны системы с дросселями перед каждым карманом (см. рис. 17.15, б, г). Однако,
если направляющие незамкнутые, то они могут обеспечить необходимую жесткость масляного слоя лишь при большой массе подвижного узла. Повысить жесткость
масляного слоя можно путем использования для каждого кармана
отдельного насоса постоянного расхода (или систему с одним насосом и делителем расхода) (см. рис. 17.15, а, в\ Такие системы применяют в тяжелых станках (карусельных, продольно-фрезерных и др.). Наилучшими с точки зрения жесткости и постоянства толщины масляного слоя являются гидростатические направляющие с системой автоматического регулирования. Основу таких систем составляют дроссели, сопротивление которых автоматически изменяется либо в зависимости от толщины масляного слоя, либо от давления в масляном кармане.
Грузоподъемная сила, Н, незамкнутой гидростатической опоры с питанием по схеме насос—карман
Р = ^^,(17.27)
где Q — расход смазочного материала, протекающего через зазор, который является постоянным для этого типа опор, см3/с; р. —динамическая вязкость, для минеральных масел р = 14-100 мПа-с; h — величина зазора, см; F — площадь опоры, см2 (отдельной опорой будем считать участок F = LB, см. рис. 17.16); Cf, cg —коэффициенты, зависящие от геометрических параметров опоры и кармана, дЛя симметричной прямоугольной опоры
cF = -gL- (2LB + IB + 2lb + LbY(17.28)
^-0.61-10-^ДуД^-Д ,(17.29)
где L, В — соответственно длина и ширина опоры; Z, b — длина и ширина кармана.
Жесткость гидростатической опоры с постоянным расходом
,»3»>,-з',(17.30)
‘ahh4hх '
где знак минус означает, что с увеличением нагрузки зазор уменьшается.
(17.31)(17.31)У незамкнутой гидростатической опоры с питанием от общего насоса через дроссель к каждому карману (см. рис. 17.15, б) расход жидкости через дроссель и щель равен
(17.31)
(17.31)
В Ядр где рк, рн — соответственно давление в кармане и давление насоса, мПа; R, Ндр — соответственно сопротивление щели и дросселя.
Для гидростатических направляющих применяют в основном дроссели типа канала, в которых сопротивление потоку создается за счет трения жидкости о стенки. Такие дроссели меньше засоряются, так как позволяют увеличить проходное сечение канала, а необходимое сопротивление можно обеспечить за счет его длины, причем компактность дросселя достигается винтовой формой канала.
Для дросселей трения с круглым отверстием
7?пр= б.Э-КИц-^,(17.32)
а сопротивление щели гидростатической опоры
Я = -^8.(17.33)
где /0, d0 — соответственно длина и диаметр отверстия дросселя, см.
Подставив в уравнение (17.31) выражения (17.32) и (17,33), можно получить формулу для определения толщины масляного слоя
h = 6,9-№cg^ УИн. = 6,9- 10’4 А ^Л^. (17.34) где т = рк!ра —характеристика дросселя, 0 < m < I.
Жесткость гидростатической опоры с дроссельной системой питания
^Cpd^ с t 1 -- т \2/з_
’<17-35)
а при оптимальной характеристике дросселя т0ПТ = 2/3 !тах =3 (1 т) -^- .
Из формул (17.34) и (17.35) видно, что применение дросселей трения обеспечивает независимость толщины масляного слоя h и жесткости / от вязкости масла р. Это является достоинством дроссельных гидростатических опор, поскольку вязкость масла существенно изменяется из-за нагрева станка при. работе.
Грузоподъемная сила, Н, замкнутой гидростатической опоры с системой питания насос—карман (см. рис. 17.15, в)
Р = Ю^рцРс^Ср^е, k),(17.36)
а жесткость этой опоры
ЗрРс„
1 =к\(17.37)
где Но — первоначальная величина рабочего зазора; сР (е, к) и Cj (е, /г) — коэффициенты, определяемые в зависимости от относительного смещения 8 = (h0 —hj)/hQ и различия в противоположных
опорах к =(индекс 1 —для основной опоры,
Т1 СМ С51‘01 “02
а индекс 2 —для замыкающей); обычно 0 < к < 1, а при к = 0 опора превращается в незамкнутую.
Коэффициенты Ср (е, к^ и Cj (е, /г) определяют по выражениям
С^6’ k) — (1_е)4 + (1 +е)4 • . 348
Замкнутая гидростатическая опора с дроссельным регулированием (рис. 17.15, г) обладает грузоподъемной силой и жесткостью, определяемыми по выражениям (17.36) и (17.37), в которых коэффициенты Ср (е, /г) и с} (е, /г) определяют по следующим зависимостям:
. ,.1' к
(17.39)(17.39)сР(е, к) — (1 _е)з+ !(1 + е)з+1’
(17.39)
(17.39)
[(1—е)3 + I]2[(1 + е)3 4- И2 ’
Повысить жесткость незамкнутых гидростатических опор можно применяя регуляторы толщины масляного слоя. Примером регуля
тора, использующего обратную связь по давлению, может служить мембранный регулятор (рис. 17.17, а), принцип действия которого заключается в том, что его сопротивление, зависящее от величины зазора Н, изменяется в соответствии с толщиной щели h при равенстве расходов. Толщина масляного слоя гидростатической опоры с таким регулятором
h =1Y/3(1 + КНс-М, (17.40)
где Но — начальный зазор в регуляторе (при рк = 0), см; с — коэффициент податливости мембраны с пружиной, мм-см2/Н.
Подбором жесткости регулятора (используя коэффициенты Но -^- и с ) можно изменить жесткостную характеристику опоры. Регуляторы мембранного типа улучшают характеристики незамкнутых гидростатических опор при сравнительно небольшом диапазоне изменения внешней нагрузки (примерно до 5 раз), обеспечивая почти постоянное значение толщины смазочного слоя. Расширить диапазон внешних нагрузок во много раз можно путем созда-
ния систем автоматического регулирования, в которых осуществляется управление регулятором расхода по сигналу датчика, фиксирующего отклонение движения подвижного узла от идеальной прямой.
Своеобразной автоматической системой с регулятором являются гидростатические опоры с внутренним дросселированием (рис. 17.17, б). В качестве дросселя используют участок щели в виде кольца, причем дроссели располагают на противоположной направляющей. Жесткость и грузоподъемная сила таких опор в 1,5—2 раза больше жесткости обычных гидростатических опор с внешним дросселем постоянного сопротивления.
Демпфирование колебаний в гидростатических направляющих значительно выше, чем в направляющих других типов, и характеризуется силой сопротивления, возникающей при сближении поверхностей с некоторой постоянной скоростью. Для прямоугольных направляющих с карманом демпфирующая сила
Р = -^(В‘4-№^,(17.41)
а для плоской кольцевой опоры с центральной камерой
-(17.42)
где h—начальная (средняя) величина зазора; гь г2—соответственно наружный и внутренний радиусы кольцевой опоры.
Гидростатические направляющие чувствительны к деформациям и погрешностям изготовления и монтажа, суммарная величина которых для сопряженных деталей не должна превышать примерно одной трети минимальной расчетной толщины щели. Положительным свойством гидростатических опор является способность их в значительной мере усреднять исходные геометрические погрешности сопряженных поверхностей.
Разделения трущихся поверхностей в аэростатических направляющих добиваются подачей в карманы воздуха под давлением. В результате между сопряженными поверхностями направляющих образуется воздушная подушка. По конструкции аэростатические направляющие напоминают гидростатические. Рабочую поверхность делят на несколько секций, в которых располагаются карманы. Подвод и распределение воздуха к каждой секции независимые. Для устранения опасности потери устойчивости и возбуждения интенсивных колебаний по принципу пневмомолотка карманы и распределительные канавки делают треугольного профиля и небольшими по объему (рис. 17.18). Аэростатические направляющие работают устойчиво, когда объем воздуха в канавке в 4—5 раз меньше объема воздуха в щели. Исходя из этого, глубина канавки
/ с УОЛЖ
где В —ширина опоры, мм; h —толщина щели, обычно h = 0,01 4- 4-0,05 мм.
350
Микроканавки замкнутого профиля, аналогичные канавкам гидростатических опор (см. рис. 17.16), применяют при значительной ширине направляющих. Воздух подводят к центру канавки через дросселирующее отверстие (d = 0,2-г-0,8 мм) под избыточным давлением 0,2—0,4 МПа.
Подъемная сила опоры с одной канавкой
(17.43)(17.43)Р = 9,8В//Р (А),
(17.43)
(17.43)
где/—длина канавки, мм; fp характеристики опоры,
6=17,3^. (17.44)
Коэффициент fp (k) при расчете грузоподъемности можно определить по эмпирической формуле
У ОДрн
где рн —давление воздуха в канавке, МПа.
По условию устойчивости характеристику опоры следует брать в интервале 0,3 < А < 2.
Жесткость незамкнутых аэростатических направляющих можно оценить по приближенной формуле
/ = О,5^-ро,(17.46)
(А) — коэффициент, зависящий от(А) — коэффициент, зависящий отРис. 17.18. Аэростатическая опораРис. 17.18. Аэростатическая опорагде ро — подводимое давление воздуха, МПа.
(А) — коэффициент, зависящий от
(А) — коэффициент, зависящий от
Рис. 17.18. Аэростатическая опора
Рис. 17.18. Аэростатическая опора
Недостатки аэростатических опор и напрарляющих^по сравнению с гидростатическими, заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла, низкими динамическими характеристиками, склонностью к отказам из-за засорения магистралей и рабочего зазора. Динамические характеристики можно улучшить, применяя аэростатические направляющие закрытого типа, а поднять нагрузочную способность за счет автономной системы питания от отдельного компрессора.
Преимущества аэростатических направляющих состоят в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создается контакт поверхностей с большим трением, обеспечивающим достаточную жесткость фиксации узла стайка в заданной позиции. Отпадает необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются гидростатические направляющие.
Все это определяет целесообразную область применения аэростатических направляющих. Их используют в прецизионных станках, в которых малы силы резания и необходимо точное позиционирование.
§ 7. НАПРАВЛЯЮЩИЕ КАЧЕНИЯ
Направляющие качения имеют хорошие характеристики трения, равномерность и плавность движения при малых скоростях, точность установочных перемещений и длительно сохраняют точность; в них малое тепловыделение, их просто смазывать. Недостатками направляющих качения по сравнению с направляющими скольжения являются высокая стоимость, трудоемкость изготовления, пониженное демпфирование, повышенная чувствительность к загрязнениям.
Рис. 17J9. Основные схемы направляющих качения:а — на ролнкух с закрепленными осями: б — с потоком тел качения; в —с возвратомн тел каченияРис. 17J9. Основные схемы направляющих качения:а — на ролнкух с закрепленными осями: б — с потоком тел качения; в —с возвратомн тел качения5)5)
Рис. 17J9. Основные схемы направляющих качения:
а — на ролнкух с закрепленными осями: б — с потоком тел качения; в —с возвратомн тел качения
Рис. 17J9. Основные схемы направляющих качения:
а — на ролнкух с закрепленными осями: б — с потоком тел качения; в —с возвратомн тел качения
5)
5)
Трение качения в направляющих может создаваться при свободном прокатывании шариков или роликов между движущимися поверхностями, либо применением тел качения с фиксированными осями (рис. 17.19). Наибольшее распространение в металлорежущих станках имеют направляющие со свободным прокатыванием тел качения (рис. 17.19, б, в), так как есть возможность разместить большее число тел качения в зоне контакта и обеспечить необходимые жесткость и точность движения. Конструкции без возврата тел качения (рис. 17.19, б) применяют для малых ходов (до 1 м), поскольку тела качения в 2 раза отстают от подвижного узла. Для равномерного размещения на направляющей тел качения служит сепаратор. При большой длине хода используют направляющие с циркуляцией шариков или роликов, которые свободно возвращаются на рабочую дорожку по каналу возврата (рис. 17.19, в).
Материал и конструктивные формы направляющих качения сходны с направляющими скольжения. Однако для направляющих качения необходимы твердые и однородные рабочие поверхности. Чугун применяют сравнительно редко лишь при небольших нагрузках. В основном используют стальные закаленные направляющие. 352
Число тел качения z в одном ряду на направляющей не должно быть меньше 12—16, так как с их уменьшением снижается точность движения. Вместе с тем для загрузки всех или почти всех тел качения внешней силой необходимо соблюдать условия
z с <//4; г < Р/9,5 /d,
где q —нагрузка на единицу длины ролика, Н/мм; Р —нагрузка на один шарик, Н; d —диаметр шарика, мм.
Чрезмерное увеличение количества тел качения приводит к тому, что все большее их число оказывается ненагруженным полностью или частично. При выборе диаметра детали типа тела качения' нужно учитывать, что с уменьшением диаметра возрастают силы трения, а с увеличением диаметра увеличиваются размеры направляющих. Жесткость шариковых направляющих возрастает с увеличением диаметра шариков, а жесткость роликовых направляющих почти не зависит от диаметра роликов. В станкостроении используют короткие ролики диаметром 5—12 мм и длинные диаметром 5—20 мм.
Предварительный натяг в направляющих качения устраняет вредное влияние зазоров и обеспечивает повышение жесткости направляющих в 2—3 раза. Предварительный натяг может быть получен за счет массы узла и внешней нагрузки. Недостаток этого способа— невозможность выбора оптимальной величины натяга и его регулирования.
. В замкнутых направляющих предварительный натяг создают двумя способами: пригонкой размеров или регулировочными устройствами. Первый из них прост конструктивно и обеспечивает высокую жесткость, однако натяг невозможно регулировать в процессе эксплуатации и необходимо выдерживать размеры с большой точностью, так как максимальные величины натяга для шариковых направляющих не должны превышать 7—10 мкм, а для роликовых — 10—15 мкМ. Рекомендуемые величины натяга обычно составляют 5 —6 мкм.
Второй способ лишен этого недостатка, но сложнее конструктивно. Натяг создается либо пружинами, либо за счет регулировочных элементов, которые смещают- подвижную деталь. При этом желательно, чтобы на эти устройства во избежание снижения жесткости не действовала основная нагрузка.
Направляющие с циркуляцией тел качения выполняют в основном без сепаратора, со сплошным потоком шариков или роликов. Иногда встречаются конструкции с циркуляцией тел качения, в которых используют сепараторы в виде гибкой цепи. Циркуляция тел качения осуществляется также в опорах (шариковых или роликовых), представляющих собой отдельные самостоятельные элементы. Это своего рода подшипники качения прямолинейного движения. На рис. 17.20 представлена конструкция роликовой опоры Р88, размеры которой определены стандартом станкостроения (табл. 17.3). Эти опоры бывают нормальной Р88, узкой Р88У и широкой Р88Ш серий.
17.3. Размеры роликовых опор и допускаемая нагрузка
Типоразмер опоры
Допу- скаемая нагрузка, Н
Размеры, мм
Крепежные винты
L
В
н
h
С
а
(1
1
Р88-101
25 000
75
42
22
16
34
44
6
• 14
М4
Р88-102
49 500
95
52
32
24
42
52
8
20
М5
Р88-103
105 000
135
.66
39
29
' 52
80
10
25
Мб
Р88У-101
17 000
75
25,6
18,7
12,7
20,6
25,4
6
8,4
М3
Р88У-102
43 000
105
38,3
28
20
31
38
8
12,5
М4
Р88У-103
85 000
140
51
37
27
41
51
10
18,5
М5
Р88Ш-101
33 000
75
33,7
18,7
12,7
28,5
25,4
6
16;5
М3
Р88Ш-102
68 000
105
46,3
28
20
39,2
38
8
20,5
М4
Р88Ш-103
170 000
140
58,5
37
27
48,5
51
10
26
М5
Роликовая опора состоит из направляющей 1, вокруг которой обкатываются ролики 2. Выпадению и боковым смещениям роликов препятствуют обоймы 3, шпонки и пружины. К монтажной поверхности подвижных узлов станка опоры крепят винтами и штифтуют.
Рис. 17.20. Рцликовая опора с циркуляцией тел качения: 1 — направляющая; 2 — ролики; 3 — обойма
Расчет направляющих качения предусматривает проверку на предельно допустимую нагрузку по прочности поверхностного слоя и отсутствие пластических деформаций в зоне контакта, определение упругих перемещений и уточнение величины предварительного натяга.
Предельные нагрузки по контактным напряжениям стальных и чугунных направляющих подсчитывают на основе формулы Герца- Беляева, которая преобразуется к простейшему виду;
354
для роликовых направляющих
Р = Kbd;
для шариковых направляющих
Р = К<Р,
где d —диаметр шарика или ролика, см; b —ширина ролика, см; К —условное напряжение, Н/см2 (табл. 17.4).
Фактическую нагрузку на наиболее нагруженный шарик или ролик определяют методом, применяемым при расчете направляющих скольжения; при этом тела качения условно заменяют сплошным упругим основанием, для которого определяют максимальное давление ртах. Нагрузка на шарик „
г™х rjг 17.4. Условные напряжения
или роликдля направляющих качения
Р — btpmax,
где b —условная ширина направляющей (ширина ролика или диаметр шарика); t — шаг между осями рабочих тел качения.
Жесткость направляющих качения для условия идеального изготовления
Тела качения
К, Н/см2
Для стальных закаленных направляющих (HRC^ 60 ... 62)
Для чугунных направляющих (20Q НВ)
Шарики Ролики: короткие длинные
6
200
150
0,2
20 15
6 = cpq; 6 = сшР, (17.47)
где ср, сш — коэффициенты контактной податливости соответственно для роликовых (мкм-см/Н) и шариковых (мкм/Н) направляющих.
Зависимости (17-47) справедливы при наличии предварительного натяга (предварительной нагрузки) и при действии перекашивающих моментов.
Динамические характеристики направляющих качения несколько хуже, чем направляющих скольжения. Небольшое демпфирование обусловлено малой площадью контакта.
Трение в направляющих качения практически не зависит от скорости движения узла и складывается из двух составляющих, одна из которых постоянна, а вторая пропорциональна нормальной нагрузке. Сила трения на одной грани направляющих
7' = Т0+Ар№ (17.48)
где То = 4-^-5 Н —постоянная составляющая силы трения; fK — коэффициент трения качения, /н = 0,001 см для направляющих из стали и /н = 0,0025 см для направляющих из чугуна; г — радиус тел качения, см; PN — суммарная сила, действующая на рабочую грань направляющей.
12* 355
Сочетание направляющих различных типов в одной конструкции дает возможность использовать положительные свойства различных видов трения.
Комбинированные направляющие качения—скольжения с облицовкой граней скольжения полимерными материалами имеют хорошие свойства как направляющих качения, так и направляющих скольжения и не имеют их недостатков, т. е. обладают одновременно удовлетворительными характеристиками трения, высокими жесткостью и демпфированием колебаний, являются безударными в наиболее важном направлении и имеют значительно меньшую стоимость, чем направляющие качения.
Элементы качения могут быть на основных, боковых или вспомогательных гранях. Остальные грани выполняют как поверхности скольжения. Роликовые опоры на основных горизонтальных гранях применяются в направляющих тяжелых перемещающихся узлов (столы тяжелых фрезерных станков, подвижные стойки тяжелых расточных станков, суппорты тяжелых токарных станков и т. п.); при этом желательно грани скольжения делать с частичной разгрузкой роликовыми опорами, что способствует повышению точности обработки.
Направляющие с боковыми гранями качения используют в станках, где в первую очередь необходимо устранить переориентацию узлов при реверсах (расточные, многооперационные, токарные, бесконсольно- и вертикально-фрезерные станки и др.).
Общая сила трения в комбинированных направляющих качения —скольжения
Т = То+/сЛ1+^2,
где То « 5 Н; /ск — коэффициент трения скольжения, для чугуна /ск = 0,14-0,25; /к—коэффициент трения качения, для чугуна /к — 0,0025 см, для стали ^ = 0,001 см; Nt, N2 —доли общей нагрузки, воспринимаемые соответственно направляющими скольжения и качения, Н; г — радиус тел качения, см.
Гидроразгрузка направляющих с полужидкостной смазкой за счет подачи в разгружающие карманы масла под давлением весьма эффективна для наиболее ответственных направляющих. Подбором давления масла в карманах можно резко уменьшить коэффициент трения, обеспечить высокую долговечность направляющих, а отсутствие всплывания, которое имеет место в гидростатических направляющих, обеспечивает высокую контактную жесткость и надежную фиксацию узла после перестановки.
Сила трения в направляющих с гидроразгрузкой
где f — коэффициент смешанного трения; Ро — сила гидроразгрузки.
Сила гидроразгрузки та же, что и для гидростатических направляющих, Pg = PuFCy, обычно Pg — 0,lPN.
356
Комбинация гидростатических и гидродинамических опор целесообразна при большом диапазоне изменения скоростей, что в направляющих встречается редко. Такие опоры применяют для быстроходных шпинделей станков с большим диапазоном регулирования частоты вращения.
Комбинации гидростатических опор и направляющих качения целесообразны в отдельных случаях для создания замкнутых гидростатических опор. Подпружиненные катки могут обеспечить надежное замыкание гидростатических опор даже при отсутствии внешней постоянной нагрузки.
Сочетание гидростатических направляющих с аэростатическими возможно в случаях, когда аэростатические опоры выполняют вспомогательные функции уплотняющих устройств. Для силового замыкания аэростатические направляющие малопригодны из-за низкого давления в пневмосети.
ГЛАВА 18
РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКОВ
§ 1. динамическая система станка
Динамический расчет станка необходим для определения показателей динамического качества, используемых затем для оценки производительности и точности станка, сравнительного анализа различных конструктивных вариантов и оптимизации.
Наиболее полно вопросы анализа динамики станков рассмотрены в работе В. А. Кудинова, где предложены следующие основные показатели динамического качества станка: запас устойчивости., реакция системы на внешние воздействия, быстродействие, определяющее црОдоляштёДыГбстЬ "ТТёрёхбдо^^ Запас устойчивости характеризует возможности изменения того или иного параметра системы (жесткости, скорости движения, линейного размера и др.) без потери ею устойчивости. В роли сигналов, по которым определяются второй и третий показатели системы, могут выступать относительные смещения или скорости движения инструмента и заготовки (при оценке точности обработки), напряжения в нагруженной детали, контактные напряжения (при оценке надежности и долговечности системы), температура нагрева и др. В. А. Кудиновым дано представление о динамической системе станка как замкнутой многоконтурной системе, включающей упругую систему (станок, приспособление, инструмент, заготовка) и рабочие процессы, протекающие в ее подвижных соединениях (резание, трение, процессы в двигателях).
С динамической системой станка познакомимся на простом примере. При исследовании вынужденных колебаний плоскошлифовального станка можно сделать допущения о бесконечно большой жест-
357
кости подсистемы заготовки, по сравнению с жесткостью подсистемы шлифовального круга, в направлении, перпендикулярном к обрабатываемой поверхности, и о линейности системы. Входными воздействиями на систему станка являются: силовое воздействие и 0) от неуравновешенности шлифовального круга и изменение yt (/) глубины резания вследствие эксцентриситета круга. Для учета только низкочастотных форм колебаний станка можно представить его системой с одной степенью свободы (рис. 18.1). Приняв в качестве переменной состояния системы изменение q (/) относительного положения шлифовального круга и обрабатываемой заготовки по нормали к поверхности обработки и используя принцип Даламбера,
«ее
Рис. 18.1. Расчетная схема дина- Рис. 18.2. Структурная схема дийамической мической системы станкасистемы станка
получим математическую модель системы в виде обыкновенного дифференциального уравнения
| ntq^-Vhq^-Vcq^= Р^-^и^у,
I Р (О = kv{yt (0 -<?(/)],(18Л)
где т, h, с — соответственно приведенная масса, эквивалентные коэффициенты демпфирования и жесткости подсистемы шлифовального круга (параметры упругой системы станка); Р (z) — изменение силы резания; hv — коэффициент пропорциональности (характеристика процесса резания).
Для систем с большим числом степеней свободы дифференциальные уравнения обычно записывают в матричной форме.
Если при нулевых начальных условиях к дифференциальному уравнению (18.1) применить преобразование Лапласа, предварительно поделив все его члены на с, то получим
^ »• + У s + 1) »(S) -IP (S) + “ И1Т;(18 „
Р (s) = kpUh 0) — q (sy,
где q (s), Р (s), ы (s), yt (s) —преобразования Лапласа переменных q ОУ Р Оу и ОУ Уг ОУ 8 — комплексная переменная.
Введя обозначения т/с = Т2, h/с = 2^7 (| — коэффициент демпфирования) и k = 1/с, запишем систему (18.2) в иной форме:
Ч = Т*Н^\ (Р (S) + °(S)] = ^ у °(S)[Р (S> + “ <S)]:<18-3>
358
P(s) = hp\gt^q^\, где 1Га у. с (s) — передаточная функция эквивалентной упругой системы, включающей, помимо упругой системы, трение.
Запись уравнений в форме (18.3) дает возможность представить структуру рассматриваемой динамической системы станка в виде совокупности упругой системы и процесса резания, взаимодействующих между собой (рис. 18.2). Внутри прямоугольников, изображающих основные звенья системы, записаны их передаточные функции (в частном случае — коэффициенты). Стрелки показывают направления воздействий звеньев друг на друга, а также внешние воздействия на систему.
Разрешив систему уравнений (18.3) относительно изображения переменной состояния q (s), получим математическую модель станка, позволяющую анализировать влияние внешних воздействий на выход динамической системы станка:
Йр^Э. у. С (S)/ \ (
4 (S) ~+
+“ ($) = W^ ^ ^ ^ + Г“ <s) “ (sb <18л>
э. у. с W
где Wv (s) — передаточная функция системы по изменению настройки; Wu (s) — передаточная функция системы по внешнему силовому воздействию.
Для линейных систем справедлив принцип суперпозиции, по-- этому влияние внешних воздействий на выход системы можно рассматривать по очереди. Одним из наиболее распространенных видов динамических моделей являются частотные характеристики. Для большинства входных воздействий частотная характеристика системы может быть получена из соответствующей передаточной функции при замене параметра s на /со.
Например, для передаточной функции 1ГЭ. у. с (s), определенной выражением (18.3), частотная характеристика имеет вид
^Э- у. с О) = (1 _Г2Ю2) + /-2^Т(О ’
или после разделения на действительную и мнимую части получим
П7; k^-TW)
W Э- у. С им) — (1 _ Т2Ш2)2 _|_ 4g2T2w2/ (1 — Т»ГО2У + ^TW '
Графиком частотной характеристики 1ГЭ. у. с (/со) является амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ), которая строится на комплексной плоскости (рис. 18.3, а). Она представляет собой геометрическое место концов векторов (годограф), соответствующих Гэ.у.с (/ю) ПРИ изменении частоты от нуля до бесконечности (или до сотах). При со = О 1Гэ.у. с (/со) = к, т- е. податливости упругой системы станка, при со = l/T радиус-вектор АФЧХ совпадает с отрицательным направлением мнимой оси, а его величина fe/2B зависит от относительного коэффициента демпфирования В (для упругих систем станков В = 0,05-Ю, 15).
Упругие системы станков, как правило, имеют более сложные АФЧХ, чем системы с одной степенью свободы. На рис. 18.3, б показана экспериментальная АФЧХ одностоечного плоскошлифо- вальиого станка с горизонтальным шпинделем. Характеристика в диапазоне от 0 до 700 с-1 имеет три основные резонансные петли (под петлей понимается участок АФЧХ вблизи резонансной частоты). В данном случае первая петля соответствует преобладающим вертикальным колебаниям шлифовальной бабки (частота 125 с-1), вторая и третья — двум формам изгибных колебаний шпинделя со шлифовальным кругом. На рис. 18.3, в показана экспериментальная
Рис. 18.3. Амплитудно-фазовые частотные характеристики:
а — одномассовой упругой системы (см. рнс. 18.1); б — плоскошлифовального станка; в токарного станка
АФЧХ токарного станка средних размеров. Наиболее характерными резонансными петлями характеристики в данном случае являются петли, соответствующие преобладающим колебаниям нижнего суппорта (частота 70 с'1), переднего (частота 128 с-1) и заднего (частота 184 с-1) концов обрабатываемой детали, верхнего суппорта (частота 250 с'1)-
АФЧХ упругих систем станков зависит от большого числа факторов: конструкции станка и значения его параметров, режима работы станка, способа закрепления и размеров обрабатываемой заготовки, координат точки рабочего пространства станка и др.
Динамические свойства станка можно оценить по величине отрицательного максимума действительной составляющей частотной характеристики разомкнутой системы «эквивалентная упругая система — процесс резания» Ц7раз (Л — ^р^э. у. с (Л- На АФЧХ упругой системы станка этой величине соответствует отрезок Re™ у. 0 (рис. 18.3, в).
Виброустойчивость станка тем выше, чем меньше отрезок Re™ у. с- Известно, например, что значение предельной стружки /пр (где ^пР— максимальная глубина резания, при которой обработка на станке идет без вибраций) уменьшается с увеличением Re™ у. с, и наоборот; между ними существует сильная корреляционная связь. 360
Отрезок Re” у. с связан с петлей характеристики WV у. с (/), соответствующей так называемой потенциально неустойчивой форме колебаний упругой системы станка. При обработке с глубиной резания / /пр в станке возникают интенсивные колебания (потеря устойчивости) на частоте потенциально неустойчивой формы колебаний. Эта форма связана в основном с колебаниями определенного узла или элемента станка, которые являются слабым звеном в его динамической системе.
При решении конкретных задач динамики многоконтуриую динамическую систему станка обычно заменяют эквивалентной ей одноконтурной системой. Можно назвать три основных типа таких задач: 1) расчет станка при резании; 2) расчет стайка при холостом ходе (например, расчет позиционирования узлов); 3) расчет привода станка. При решении задач первого типа в контур связи включают всего два звена — процесс резания и эквивалентную упругую систему (ЭУС). Структурная схема такой одноконтурной системы показана на рис. 18.2. Направленность связей в системе позволяет при расчете выделять ее звенья и рассматривать их отдельно.
В основе решения задач первого типа лежит расчет динамических. характеристик эквивалентной упругой системы стайка, процесса резания и одиокоитуриой разомкнутой системы; последняя характеристика служит основой при оценке всех показателей динамического качества стайка. В процессе расчета определяют частотные характеристики звеньев и систем, обычно в форме амплитудно- фазовой частотной характеристики. Расчет проводят иа стадии технического проекта, когда конструкция станка проработана достаточно детально и имеется подробная информация о его параметрах и возможных диапазонах их измеиеиия. Расчет можно проводить ие только для оценки показателей динамического качества стайка, ио-и при поиске оптимальной конструкции упругой системы по этим показателям. В этом случае необходима математическая модель системы, адекватная базовому варианту станка.
разработка расчетной схемы
УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА
С точки зрения динамики реальная упругая система станка — это сложная колебательная система с распределенными инерционными и упругими параметрами, имеющая бесконечное число степеней свободы и, соответственно, бесконечное множество собственных частот колебаний. Точный расчет такой системы практически невозможен.
При расчете динамических характеристик реальную упругую систему стайка заменяют расчетной схемой, т. е. системой с конечным числом степеней свободы в виде некоторого количества сосредоточенных масс, соединенных невесомыми упругими и диссипативными (рассеивающими энергию колебаний) элементами, обычно с линейными характеристиками. Такое представление системы стайка основано иа том, что большинство корпусных деталей — тяжелые и
относительно жесткие тела, а деформации сосредоточены в основном в стыках. Разумеется, там, где нельзя пренебречь распределенностью параметров, это учитывают с помощью заменяющих моделей в виде упругих элементов (стержней, пластин) с сосредоточенными инерционными параметрами.
Расчетная схема должна быть с достаточной для практики точностью эквивалентна реальной системе станка в заданном частотном диапазоне по жесткости в точках приведения масс, значениям низших собственных частот (лежащих в заданном диапазоне) и соответствующих им формам колебаний.
Построенная таким образом расчетная схема позволяет описать динамику упругой системы станка системой линейных дифференциальных уравнений второго порядка. Допустимость линейного представления может быть обоснована натягом упругой системы силами резания и весом ее элементов, а также относительной малостью амплитуд их колебаний.
Разработку расчетной схемы упругой системы станка можно проводить на основе чертежей. Однако наличие экспериментальных данных (частотных характеристик, форм колебаний упругой системы на собственных частотах), полученных для базового варианта станка, позволяет при разработке расчетной схемы сделать ряд обоснованных упрощений и существенно сократить в дальнейшем объем расчетных работ.
Рассмотрим два примера. Базой для построения расчетной схемы бесцентрового круглошлифовального станка с широким кругом послужили данные о колебаниях элементов станка в процессе шлифования. Поскольку основные возмущающие воздействия на станок в данном случае создают исходная погрешность заготовки и привод, эксперименты проводили при черновом шлифовании, когда спектр возмущений шире, а их интенсивность достаточна для дальнейшего спектрального анализа. Размещение датчиков колебаний на станке определялось необходимостью получения информации о формах колебаний его упругой системы.
Полученные записи колебаний (реализации) рассматривали как случайные процессы. После аналого-цифрового преобразования данные о колебаниях различных точек станка вводили в ЭВМ для обработки в целях определения статистических характеристик, в том числе оценок спектральных плотностей (описывающих частотную структуру процессов колебаний).
Анализ полученных характеристик позволил установить, что до 95 % дисперсии относительных колебаний бабок шлифовального и ведущего кругов определяется колебаниями в диапазоне от 0 до 100 Гц. Следовательно, для достаточно точного описания поведения динамической системы станка можно учитывать только низкочастотные формы колебаний его упругой системы, соответствующих этому диапазону.
Были определены собственные частоты станка в диапазоне до 100 Гц. По результатам расчетов на ЭВМ статистических характеристик были найдены оценки отношений амплитуд колебаний различ- 362
ных пар точек упругой системы — амплитудные и фазовые спектры. Значения ординал спектров на всех собственных частотах станка позволяют судить о формах колебаний его упругой системы. Анализ форм колебаний показал, что основные перемещения элементов упругой системы станка при колебаниях происходит в плоскости, перпендикулярной оси шлифовального круга. Это дало основание ограничиться рассмотрением плоской расчетной схемы станка (непространственной). Было установлено также, что основные узлы станка (станина, бабки, шлифовальный и ведущий круги) двигаются при колебаниях как жесткие тела (массивы) за счет деформаций в стыках.
Рис. 18.4. Расчетная схема упругой системы бесцентрового круглошли- фовальиого станкаРис. 18.4. Расчетная схема упругой системы бесцентрового круглошли- фовальиого станкаПод массивом подразумевают тело, собственными деформациями которого можно пренебречь по сравнению с контактными деформациями в стыках. Расчетная схема станка в виде линейной колебательной системы, состоящей из пяти элементов с 11 степенями свободы, приведена на рис. 18.4. Массивы 7 (шлифовальный круг), 2 (бабка шлифовального круга), 3 (ведущий круг) и 5 (станина) соединены невесомыми упругими связями с вязким демпфированием — моделями стыков. Каждую связь в плоскости ХОК характеризуют коэффициенты жесткости и коэффициенты демпфирования соответствующего стыка по осям X, Y и при повороте вокруг оси Z,
Рис. 18.4. Расчетная схема упругой системы бесцентрового круглошли- фовальиого станка
Рис. 18.4. Расчетная схема упругой системы бесцентрового круглошли- фовальиого станка
Инерционные характеристики массивов (массы, моменты инерции) сосредоточены в центрах тяжести соответствующих элементов станка.
Один из элементов упругой системы станка—суппорт ножа — на расчетной схеме заменен жестко защемленной эквивалентной невесомой упругой балкой (стержнем) с приведенной массой, сосредоточенной в точке 4 контакта ножа с обрабатываемой деталью. Статическая жесткость такой заменяющей системы в точке 4 по оси Y равна жесткости реальной системы ножа в той же точке, а собственные частоты систем одинаковы. Принято, что масса суппорта ножа (точка 4) обладает одной степенью свободы (по оси X).
В качестве второго примера рассмотрим разработку расчетной схемы упругой системы координатно-расточного станка (рис. 18.5, а). Во время предварительных экспериментов в этом случае станок возбуждался электромагнитным вибратором, установленным на столе. Измеряли перемещения расточной оправки относительно стола, а также перемещения других характерных точек упругой системы по координатным осям X, Y, Z. Последовательная ориентация вибратора вдоль каждой из координатных осей позволила построить матрицу №э.у.с частотных характеристик эквивалентной упругой системы с девятью элементами: WXx> WYY, WZz» Wxy, Wxz»
WYXi WYZ,WZx, WZY (первый индекс соответствует направлению измеряемых относительных перемещений оправки и стола, второй — направлению возбуждающей силы). Модули (амплитудно- частотные характеристики) взаимных характеристик (с разными индексами), как и модуль характеристики Wzz, оказались существенно меньшими, по сравнению с модулями основных характеристик WXx и WYy, во всем исследуемом частотном диапазоне (20—500 Гц). Это дало основание считать слабо связанными колебания станка по различным координатным осям и рассматривать его пространственную упругую систему состоящей из двух независимых плоских подсистем (в плоскостях XOZ и YOZ), а колебаниями по оси Z пренебречь.
Рис, 18.5. Координатно-расточной станок с ЧПУ (а) и расчетная схема его упругой системы (б)
По характеристикам WXx и WYY были найдены собственные частоты системы. Картины перемещений точек упругой системы станка при колебаниях на каждой из собственных частот (экспериментальные формы колебаний) позволили представить характер деформаций основных элементов станка и провести их классификацию на массивы и стержни (упругие балки); к массивам были отнесены (рис. 18.5, а) станина 1, салазки 3, стол 7, электродвигатель 9 и шпиндельная коробка 11. Гильза 13 также была представлена в виде массива (жесткого тела) на упругих опорах. При работе станка момент сил резания отклоняет ось гильзы от вертикали; при этом на диаметрально противоположных сторонах гильзы в верхней и нйжней частях ее стыка со шпиндельной коробкой возникают площадки контакта, составляющие примерно 10 % общей длины стыка. Эта картина практически не изменяется, если учитывать собственные деформации гильзы, которые даже при неблагоприятных условиях нагружения в несколько раз меньше зазора в стыке. Жесткость площадок контакта определяет линейную и угловую жесткость стыка «шпиндельная коробка—гильзы».
Как показали формы колебаний, стойка 7 станка колеблется как упругое тело, упруго защемленное относительно угловых перемещений в стыке 6 со станиной (в плоскостях XOZ и YOZY Это дало основание классифицировать стойку как стержень. К стержням был отнесен также полый шпиндель станка, обладающий невысокой изгибной жесткостью.
На основе полученных сведений была разработана пространственная расчетная схема станка (рис. 18.5, б). Связи между точками О, 1, 2 и 6; 2, 3 и 4; 4 и 5; 8 и 9; 10, И и 12\ 12, 13 и 17 (как между точками, принадлежащими одному «массиву»), а также между точками 7, 8 и 10 (как между точками, лежащими в одном поперечном сечении стержня) приняты жесткими; между точками 6 и 7 стойки, точками 14, 15, 16, 17 и 18 расположения сосредоточенных масс шпинделя — упругими; между остальными точками — упругодемп- фирующими.
Анализ форм колебаний позволил пренебречь податливостью некоторых стыков, что значительно уменьшило трудоемкость подготовительного этапа расчета. Например, было установлено, что податливости стыков «стол—салазки» и «салазки—станина» следует учитывать лишь в направлении движения подачи и только при фрезеровании, когда выключены механизмы зажима этих стыков. В остальных случаях эти стыки можно считать абсолютно жесткими. Оказалось возможным полностью пренебречь податливостью соединения блока направляющих со стойкой, а в стыке «стойка—станина» учитывать только угловые податливости в плоскостях XOZ и YOZ (о чем уже говорилось выше). Вместе с тем стык «станина—фундамент» принят податливым по всем шести возможным перемещениям, что необходимо, в частности, при анализе вынужденных колебаний системы станка от возмущений со стороны фундамента.
Эксперименты и расчеты показали, что не всегда стык «шпиндель—инструмент» можно считать жестким. Вместе с тем представляет интерес определение влияния жесткости этого стыка на характеристики упругой системы станка в целом. Эти соображения делают необходимым учет в расчетной схеме податливости стыка «шпиндель—инструмент». Сам инструмент, если его собственными деформациями можно пренебречь (жесткая борштанга, фреза), представляется массивом. В других случаях необходим учет конструктивных особенностей конкретного инструмента.
Стойка и шпиндель станка, рассматриваемые как стержни, представлены на расчетной схеме своими заменяющими моделями. К стойке жестко прикреплен блок направляющих (реальная сосредоточенная масса). Поэтому приведение массы стойки целесообразно осуществлять в точку пересечения вертикальной оси стойки с линией, параллельной оси Y и проходящей через центр стыка «стойка— блок направляющих» (точка 7 на рис. 18.5, б). Таким образом, заменяющая модель стойки представляет собой невесомый упругий стержень, упруго защемленный в точке 6, с сосредоточенной приведенной массой в точке 7 и сосредоточенными приведенными моментами инерции в той же точке (различными для поворотов в пло-
скостях XOZ и YOZ). Помимо изгиба, стержень может работать на кручение вокруг вертикальной оси стойки. Шпиндель станка представлен на расчетной схеме в виде невесомой упругой балки с пятью сосредоточенными массами {точки 14—/5) на двух упругодемпфиру- ющих опорах. Такое представление шпинделя обеспечивает относительную погрешность при определении собственных частот и форм колебаний в диапазоне частот от 0 до 500 Гц не более 5 % и вполне оправдано для такого ответственного узла, несмотря на усложнение расчета.
Таким образом, расчетная схема упругой системы координатнорасточного станка содержит 12 сосредоточенных масс, соединенных упругими и диссипативными связями. Каждая масса в общем случае может иметь шесть степеней свободы, и ее движение должно описываться шестью дифференциальными уравнениями второго порядка. В этом случае значительно удобнее использовать матрично-векторную форму записи уравнений движения. При этом составление уравнений колебаний в трехмерном пространстве практически не отличается от аналогичной процедуры в направлении одной из осей координат.
Ранее была обоснована допустимость независимого рассмотрения колебаний упругой системы координатно-расточного станка в плоскостях XOZ и YOZ. Следовательно, система распадается на две независимые плоские подсистемы: одна соответствует колебаниям станка но координатам X, <рг, <pz, другая — колебаниям по Y, Z и фх. Матрицы, входящие в уравнения, в этом случае будут иметь размер 3x3 (а не 6x6, как для пространственной системы). Сами же матричные уравнения имеют одинаковый вид независимо от того, движение какой из плоских подсистем рассматривают (меняется лишь содержание матриц).
СОСТАВЛЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ДИНАМИКИ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ
При составлении уравнений колебаний упругих систем станков, рассмотренных выше, используют следующие матрицы.
Му — матрица инерционных характеристик в /-й точке:
тх
0
0
0
Sz
— Sy
0
mY
0
—Sz
0
Sx
0
0
mz
Sy
—Sx
0
М; =
0
-sz
Sy
^X
Фху
ФХ2
, (18.5)
Sz
0
-Sx
—Фху
Jy
—Фу2
_-SY
Sx
0
—^xz
Фу2
J Z _
где т — массы; J — моменты инерции; Зиф — соответственно статические и центробежные моменты инерции. Здесь и далее под- 366
С» : СуС» : Сустрочные индексы означают оси, относительно которых берутся инерционные характеристики; для краткости записи общий индекс / вынесен за рамки матрицы. Порядок записи строк и столбцов матрицы Му (как и всех приведенных ниже матриц) соответствует координатам X, Y, Z, фх, фг, ф2 в правой прямоугольной системе координат; при решении частных задач следует из матрицы размера 6x6 взять строки и столбцы, соответствующие имеющимся у рассматриваемого элемента / степеням свободы. Следует заметить, что при совпадении j-й точки с центром тяжести элемента матрица Му становится диагональной.
С» : Су
С» : Су
2.Если2.ЕслиСе = этимСе = этим— матрица жесткости упругого элемента е.
2.
Если
2.
Если
Се = этим
Се = этим
СЛ ■ С/7
элементом является стык между точками I и /,
то С/г — диагональная матрица размера 6x6, состоящая из коэффициентов Сх, CY, Cz линейной и СФХ, Сфу, С^ угловой жесткости
этого стыка, причем Су = Си, Су = Сц = —Су. Если упругим элементом является стержень длиной I с конечными точками i и /, то
EF 1
0
0
0
0
0
0
12EJZ
I3
0
0
0
6EJZ p
0
0
12£/y
I3
0
6EJy p
0
Сн —
0
0
0
GJx I
0
0
0
0-
6EJY p
0
4EJv_ I
0
0
6EJz
0
0
0
№JZ
Г2
I
it
EF 1
0
0
0
0
0
0
12EJZ
I3
0
0
0 -
6EJZ P
0
0
12EJy
0
6EJy
0
I3
I3
ся =
0
0
0
GJX I
0
0
0
0
6EJy
0
4EJy
0
P
I
0
6EJz p
0
0
0
^EJZ I
a
/
0
0
12E/Z р
0
0
0
0
0
0
0
6EJZ
12
Со =
0
0 '
0
0
\2EJy р
0
0
Шх
1
6EJy р
0
0
0
0
0
6EJy р
0
2Е]у /
0
0
6EJZ р
0
0
0
2EJZ I
ч
с,7 = С^
(18.6)
где £ и G -т- соответственно модули упругости и сдвига материала стержня; F — площадь поперечного сечения; JY, Jz — моменты инерции поперечного сечения относительно осей У и Z; Jx — момент инерции поперечного сечения стержня на кручение; обозначение Сгу соответствует матрице усилий в i-й точке элемента е от единичных перемещений /-й точки того же элемента.
Если /-я точка стыка или стержня жестко заделана, то Се ^ С,г.
FP — матрица демпфирования элемента е, структура которой аналогична структуре матрицы Сс, а элементами являются коэффициенты демпфирования he-vo элемента системы.
А/,а — матрица переноса, с помощью которой линейные и угловые перемещения точки / жесткого элемента приводятся к точке к;
1
0
0
0
Zk-Zj
Ui — Ук
0
1
0
Zj-Zh
0
Xk Xj
0
0
1
Ук-Uj
Xj-xk
0
^jk —
0
0
0
1
0
0
.(18.7)
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
где Xj, yj, Zj, xh, yh, zh — координаты точек / и к.
А/, а — транспонированная матрица переноса, с помощью которой силы и моменты, действующие в точке к, приводятся к точке /.
У] — вектор обобщенных координат /-го узла упругой системы станка; q} = \д1хд1Уд^гд} qj q} Г qb q, —-соответственно векто-
IФх Фу Ф2|,
ры скоростей и ускорений.
Pj — вектор сил и моментов, приложенных к /-й точке:
Р1 = \РхР¥РгМхМуМг\^
Значения элементов матриц Мр Сс, Не определяют методами сопротивления материалов с использованием эмпирических сведений о контактной податливости и демпфирующей способности стыков, а также результатов предварительного эксперимента о собственных частотах и жесткости отдельных элементов упругой системы
станка.
Рассмотрим процедуру составления уравнений на примере расчетной схемы станка (рис. 18.6). Бабка станка представлена масси
//Рис. 18.6. Расчетная схема станкаРис. 18.6. Расчетная схема станкацг и ^5 — шестицг и ^5 — шестивом, инерционные параметры которого сосредоточены в центре тяжести 2. В точке 3 бабка имеет упругодемпфирующее соединение со стойкой, которая является стержнем с постоянными по высоте упругими характеристиками и массой, сосредоточенной в точке 5; связь 4—5 абсолютно жесткая. Система' подвергается внешнему силовому воздействию Рг (t) в точке 1.
/
/
Рис. 18.6. Расчетная схема станка
Рис. 18.6. Расчетная схема станка
цг и ^5 — шести
цг и ^5 — шести
Движение системы при этом можно описать как движение совокупности ее узлов. Примем за узлы точки сосредоточения инерционных параметров системы и составим уравнения движения в отклонениях. Тогда вектор
обобщенных координат системы </ = (?), где
мерные векторы отклонений узлов 2 и 5 от их установившихся состояний. Перемещения других точек системы (/, 3 и 4) можно выразить через перемещения узлов 2 и 5 с помощью матриц переноса А21, А23 и А54.
Система содержит упругие элементы двух типов: стык / с концевыми точками 3 и 4 и стержень //, один конец которого является
узлом 5, а второй заделан. Для выполнения условий неразрывности
перемещений точек элементов системы, принадлежащих одному узлу, составим блочную матрицу соединений G в виде таблицы.
Конце- выв точки элементов
Узлы системы
2
5
3
4
^23 0
0 А54
-* G
5
0
Е
Матрица состоит из шести блоков, размещенных в двух столбцах (по числу узлов системы). Слева указаны концевые точки элементов, причем для стержня, один конец которого жестко заделан, вторую точку не указывают. На пересечении столбца матрицы соединений с номером узла 2 и строки с номером точки 3, жестко связанной с этим узлом, стоит матрица переноса Ааз, характеризующая связь перемещений точек 2 и 3. На пересечении столбца с номером узла 5 и строк с номеррми точек 4 и 5 стоят соответственно матрица пере-
носа А54 и единичная матрица Е. Учитывая, что рассматривается пространственная система и каждый блок матрицы G имеет размер 6x6, сама она получается размером 18X12. Таким образом, матрица G осуществляет соединение элементов системы в узлах.
Матричное уравнение упругой системы станка
А^ (0 + в» (0+ (^(0 = 5(18.8)
аналогично уравнению (18.1) системы с одной степенью свободы и представляет собой уравнение равновесия инерционных, демпфирующих, упругих и внешних сил в узлах 2 и 5.
Матрица А — блочно-диагональная размера 12x12:
А =А =00М$М$
А =
А =
0
0
М$
М$
где М2 и М5 — матрицы инерционных характеристик имеют структуру (18.5) с учетом того, что узел 2 является центром тяжести бабки.
Матрица жесткости системы
С = GTC‘G;(18.9)
С* =С* =СззCg40Сзз—С за: °С1: 0С4зС 440—СззСзз: 00 : С20000i С&бСззCg40Сзз—С за: °С1: 0С4зС 440—СззСзз: 00 : С20000i С&бздесь С* — блочно-диагональная матрица жесткости элементов:здесь С* — блочно-диагональная матрица жесткости элементов:Выполнив вычисления по формуле размера 12X12:Выполнив вычисления по формуле размера 12X12:получим матрицу Сполучим матрицу СС =С =А®СззА 23—А®Сзз А54—АмСззАгзАмС33 Ам + С55А®СззА 23—А®Сзз А54—АмСззАгзАмС33 Ам + С55(18.9),(18.9),Матрица демпфирования В определяется аналогично: В =Матрица демпфирования В определяется аналогично: В == GTB*G, где В* == GTB*G, где В* =Н1Н1ОО0 i Н2_Станок подвергается внешнему воздействию Ру (/) только0 i Н2_Станок подвергается внешнему воздействию Ру (/) тольков точке 1. Так как уравнения движения системы составляют для узлов, то вектор Рх (t) необходимо перенести в точку 2 с помощью транспонированной матрицы переноса А^. Тогда 12-мерный вектор D внешних воздействий будет состоять из двух следующих блоков:в точке 1. Так как уравнения движения системы составляют для узлов, то вектор Рх (t) необходимо перенести в точку 2 с помощью транспонированной матрицы переноса А^. Тогда 12-мерный вектор D внешних воздействий будет состоять из двух следующих блоков:D =D =AL РаAL Ра00
С* =
С* =
Сзз
Cg4
0
Сзз
—С за
: °
С1: 0
С4з
С 44
0
—Сзз
Сзз
: 0
0 : С2
0
0
0
0
i С&б
Сзз
Cg4
0
Сзз
—С за
: °
С1: 0
С4з
С 44
0
—Сзз
Сзз
: 0
0 : С2
0
0
0
0
i С&б
здесь С* — блочно-диагональная матрица жесткости элементов:
здесь С* — блочно-диагональная матрица жесткости элементов:
Выполнив вычисления по формуле размера 12X12:
Выполнив вычисления по формуле размера 12X12:
получим матрицу С
получим матрицу С
С =
С =
А®
Сзз
А 23
—А®
Сзз А54
—Ам
Сзз
Агз
Ам
С33 Ам + С55
А®
Сзз
А 23
—А®
Сзз А54
—Ам
Сзз
Агз
Ам
С33 Ам + С55
(18.9),
(18.9),
Матрица демпфирования В определяется аналогично: В =
Матрица демпфирования В определяется аналогично: В =
= GTB*G, где В* =
= GTB*G, где В* =
Н1
Н1
О
О
0 i Н2_
Станок подвергается внешнему воздействию Ру (/) только
0 i Н2_
Станок подвергается внешнему воздействию Ру (/) только
в точке 1. Так как уравнения движения системы составляют для узлов, то вектор Рх (t) необходимо перенести в точку 2 с помощью транспонированной матрицы переноса А^. Тогда 12-мерный вектор D внешних воздействий будет состоять из двух следующих блоков:
в точке 1. Так как уравнения движения системы составляют для узлов, то вектор Рх (t) необходимо перенести в точку 2 с помощью транспонированной матрицы переноса А^. Тогда 12-мерный вектор D внешних воздействий будет состоять из двух следующих блоков:
D =
D =
AL Ра
AL Ра
0
0
Подставляя выражения для матриц А, В, Си вектора D в уравнение (18.8), получим математическую модель динамики упругой
системы станка. Так как матрицы А, В и С полностью определяются параметрами станка, модель позволяет проводить расчет и параметрическую оптимизацию характеристик станка по показателям динамического качества.
Ставя задачу определения частотных характеристик упругой системы станка, зададим вектор внешних воздействий в виде
D = (P + /Q)e/w/,
где (Р + /Q) — вектор комплексных амплитуд воздействий; ® — круговая частота; введение комплексных амплитуд имеет смысл только в случае разницы в фазах сил, приложенных к разным точкам упругой системы.
Перемещения системы в установившемся режиме, соответствующие ее отклику на внешнее воздействие, будем искать в виде q-VOW^1.
Подставляя значения D и q в матричное уравнение (18.8) и производя несложные преобразования, получим
(-А®2 4- /В® + С) (V + /V) = (Р 4- }Q\
После перемножения и разделения действительных и мнимых частей получим систему линейных алгебраических уравнений, которая в матричной записи с использованием блочных матриц выглядит следующим образом:
С — Асо2 : —В®UС — Асо2 : —В®UВ® ■ С — А®2В® ■ С — А®2РQРQ(18.10)(18.10)
С — Асо2 : —В®U
С — Асо2 : —В®U
В® ■ С — А®2
В® ■ С — А®2
Р
Q
Р
Q
(18.10)
(18.10)
Матрица коэффициентов системы (18.10) алгебраических уравнений имеет размер 2пХ2п, т. е. вдвое больший, чем матрицы А, В и С системы (18.8) дифференциальных уравнений.
Систему уравнений (18.10) решают на ЭВМ для заданной последовательности частот юк = 2лД (/mtn < /ft < /„ах). Результатом решения для каждой частоты юк является вектор длиной 2л из действительных ит (®fc) и мнимых ит (®й) составляющих колебаний точек упругой системы станка по всем обобщенным координатам (m = 1, ..., п\. Совокупность результатов решения для "всех ®к из заданного диапазона частот позволяет построить амплитуднофазовые частотные характеристики и расчетные формы колебаний упругой системы станка.
Существуют программы расчета частотных характеристик упругих систем станков, как линейных колебательных систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями. Последовательность значений частот ®к определяется общим частотным диапазоном и способом задания дискретных значений частоты (геометрическая или арифметическая прогрессия). Для экономии времени счета на ЭВМ предусмотрено повторное прохождение максимумов частотных характеристик с более мелким шагом по сравнению с основным.
Если оценка показателей динамического качества станка производится по параметрам точности обработки, то за выход системы принимают_ изменение относительного положения инструмента и заготовки А. Для определения величины А необходимо составить уравнение, связывающее А с перемещениями исполнительных звеньев станка по обобщенным координатам. Например, для бесцентрового круглошлифовального станка величина А определяется следующей формулой приведения:
А = ^,-^ + ^4,
где 7*Т, Тз, Т1 — транспонированные векторы коэффициентов приведения перемещений qx, qs и q4 по обобщенным координатам элементов 1, 3 и 4 расчетной схемы (см. рис. 18.4) к точке касания обрабатываемой детали со шлифовальным кругом по линии их центров.
4. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Показатели динамического качества некоторых станков определяются в основном параметрами шпиндельных узлов. К таким станкам относятся, например, токарные (особенно при обработке в патроне), координатно-расточные (при работе жесткой борштангой), внутришлифовальные, расточные и др. Естественно, что вместо расчета динамических характеристик всего станка в таких случаях можно ограничиться расчетом характеристик только шпиндельного узла.
Расчет характеристик шпинделя можно вести по методике, описанной выше, т. е. рассматривать шпиндель в виде невесомой упругой балки на упругодемпфирующих опорах с некоторым количеством сосредоточенных масс.
Однако для~многоопорных шпинделей или шпинделей, имеющих в одной опоре несколько подшипников, при расчете требуется выполнять раскрытие статической неопределимости. Это усложняет расчет.
Среди численных методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов станков как линейных упругих систем получил распространение метод начальных параметров в матричной формулировке (метод переходных матриц). Рассмотрим основные положения этого метода расчета.
Шпиндель станка (рис. 18.7) рассматривают как ступенчатую балку длиной / на упругих опорах с вязким демпфированием, пропорциональным скорости колебаний. Балку разбивают на N участков, разграниченных изменением диаметра (геометрического момента инерции), опорой, сосредоточенной массой, внешней сосредоточенной нагрузкой или скачком распределенной нагрузки. Каждый i-й участок имеет постоянные (в пределах участка) распределенную массу mt и изгибную жесткость EJt.
Смонтированные на шпинделе детали (шкивы, зубчатые колеса, патрон) представляют в виде сосредоточенных грузов, расположенных на границах участков и имеющих массу рг и момент инерции JiX. При составлении расчетной схемы используют общепринятые рекомендации относительно опор шпинделя, представляя их в виде линейго-упругих опор (при радиальном и угловом смещениях) с вязким демпфированием.
Расчет динамических характеристик шпиндельного узла сводится к определению амплитуд установившихся колебаний шпинделя в нулевом сечении (на переднем конце) от гармонических силовых возмущений со стороны процесса резания, привода и т. п.
Рис. 18.7. Расчетная схема шпиндельного узла станка
Линейная постановка задачи позволяет использовать принцип суперпозиции и последовательно определять характеристики узла при всех указанных выше воздействиях.
Рассмотрим применение метода начальных параметров для расчета динамических характеристик шпинделя, схема которого показана на рис. 18.7. Шпиндель разбит на три участка. На концах его расположены сосредоточенные грузы (например, патрон и шкив ременной передачи). В нулевом сечении шпинделя действуют возмущения со стороны процесса резания — сила Ро (/), в третьем сечении — возмущения от привода F3 (f).
Обозначив в i-м сечении амплитуду перемещений через у,, угол поворота сечения через ф£, изгибающий момент через Mt и поперечную силу через Qb можно выразить решение дифференциального уравнения колебаний шпинделя через параметры Уь ф;/, M^IEJ, QtP/EJ напряженного и деформированного состояния на его концах (за EJ = EJ2 принята жесткость межопорной части шпинделя; / — длина шпинделя). Векторы параметров на свободных концах шпинделя (в нулевом и третьем сечениях) без учета внешней нагрузки имеют вид
УоУоф0/Фо/п=EJ=0Qol3 EJ0УоУоф0/Фо/п=EJ=0Qol3 EJ0УзУзФз/^>з1Гз =м312 EJ=0EJ0УзУзФз/^>з1Гз =м312 EJ=0EJ0
Уо
Уо
ф0/
Фо/
п=
EJ
=
0
Qol3 EJ
0
Уо
Уо
ф0/
Фо/
п=
EJ
=
0
Qol3 EJ
0
Уз
Уз
Фз/
^>з1
Гз =
м312 EJ
=
0
EJ
0
Уз
Уз
Фз/
^>з1
Гз =
м312 EJ
=
0
EJ
0
Метод позволяет связать параметры в нулевом сечении шпинделя через переходные матрицы его сечений и участков с параметрами в третьем сечении.
При колебаниях в нулевом сечении действуют сосредоточенная сила и момент инерционных сил патрона, амплитудные значения которых соответственно равны ро®2^о и ^охФо®2- Матрица сосредото-
ченного груза
10
0
0
00
0
0
Lo =
0 -60
1
0
v0 0
0
1
где 60 = jwto4lEJ\ v0 = -^^- >
преобразует параметры Ко при переходе через нулевое сечение. Далее идет первый участок шпинделя с распределенной массой т^ и жесткостью EJV Зависимость между параметрами на его концах
определяется перех
L =
одной матрицей участка:
Л, РА^-
Pi'1«1«1
®iMCi axX4xDx*о д
а^Вуа^СхX\DxЛ
Р?Р?Pi
где ах = EJJEJ; $i = k/l; 'К4 = тх1х®г!ЕЗх = к^^^
а функции Ах, Въ Сь Dx могут быть представлены в виде степенных рядов.
Над опорой 1 перерезывающая сила изменяется скачком на величину реакции опоры (учитываются упругая и диссипативная составляющие реакции). Этот скачок при переходе через опору учитывается умножением вектора параметров на матрицу опоры
10 0 0
0100
01 = О 0 10’
(-81-А) 0 о 1
где 8X = схЕ'ЕЗ\ к = jh^EIEJ = jkyto (cx и hx — соответственно коэффициенты жесткости и демпфирования опоры; / = V—0-
Переходя, таким образом, от участка к участку, доходят до левого конца шпинделя, где параметры выражены вектором ¥3. В результате получают матричные уравнения (без учета внешней нагрузки)__
К3 = ПК0,(18.11)
где переходная матрица П для схемы, приведенной на рис. 18.7,
равна произведению
П — LgTgQgTgQiTjLo,
где Lo и L3 — матрицы сосредоточенных грузов в нулевом и третьем сечениях; Tlt Т2 и Т3 — матрицы 1, 2 и 3-го участков шпинделя с распределенной массой; Qx и Q2 — матрицы линейно-упругих опор шпинделя с вязким демпфированием.
С учетом внешней нагрузки в нулевом и третьем сечениях уравнение (18.11) примет вид
гдегдеУз — П (Уо — Фо) — Фз,Уз — П (Уо — Фо) — Фз,(18.12)(18.12)
где
где
Уз — П (Уо — Фо) — Фз,
Уз — П (Уо — Фо) — Фз,
(18.12)
(18.12)
Определение переходной матрицы П сводится к перемножению нескольких матриц размером 4X4. Обычно на концах шпинделя два из четырех параметров в матрицах-столбцах Уо и У3 равны нулю, что позволяет существенно рационализировать вычислительную работу. Покажем это на примерах. При вычислении передаточной функции 1У0 (/ю) системы по воздействию со стороны процесса резания (при F3 = 0) уравнение (18.12) в развернутом виде записывают так:
Уз
*
*
*
Уо
ф3/
*
*
*
*
ф0/
0
=
«31
«32
*
«34
0
0
«41
«42
*
«44
EJ
Как видим, в матрице П следует из 16 сохранить только шесть элементов, которые расположены на пересечении строк, совпадающих с нулевыми строками вектора У3, и столбцов, совпадающих с не равными нулю строками вектора (У—ф0) (остальные элементы, не используемые в расчетах, заменены звездочками). В результате можно записать два линейных уравнения относительно искомых параметров у0 и ф0/:
а31Уо + «згФо^ = а34 gj"
(18.13)(18.13)F I3««Уо + а42ф0/ = a44-gj->
(18.13)
(18.13)
где коэффициенты а являются функциями частоты и инерционных, диссипативных, - упругих и геометрических параметров шпиндель- 'ного узла.
Непосредственно из уравнений (18.13) может быть получено выражений для частотной передаточной функции системы
г0г0I®^34^42 — ^32^44EJ ^31Щ2 — Щ1^32 'I®^34^42 — ^32^44EJ ^31Щ2 — Щ1^32 '(18.14)(18.14)
г0
г0
I®^34^42 — ^32^44
EJ ^31Щ2 — Щ1^32 '
I®^34^42 — ^32^44
EJ ^31Щ2 — Щ1^32 '
(18.14)
(18.14)
Аналогично определяют и частотную передаточную функцию IF3 (/®) системы по воздействию со стороны привода (при Fo = 0). Опуская промежуточные выкладки, получим
IF3——-.(is. 15)
F 3EJ ОзаЩ] Оз1О42
Вычисление элементов переходных матриц-сомножителей и их последующее умножение производится на ЭВМ. Так как некоторые элементы матриц Ох.и Q2 упругодемпфирующих опор являются комплексными числами, то переходная матрица-произведение П = = St + /S2 также оказывается состоящей из двух матриц St и S2. Выражение для частотных передаточных функций №0 (/©) или IF3 (/®) приводят к виду
W (/ю) =W (/ю) =81 + /82 । 83+/8481 + /82 । 83+/84Р1Р3 + 8284 , ..р^з-ра83 + 8^■ 1 8| + ^
W (/ю) =
W (/ю) =
81 + /82 । 83+/84
81 + /82 । 83+/84
= Re tW (jm)] -f- Jrn [IF (/co)], (18.16) используя для определения Px, P2, P3 и Pt элементы матриц S, и S2.
После разделения действительной и мнимой частей выражения (18.16) получают возможность определения составляющих Re [IF (/со)] и Jm [IF (/со)] амплитудно-фазовой частотной характеристики динамической системы шпиндельного узла.
В Мосстанкиие разработан комплекс программ расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов методом начальных параметров, который успешно использовался для параметрической оптимизации их конструкций.
г л А В А 19
ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ
ЭТАПЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование, как процесс выработки новых научных знаний о свойствах станка, обычно проводят на начальном этапе процесса его проектирования. Оно призвано обеспечить конструктора недостающей информацией, без которой затруднены поиск и объективная оценка технических решений.
Различают два уровня исследования — эмпирический, когда с помощью натурного эксперимента устанавливают новые сведения об объекте, и теоретический, связанный с построением адекватной математической модели и анализом свойств изучаемого объекта в процессе имитационного моделирования на ЭВМ.
В настоящее время типичен системный подход к проведению исследования, который характеризуется представлением изучаемого объекта в виде системы, состоящей из взаимосвязанных элементов, взаимодействующих друг с другом и внешней средой и функционирующих в условиях воздействия случайных факторов.
В общем случае основными этапами системного исследования являются: осознание цели и постановка задач; предварительный анализ имеющейся информации, условий и методов решения аналогичных задач; формулирование исходных гипотез, касающихся математической модели, изучаемого объекта; теоретический анализ гипотез; разработка методики, планирование и организация эксперимента; проведение эксперимента; анализ и обобщение результатов; проверка исходных гипотез и идентификация объекта (определение его математической модели) по результатам эксперимента; математическое моделирование; обобщение результатов исследования и формулирование выводов.
Рассмотрим более подробно основные этапы исследования. Как было сказано выше, цель исследования, как правило, бывает связана с поиском путей повышения эффективности станков. Предположим, что требуется повысить суммарную жесткость несущей системы конкретного типа станка. Начиная исследование, прежде всего необходимо найти возможность количественной оценки этого свойства станка. Например, можно в качестве критериев оценки жесткости выбрать величины суммарных упругих относительных деформаций инструмента и заготовки по координатным осям X, Y и Z под действием силы резания. Они образуют вектор критериев и являются выходами будущей математической модели станка. Выходы должны обязательно обладать свойством наблюдаемости, т. е. удобно измеряться при проведении эксперимента.
Далее требуется конкретизация действий исследователя для достижения поставленной цели — постановка задач исследования. Например, в рассматриваемом примере задачами могут быть:
на основании априорной информации установить экспериментально необходимые значения выбранных критериев оценки и относительную полезность каждого из них (это позволит более рационально расходовать резервы повышения эффективности станка);
по результатам эксперимента на физической модели станка построить баланс упругих перемещений и выявить слабые звенья несущей системы станка (это позволит сконцентрировать усилия на исследовании только части станка);
на основании априорной информации выявить факторы, влияющие на жесткость слабых звеньев станка, установить возможность и пределы их изменения, сформулировать функциональные ограничения на те свойства станка, которые будут изменяться при изменении его жесткости (например, масса станка);
используя баланс упругих перемещений, разработать расчетную схему и математическую модель слабых звеньев несущей системы станка; проверить адекватность модели;
методами математического моделирования осуществить поиск вариантов структуры и значений конструктивных параметров станка, обеспечивающих повышение жесткости его несущей системы;
разработать рекомендации, направленные на повышение жесткости несущей системы станков исследованного типа.
Приведенный пример наглядно показывает, в чем состоит конкретизация цели исследования. Формулируя цель и задачи исследования, не следует забывать о системном подходе к его проведению. Следует, в частности, помнить о взаимосвязи различных показателей эффективности изучаемого объекта, о том, что улучшение одного из них может привести к ухудшению других, и поэтому надо стараться рассматривать изучаемый объект как сложную систему, во всей его полноте.
Уяснив цель исследования и определив выходы будущей математической модели, необходимо заняться сбором, систематизацией и обстоятельным анализом имеющейся информации об изучаемом или аналогичных объектах. Информация должна касаться в первую очередь структуры изучаемого объекта и класса моделей, описывающей его поведение. Под структурой понимают некоторую формализованную схему объекта, освобожденную от деталей, которые, по мнению исследователя, не имеют отношения к целям исследования. Для таких объектов, как станки, представление о структуре дает расчетная схема, представляющая собой совокупность взаимосвязанных структурных компонентов (инерционных, упругих и трения), упрощенно отображающих элементы реального станка. Структуру динамических объектов и автоматических систем также наглядно отражает так называемая структурная схема — чертеж, на котором прямоугольниками показаны отдельные функциональные блоки объекта, а стрелками обозначены направления воздействий или передачи информации с одного блока на другой. Хорошее представление о структуре объекта дает ее изображение с помощью графов.
Станки являются производственными объектами, функционирующими во времени и в пространстве. Аргументом входных и выходных сигналов динамической системы станка может служить время, пространственные координаты, а также некоторые специальные переменные, используемые в преобразованиях Лапласа, Фурье и др. Математические модели подобных систем относятся к классу динамических моделей. Некоторыми наиболее важными динамическими моделями являются обыкновенные дифференциальные и конечно-разностные уравнения, импульсные и частотные характеристики, передаточные функции, уравнения регрессии. Априорная информация о структуре изучаемого объекта позволяет сформулировать исходную гипотезу о виде его математической модели, а также выбрать метод идентификации. Если информация достаточно обширна, то объекты могут быть разделены по крайней мере на две группы: объекты, модели которых известны вплоть до приблизительных значений коэффициентов; объекты, модели которых известны, а численные значения коэффициентов неизвестны.
Для объектов первой группы задача идентификации, строго говоря, отсутствует. Методы идентификации объектов второй группы носят название параметрических, т. е. сводятся к определению параметров известной модели по результатам экспериментов. На практике также встречаются ситуации, когда априорная информация об объекте очень мала (например, известно только то, что объект линеен) или полностью отсутствует (объекты типа «черный ящик»). Для идентификации таких объектов целесообразно применять прямые методы, основанные на измерении и обработке входных и выходных сигналов объекта.
Анализируя имеющуюся информацию об изучаемом объекте, перед началом эксперимента следует решить вопрос и о включении в математическую модель всех параметров объекта, существенно влияющих на его выход (такие параметры в дальнейшем будем называть факторами). Отсутствие в модели хотя бы одного из существенных факторов может сделать невозможным адекватное описание с ее помощью процессов, происходящих в изучаемом объекте. В таких объектах, как станки, число различных параметров, влияющих на выходные показатели, может быть очень велико. Вместе с тем степень влияния их весьма различна. Обычно в большинстве сложных систем лишь небольшое число параметров оказывает существенное влияние на выход, а остальные являются несущественными. Поэтому перед началом исследования объектов, априорная информация о которых мала, обычно выдвигают гипотезу о предполагаемом влиянии на выход тех или иных факторов. Гипотезу проверяют с помощью каких-либо специальных методов, что позволяет провести выделение существенных факторов и предложить для дальнейшей идентификации объекта математическую модель, учитывающую только эти факторы. В противном случае математическая модель объекта может получиться излишне громоздкой, а затраты на проведение эксперимента неоправданно возрастут.
Обычно на этой стадии приходится решать вопрос о необходимости и объеме дальнейшего экспериментального исследования. Когда априорная информация об объекте обширна, можно практически отказаться от эксперимента и пойти по пути построения теоретической модели на основе физических и других законов природы, описывающих процессы, происходящие в объекте. Такой подход был рассмотрен в гл. 18.
Если же необходимость экспериментального исследования не вызывает сомнений, следует решить некоторые вопросы, связанные с его проведением. Прежде всего это касается режима проведения эксперимента. Все эксперименты, проводимые непосредственно на реальном объекте, могут быть активными или пассивными. При использовании методов активного эксперимента на вход объекта всегда подают специальные возмущающие воздействия и наблюдают его реакцию на них. Среди активных методов широкое распространение получили частотные методы, основанные на исследо- .вании изменения выходного сигнала объекта, вызванного гармоническим воздействием различной частоты. Все большее распростра-
некие получают методы, связанные с подачей на вход объекта апериодических (импульсных, ступенчатых) и специальных случайных воздействий. Возможность подачи на вход объекта сигнала специальной формы с нужными характеристиками при использовании активных методов, как правило, облегчает обработку результатов эксперимента и потенциально обеспечивает лучшее качество идентификации. Однако при этом требуется дополнительное специальное оборудование для создания искусственного входного сигнала, а само исследование объекта происходит также в искусственных условиях. Последнее иногда приводит к различиям между характеристиками объекта, снятыми при использовании активных методов, и его работе.
Сущность пассивных методов эксперимента состоит в статистической обработке данных, полученных в процессе нормальной эксплуатации объекта без создания специальных возмущений. Данные эксперимента в этом случае представляют собой реализации случайных процессов, происходящих на входе и выходе объекта. Результаты обрабатывают с использованием спектрально-корреляционных методов теории случайных процессов. Пассивные методы призваны дать информацию об объекте, находящемся в естественных условиях, и потенциально являются более объективными. Однако и они не лишены ряда недостатков. Основным из них является то, что имеющийся на входе объекта сигнал не всегда обладает теми характеристиками (например, широким и плотным спектром, достаточной амплитудой и др.), которые позволяют исследовать объект во всем его рабочем диапазоне.
Эта же причина заставляет принимать специальные меры для устранения влияния на результаты идентификации случайных возмущающих воздействий на объект. Для улучшения спектральных характеристик входного сигнала при пассивном эксперименте часто используют различные искусственные приемы, например, резание на станке специальной заготовки с пазами заданной глубины; возбуждение работающего станка импульсным силовым воздействием с помощью специального вибратора. Приведенные примеры свидетельствуют о появлений комбинированных методов эксперимента, сочетающих достоинства активного и пассивного подходов.
Принимая решение относительно режима эксперимента и выбирая тип входного воздействия (гармоническое, ступенчатое, импульсное и др.), исследователь тем самым выбирает и область определения характеристик объекта (временная, частотная и др.). На решение всех этих частных вопросов решающее влияние оказывает постановка задач конкретного исследования и наличие хорошо разработанных математических методов, которые можно было бы использовать при проведении анализа поведения объекта и которые предполагают наличие математической модели вполне определенного вида.
Знание априорной математической модели исследуемого объекта позволяет синтезировать соответствующий план эксперимента и перейти непосредственно к идентификации объекта на основании экспериментальных данных. Для решения задачи идентификации вводится некоторая мера близости объекта и его модели (критерий
адекватности). Обозначим выходной сигнал объекта через у (/), через t/м (0 — выходной сигнал модели, а их рассогласование — через е (0. Точность идентификации оценивается некоторой функцией от рассогласования Q (е), обычно называемой функцией потерь. Выбирая тот или иной вид функции потерь, можно получить ряд критериев, применяемых при решении задачи идентификации. Если нет причины поступать иначе, то Q (в) выбирают равным е2 (0 и приходят к наиболее широко распространенному критерию наименьших квадратов Е = | е2 (0 dt. Применение его приводит к наи- d'
более простым алгоритмам идентификации.
В решении задачи идентификации объектов можно выделить два основных подхода. Первый из них предусматривает непосредственное решение интегральных уравнений идентификации. Пусть, например, выход модели описывается уравнением ум (t) = f (и, Ь), где и = и (0 — входной сигнал; Б — (/« + 1)-мерный вектор неизвестных оценок параметров модели. Если мера близости объекта т
и его модели определяется функционалом Е = J \y(t) — о
— Ум (t> Б)\^ dt, то необходимым условием достижения минимума ошибки будет dE/db, = 0 при I = 0, 1, ..., tn. Получаем систему из (/п + 1) уравнений с (tn + 1) неизвестными оценками Ьо, bv ..., bm, которую можно решить относительно Б. При первом подходе часто вместо решения системы уравнений используют уравнения, уже разрешенные относительно Б.
Второй подход предполагает использование модели-аналога, реализованной, например, на аналоговой вычислительной машине с возможностью настройки ее параметров. Один и тот же сигнал подают на вход исследуемого объекта и модели-аналога. Реакция объекта сравнивается с выходным сигналом модели, и в соответствии с выбранным критерием близости Е техническими средствами осуществляется настройка параметров модели-аналога, обеспечивающая минимум Е.
Все методы компенсации можно разделить на две группы. Первая из них предполагает априорное знание структуры исследуемого объекта, что облегчает ее реализацию с помощью аналоговой техники. Вторая группа предполагает аппроксимацию объекта моделями, реализуемыми в виде некоторой системы функций, чаще всего ортогональных, по которым производится разложение передаточной функции системы. Наиболее часто используют для этой цели функции Лаггера,
Завершает построение модели проверка ее адекватности. Дело в том, что при идентификации структура модели может быть выбрана неудачно (например, для описания нелинейной зависимости выбран полином первого порядка). Экспериментатор, не принимая на веру справедливость принятых допущений, должен обязательно проверить качество подбора математической модели. Для этого исполь-
381
к
зуют остаточную сумму квадратов SS0CT, которую можно рассчитывать по соотношению
ss0CT 2 Miu Уи)2>
где уи — экспериментальное значение выхода объекта в и-й точке; уи — значение выхода модели в той же точке.
Если математическая модель строилась по N опытным точкам, содержащим дублирующие измерения (т > 1), то можно показать, что SS0CT является суммой двух " величин:
SS6CT = SSjja -j- 88,, где SS„a — сумма квадратов отклонений средних экспериментальных значений выходов у^ от расчетных значений ^„; она характеризует неадекватность модели экспериментальным данным; 88э — сумма квадратов отклонений, связанная с повторением измерений; она характеризует точность измерений.
Зная величины SS0CT, SS3, SSHB и соответствующие им числа степеней свободы v0CT = Nm — X, v3 = Nm — N, vHa = N — X (X — число значимых коэффициентов регрессии), можно рассчитать оценки дисперсий
8на — SSHa/vea; S3 = SSa/v, и проверить по F-критерию Фишера гипотезу об адекватности модели. Если она по критерию F = $на/$э будет признана правдоподобной (F < Ртабл; vHa; vj, обычно при а = 0,05, то проверяемая модель адекватно описывает экспериментальные результаты, так как рассчитанные с помощью модели результаты ди будут по точности не хуже экспериментальных (величину 1 — а = 0,95 называют доверительной вероятностью).
Если модель объекта будет признана адекватной, она может быть использована для анализа, проводимого в процессе имитационного моделирования с использованием вычислительной техники. Если модель оказалась неадекватной, то это значит, что исходная гипотеза о ее виде не подтвердилась и структуру модели необходимо скорректировать (перейти от линейной модели к нелинейной, повысить порядок модели и др.). После этого, естественно, процедура идентификации должна быть повторена.
Построение математической модели—самая важная и ответственная часть исследования, однако она не исчерпывает всего содержания исследования. Далее начинается анализ, который теперь часто бывает имитационным моделированием. При этом математическую модель превращают в машинную программу. Такие модели можно «проигрывать» на ЭВМ в различных ситуациях, предполагая, что они ведут себя подобно реальным объектам. Задача анализа исследуемого объекта сводится к получению некоторой информации о свойствах объекта в точке, которой соответствует определенная совокупность значений параметров X объекта, или в окрестностях этой точки. В первом случае обычно имеют дело с так называемым
одновариантным анализом, во втором — с многовариантным анализом.
Типичными задачами одновариантного анализа являются: анализ статического состояния; анализ переходного процесса; анализ частотных характеристик; анализ устойчивости; анализ стационарных режимов колебаний. К типичным задачам многовариантного анализа относят, например, статистический анализ, когда определяют вероятность выполнения условий работоспособности объекта вследствие случайного характера его параметров; анализ чувствительности, который позволяет определить степень влияния внутренних н внешних параметров объекта на его выходные показатели; полученная информация может быть использована при оптимизации объекта.
Наконец, если удалось формализовать понятия «наилучший», «оптимальный» объект, т. е. сформулировать задачу оптимизации, имитационное моделирование может быть с успехом использовано для решения задач поисковой оптимизации (см. гл. 11).
ВЫДЕЛЕНИЕ СУЩЕСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ
На выходные показатели станка влияют следующие факторы: геометрические размеры, инерционные, диссипативные и жесткостные параметры упругой системы станка, параметры рабочих процессов и внешних возмущающих воздействий. Начиная исследование плохо изученной системы, следует в первую очередь выявить из общего списка факторов наиболее существенные, а остальные рассматривать как некий шумовой фон.
В настоящее время существуют методы, которые позволяют выделять существенные факторы с помощью сраБдительно небольшого числа экспериментов и при малых затратах времени счета на ЭВМ. Методы можно разделить на две группы.
Первую группу образуют методы, основанные на объективной обработке данных, полученных в результате опроса экспертов-специалистов (или собранных на основе опубликованных результатов исследований): Вторую образуют экспериментально-статистические методы — дисперсионный анализ, использование насыщенных планов факторного эксперимента, метод случайного баланса и др. Ниже рассмотрены некоторые из этих методов. Алгоритмы и программы обработки данных в соответствии с этими методами должны включаться в состав программного обеспечения систем автоматизации эксперимента.
Метод экспертных оценок основан на специальной обработке информации, полученной в результате направленного опроса специалистов. Одни из методов — метод априорного ранжирования факторов состоит в следующем. Предлагают заполнить анкету т специалистам, в анкету входят к факторов. Каждый /-й специалист .0 ~ Ь 2,. ..., т) должен приписать каждому фактору соответствующий ранг atj (i = 1, 2 куРанг может принимать одно из зна
чений множества чисел {1, 2, ..., £}. Наиболее существенный фак-
тор имеет ранг 1, следующий за ним — ранг 2 и т. д.Если специалист не может четко проранжировать / рядом стоящих в ранжиро- вочном ряду факторов, начиная с /-го, то всем этим факторам приписывается один и тот же ранг / + (/-— 1)/2. Так как мнение одного эксперимента носит субъективный характер, для объективной оценки информации о факторах необходимо объединить анкеты разных экспертов в одну сводную анкету. После построения сводной анкеты т
можно найти суммы рангов 2 йц Для каждого /-го фактора, среднюю сумму рангов а, отклонения от средней суммы рангов Ai = 2 «и — й, квадраты отклонений А; и их сумму S = У, А®.
/=1•<=1
По полученным данным о суммах рангов отдельных факторов можно построить среднюю апприорную диаграмму рангов в коорди- (т\
5 о«> / ] только при согласованности мнений всех экспер- тов. Согласованность мнений оценивается коэффициентом конкор- дации
Г =5,
1/12т2 (&3 —&) —m £ Т.
где Т, — 1/12 2 (^z — ^)> I,—число повторений z-го ранга в /-м ряду.
Коэффициент конкордации изменяется от 0 до 1, причем W = О означает отсутствие какого-либо согласия в мнениях экспертов, IT = 1 — полное согласие.
Для оценки значимости коэффициента конкордации используют ^-распределение с числом степеней свободы (А — 1). Из таблицы этого распределения для уровня значимости а можно найти табличное Хтабл; затем найти расчетное значение
тк (6 + 1)- 2 Т^к-Х')
Гипотеза о наличии согласия между экспертами не отвергается, если Хр ^ Хтабл- Подтверждение гипотезы дает возможность использования результатов ранжирования для априорного отсеивания несущественных факторов.
Если эксперты затрудняются при ранжировании факторов (например, когда число факторов к велико), то для облегчения их задачи можно предложить каждому из них заполнить таблицу парных сравнений, когда приходится сопоставлять лишь каждую пару факторов между собой. Таблица представляет собой квадрат размером кхк. Единица в клетке с номерами строк / и столбцов / таблицы означает, что эксперт считает фактор / более важным, чем фактор /,
соответственно в /-й строке и t-м столбце таблицы при этом записывается ноль. Объединение т отдельных таблиц в одну обобщенную таблицу с последующим суммированием чисел по клеткам, а затем по строкам таблицы соответствует сортировке факторов. Строка обобщенной таблицы с наибольшей суммой чисел соответствует самому существенному фактору и т. д. Такой прием используют в другой разновидности метода экспертных оценок — методе парных сравнений. Естественно, что доверять результатам опроса экспертов можно, как и раньше, лишь после проверки согласованности их мнений. Обе разновидности метода экспертных оценок находят широкое применение в практике проведения исследований.
Дисперсионный анализ является одним из наиболее распространенных методов статистического анализа. Познакомимся с ним на примере двухфакторного эксперимента. Пусть имеется два фактора Д и В, каждый из которых в эксперименте изменяется на р уровнях (число уровней варьирования может быть и разным). Результаты измерений целесообразно представить в виде табл. 19.1. Экспериментально полученное значение выхода объекта, соответствующее t-му уровню фактора А и /-му уровню фактора В, обозначим через уц. Если пренебречь эффектом взаимодействия факторов (что часто можно сделать на практике), то линейная математическая модель, описывающая результаты наблюдений, будет иметь вид
Ун = М- + ai + bt + е15,
где р — общее среднее значение результатов измерений; а;, bi — соответственно эффекты влияния z-ro уровня фактора А и /-го уровня
Уровни 1 фактора АУровни / фактора ВСредние по строкам1234р1УнУ12У13У14У1рУн2УмУ 22УгзУмУгрУ г-3Ум^32УззУмУзрУз-4УмУмУ43УмУ4рУм-рУ piУ piУ piУ р4УррУр-Средние по столб- . цамУчУ-гу • ?у.4Общее среднее У—Уровни 1 фактора АУровни / фактора ВСредние по строкам1234р1УнУ12У13У14У1рУн2УмУ 22УгзУмУгрУ г-3Ум^32УззУмУзрУз-4УмУмУ43УмУ4рУм-рУ piУ piУ piУ р4УррУр-Средние по столб- . цамУчУ-гу • ?у.4Общее среднее У—19.1. Условия проведения дисперсионного анализа19.1. Условия проведения дисперсионного анализаЙ1ПУ1222У1тУ1444У2124У 2213У2342У2431У 3132У3241У3314У МПУ4143У4234У4321У MiЙ1ПУ1222У1тУ1444У2124У 2213У2342У2431У 3132У3241У3314У МПУ4143У4234У4321У MiИспользование ортогональных латинских квадратов при А = 4, р = 4Использование ортогональных латинских квадратов при А = 4, р = 4
Уровни 1 фактора А
Уровни / фактора В
Средние по строкам
1
2
3
4
р
1
Ун
У12
У13
У14
У1р
Ун
2
Ум
У 22
Угз
Ум
Угр
У г-
3
Ум
^32
Узз
Ум
Узр
Уз-
4
Ум
Ум
У43
Ум
У4р
Ум-
р
У pi
У pi
У pi
У р4
Урр
Ур-
Средние по столб- . цам
Уч
У-г
у • ?
у.4
Общее среднее У—
Уровни 1 фактора А
Уровни / фактора В
Средние по строкам
1
2
3
4
р
1
Ун
У12
У13
У14
У1р
Ун
2
Ум
У 22
Угз
Ум
Угр
У г-
3
Ум
^32
Узз
Ум
Узр
Уз-
4
Ум
Ум
У43
Ум
У4р
Ум-
р
У pi
У pi
У pi
У р4
Урр
Ур-
Средние по столб- . цам
Уч
У-г
у • ?
у.4
Общее среднее У—
19.1. Условия проведения дисперсионного анализа
19.1. Условия проведения дисперсионного анализа
Й1П
У1222
У1т
У1444
У2124
У 2213
У2342
У2431
У 3132
У3241
У3314
У МП
У4143
У4234
У4321
У Mi
Й1П
У1222
У1т
У1444
У2124
У 2213
У2342
У2431
У 3132
У3241
У3314
У МП
У4143
У4234
У4321
У Mi
Использование ортогональных латинских квадратов при А = 4, р = 4
Использование ортогональных латинских квадратов при А = 4, р = 4
фактора В; вц — независимые и нормально распределенные погрешности наблюдения.
Используя выборочные характеристики (см. табл. 15.1) у^, У4 и У~> можно найти оценки параметров модели
^ = у..;6-i = yi--y.:, bj^yj — y..-,г(/)= 1, 2,..., р.
Задачей дисперсионного анализа является проверка гипотезы О равенстве нулю эффектов аг и bt, т. е. гипотезы о несущественности факторов А и В. Существенность фактора характеризуется его вкладом в дисперсию выхода изучаемого объекта. Если через SS обозначить сумму квадратов отклонений результатов изменений от общего среднего р р
/=1
то разложение SS можно представить в виде основного уравнения дисперсионного анализа
55 = 85л + 55д4-83е, р
где 55л = р У (у, — у )а с числом степеней свободы чд = р — 1; i=l
Р
SSB — Р И (У4 — У .У с числом степеней свободы vB = р — 1; /=1
SSe = SS —55л — SSB с числом степеней свободы ve = (р — 1) (р — 1).
На основе каждой из сумм квадратов можно получить независимые оценки дисперсий и найти отношения Fa = sWsl и Fa = = sW^e, которые имеют F-распределение Фишера соответственно с Vj = v4, v2 = ve и Vj = vB, v2 = ve степенями свободы.
Гипотеза о несущественности влияния фактора А на выход объекта отвергается, если для заданного уровня значимости рассчитанное значение FA > FTa6n; FTa6n находится по таблицам Е-рас- пределения при числах степеней свободы v, = v4 и v2 = ve. В противном случае (Рд < Етабл) фактор А признается несущественным. Аналогично проверяют несущественность фактора В.
Рассмотренная для двухфакторного дисперсионного анализа методика обработки результатов измерений легко обобщается при произвольном числе факторов. Однако объем плана эксперимента существенно возрастает — при варьировании fe-факторов на р уровнях для каждого требуется произвести рк измерений. Для сокращения числа экспериментов используют дробные реплики (части) полных факторных планов, построенные на основе использования ортогональных латинских квадратов. Латинским называют квадрат, состоящий из р строк и р столбцов. Каждая из его клеток содержит одну из р латинских букв (или цифр), соответствующих уровням факторов, причем каждая буква (цифра) встречается в каждой строке и каждом столбце один и только один раз.
Два латинских квадрата называют ортогональными, если каждая упорядоченная пара букв (цифр), полученная в клетках в результате наложения одного квадрата на другой, встречается только 386
однажды. Для числа уровней р, в общем, возможно построение не более (р — 1) попарно ортогональных латинских квадратов (кроме Р = 6).
Наложив пару ортогональных латинских квадратов 4x4 (т. е. р = 4) на таблицу измерений двухфакторного дисперсионного анализа (см. табл. 19.1), получим в клетках таблицы сочетания двух пар индексов — первая относится к факторам А и В, вторая —к факторам С и D. Эти индексы указывают условия проведения измерений (уровни факторов) при к = 4. Соответственно модель, описывающая наблюдения, будет иметь вид
Уитпп — Ц "ф Si “}“ Ь^ —|- Cm —|- dn -ф- Вцгап, где ст, d п— соответственно эффекты влияния m-го уровня фактора С и n-го уровня, фактора D.
Методика обработки результатов остается прежней; лишь для определения новых сумм квадратов SSC и SSD используют выборочные средние по одинаковым индексам третьего и четвертого факторов, обозначаемые через у.^. и y..^.
В общем случае наложения друг на друга (р — 1) ортогональных латинских квадратов образуется гиперквадрат рХр. С его помощью можно провести исследование до jp + 1) фактора включительно при относительно небольшом числе экспериментов. Для проведения дисперсионного анализа широко применяют вычислительную технику.
Использование планов дробного факторного эксперимента для выделения существенных факторов является, пожалуй, наиболее эффективным средством. Особенно выгодными оказываются так называемые насыщенные планы, у которых число опытов лишь на единицу больше числа оцениваемых факторов. Планы факторного эксперимента используют для построения эмпирических регрессионных моделей. При отсеивании несущественных факторов может быть использована, например, линейная модель
У = Ьо + S Ьгхъi=i
где у — значение выхода, предсказанное моделью для заданных значений факторов х, (t = 1, 2, ..., й); b0, bt—оценки коэффициентов регрессии ро и рг.
После определения оценок коэффициентов регрессии нетрудно провести их ранжирование по абсолютной величине и исключение несущественных. Построение планов факторного эксперимента и методика определения оценок коэффициентов уравнений регрессии будут рассмотрены ниже.
идентификация статических объектов
Продолжая рассмотрение основных методов исследования, остановимся на проблеме идентификации изучаемых объектов, когда их входные и выходные сигналы не зависят от времени. Такого рода
задачи могут встретиться при исследовании различных статических характеристик станков (например, зависимости суммарной податливости или какого-либо характерного размера амплитудно-фазовой частотной характеристики станка от его параметров), а также при исследовании стационарных динамических режимов их работы (например, зависимости амплитуды вынужденных колебаний от условий работы и параметров станка). Математические модели, которые получают при решении подобных задач, будем называть статическими. Рассмотрим экспериментально-статистические методы построения статических моделей. Эти методы обычно используют в условиях неполного знания механизма явлений, происходящих в объекте. Сам изучаемый объект в этом случае представляют в виде кибернетической системы, выход у (выходы) которой зависит от к независимых контролируемых переменных хп х2, .... xh и случайных внешних воздействий е, аддитивно наложенных на выход системы. Задача идентификации объекта состоит в построении модели # = <р (Хц х2, ..., xhY Так как вид функции <р обычно бывает неизвестен, то при экспериментально-статистическом исследовании объекта неизвестную действительную зависимость аппроксимируют полиномом, коэффициенты которого определяют по данным эксперимента. Коэффициенты полинома можно интерпретировать как коэффициенты ряда Тэйлора, т. е. как значения частных производных искомой функции в точке, в окрестностях которой производится исследование.
Полиномиальные модели весьма удобны для решения практических задач, так как позволяют уточнять описание объекта за счет повышения порядка полинома (увеличения членов отрезка ряда Тэйлора). Вместе с тем такие модели ничего не проясняют в механизме явлений, происходящих в объекте; они лишь формально связывают выход и входы объекта.
Для идентификации изучаемого объекта с помощью полиномиальных моделей обычно используют активный эксперимент, т. е. постановку опытов в определенных точках допустимой области пространства входных переменных (факторов). Активный эксперимент всегда проводят по какому-либо плану. В настоящее время общепризнана эффективность так называемого факторного (многофакторного) эксперимента, разработанного Р. Фишером в 1935 г. для исследования одновременного воздействия на изучаемый объект нескольких факторов. При варьировании всех факторов сразу эффект влияния каждого из них оценивается по всей совокупности опытов, что обычно приводит к уменьшению дисперсии оценки по сравнению со случаем, когда каждый фактор изучают.в отдельности. В этом состоит концепция оптимального использования факторного пространства, повышающая эффективность (в данном случае точность) эксперимента.
Факторным (рис. 19.1) называют пространство, координаты которого соответствуют рассматриваемым факторам хг. Для проведения эксперимента внутри допустимой области факторного пространства выбирают локальную подобласть, в которой строят план.
Выбор этой подобласти сводится к выбору основного уровня х10 и интервалов варьирования Ах, каждого фактора х, (t = 1, 2, .... К). В качестве основного уровня обычно выбирают точку, соответствующую имеющемуся базовому варианту изучаемого объекта (если факторы — его конструктивные параметры) или наилучшим условиям его функционирования, насколько это известно из априорной информации.
поверхностиповерхностиXiXiООДопустимая область /Допустимая область /Рис. 19.1. Факторное пространство и поверхность откликаРис. 19.1. Факторное пространство и поверхность откликаХ20Х1ЬХ2би-1, ...>Локальна»подобластьХ20Х1ЬХ2би-1, ...>Локальна»подобластьИнтервалы варьирования выбирают на основе априорной информации о кривизне поверхности изучаемой функции <р. Чем меньше кривизна поверхности, тем большими могут быть взяты интервалы варьирования Ах,-. Сведения о кривизне чить из предварительных однофакторных экспериментов или теоретических предположений.
поверхности
поверхности
Xi
Xi
О
О
Допустимая область /
Допустимая область /
Рис. 19.1. Факторное пространство и поверхность отклика
Рис. 19.1. Факторное пространство и поверхность отклика
Х20
Х1Ь
Х2б
и-1, ...>
Локальна»подобласть
Х20
Х1Ь
Х2б
и-1, ...>
Локальна»подобласть
Таким образом, для каждого i-ro фактора оказываются известны основной уровень xi0 и границы локальной подобласти х< mlo = xt0 — ^xi\ xt шах = = x,0 + Ax,.
Для обеспечения некоторых полезных свойств планов эксперимента, упрощения их записи и обработки результатов эксперимента обычно переходят от натуральных переменных xt
к безразмерным х, (нормированным). Нормирование осуществляют с помощью простой формулы
=•(19-D
В нормированных переменных основному уровню каждого фактора соответствует х,0 = 0, нижнему уровню хгт!п = —1, верхнему уровню х, шах = +1 • В новой системе координат хг локальная подобласть, в которой проводят эксперимент, представляет собой ^-мерный куб с центром в начале координат. Если вокруг него описать fe-мерную сферу, то ее радиус г = у7/?. Следовательно, переходя от традиционного однофакторного эксперимента к многофакторному, увеличивают радиус обследуемой сферы просто за счет свойств многомерного пространства при постоянных интервалах варьирования. Это также повышает эффективность факторного эксперимента.
Для определения оценок неизвестных коэффициентов полиномиального уравнения регрессии (математической модели)
ккк
У = Ьо -ф- ^ btXt -ф- bijXiXj -ф- 5 bцХ{ -ф- • • •(19.2)
1=11<1<;/=1
обычно используют метод наименьших квадратов.
Пусть имеется некоторая матрица плана эксперимента X, содержащая' N строк, соответствующих отдельным опытам в которых независимые факторы достаточно точно поддерживаются на опре-
389
деленных уровнях х1ц. Каждому опыту соответствует экспериментальное значение выхода объекта у«(и = 1, 2, ...,_N). Результаты экспериментов во всех N точках образуют вектор У. Тогда оценки коэффициентов модели можно найти, минимизируя функционал
Е = Цу»-УиУ=(¥-^ЧУ-П(19.3)
и=1
где ди — расчетные значения выхода объекта в точках а, которые образуют вектор У; индекс «т» означает транспонирование. _
Из условий минимальности Е получим выражение для оценок В вектора коэффициентов регрессии:
В = (ХТХ)-! Х^У.(19.4)
Если план эксперимента обладает свойствами попарной ортого- / N\
нальности столбцов I 2 xtuxju = 0 то матрица (ХТХ)-1, называемая \U=1/
ковариационной, является диагональной, и все коэффициенты регрессии определяют независимо друг от друга. Если план обладает также свойством нормировки I 2 х^и = N ), то все диагональные \и=1/
элементы ковариационной матрицы равны MN. Следовательно, оценки коэффициентов регрессии определяют по формуле
Номер опыта
*1
4
1
—1
—1
2
+1
—1
3
—1
+ *
4
+1
+1
19.2. План ПФЭ типа 2219.2. План ПФЭ типа 22N
19.2. План ПФЭ типа 22
19.2. План ПФЭ типа 22
bi = Т7^Х1иУи (19.5) и=1
с дисперсией
s^bX^s1 \y\/N,(19.6)
где s2 (у) — дисперсия ошибки эксперимента.
Познакомимся теперь с некоторыми из планов факторного эксперимента.
План полного факторного эксперимента (ПФЭ) используют для построения линейной или неполной квадратичной модели
ккк
к
к
9 = Ьо-У ^ btxt -)- 2 bijX^j.<=11«</
Чтобы построить линейную модель, достаточно варьировать каждый фактор в процессе эксперимента на двух уровнях (—1 и 4-1). Тогда для реализации всех возможных неповторяющихся комбинаций уровней в ПФЭ потребуется N — ^ опытов. Геометрически экспериментальные точки с координатами +1 и —1 расположатся в вершинах гиперкуба, симметрично расположенного относительно точки основного уровня Хю = 0 (i = 1, 2, ..., А). Таким образом, - план ПФЭ обладает еще и третьим свойством — симметричностью / N\
I S *tu = 0 . В табл. 19.2 приведен план ПФЭтипа22, а в табл. 19.3 \и=1/
1М. План ПФЭ типа 23 и его матрица
Номер опыта
*0
Xj
х2
XgXg
X^X,
1
+1
—1
—1
—1
4-1
4-1
4-1
—1
2
+1
4-1
—1
—1
—1
—1
4-1
4-1
3
4-1
—1
4-1
—1
—1
4-1
—1
4-1
4
4-1
4-1
4-1
—1
4-1
—I
—1
—1
5
4-1
—1
—1
4-1
4-1
—1
—1
+ 1
6
4-1
4-1
—1
4-1
—1
4-1
—1
—1
7
4-1
—1
4-1
4-1
—1
—1
4-1
—1
8
4*1
4-1
4-1
4-1
4-1
4-1
4-1
4-1
план ПФЭ типа 2®. Хорошо виден принцип построения планов ПФЭ типа 2* — частота смены знаков каждого последующего фактора вдвое больше, чем предыдущего.
Полный факторный эксперимент позволяет найти оценки 60 и bt не только коэффициентов р0 и рг, но и оценки Ьл коэффициентов, соответствующих эффектам взаимодействия. Для определения оценки Ьо коэффициентов р0 (расчетного значения выхода в центре плана) и оценок Ь1} коэффициентов р0- план эксперимента дополняют единичным столбцом, соответствующим «фиктивной переменной» х0 = 1, и столбцами произведений факторов. Получается матрица плана ПФЭ (см., например, табл. 19.3 для к = 3).
Недостатком планов ПФЭ является резкий рост числа N опытов при увеличении числа к факторов. Например, при к = 6 ПФЭ содержит N = 26 = 64 опыта, по которым оценивают лишь 22 коэффициента неполной квадратичной модели (линейных же эффектов, включая свободный член модели, всего семь).
Значительно менее избыточны (в смысле N) так называемые дробные факторные эксперименты (ДФЭ), представляющие собой определенную часть (реплнку) полного факторного эксперимента. Рассмотрим, например, построение планов ДФЭ на базе плана ПФЭ типа 23, матрица которого приведена в табл. 19.3. Если в этом плане для трех факторов есть основания считать маловероятным тройное взаимодействие x^Xg (т. е. априори полагать коэффициент регрессии Риз = 0), то можно приравнять это взаимодействие к четвертому фактору х4 и варьировать его при проведении эксперимента согласно уровням столбца x^Xg. Получившийся план является 1/2-ре- пликой ПФЭ или планом ДФЭ типа 24-1.
Если полагать маловероятным также взаимодействие х2х3 (т. е. считать рм = 0), то появится возможность, приравняв это взаимодействие к пятому фактору х5, варьировать его согласно уровням столбца х2х3. Такой план будет 1/4-репликой ПФЭ или планом ДФЭ типа 2s-?.
Если и остальные взаимодействия (х4х3 и xxXg) полагать незначимыми и приравнять к новым факторам х6 и х7, то получим 1/16-реп- •лику ПФЭ или план ДФЭ типа 2’~4. Последний план является насыщенным, у него N равно числу оцениваемых коэффициентов линей-
ной модели (включая Ьо), Выше было сказано о применении таких планов для выделения существенных факторов.
Естественно, что уменьшение числа опытов в ДФЭ по сравнению с ПФЭ связано с тем, что при применении дробных реплик линейные эффекты смешиваются с эффектами взаимодействий. Это означает, что если в действительности р123 =/= 0, то коэффициент модели Ь4, оцененный по плану ДФЭ типа 24-1, будет оценкой суммы (р4 + р124). Смешанными оказываются и другие линейные эффекты. Для определения системы смешивания надо знать генерирующие соотношения (ГС) и определяющие контрасты (ОК). Генерирующим соотношением плана ДФЭ типа 24"1 является соотношение х4 = х^Хз- Определяющим контрастом называют символическое произведение столбцов плана, равное +1. Умножим обе части ГС на х4; получим х4 = = х1хах3х4 или 1 = хгх2х3х4, —это и есть ОК- Умножив столбец, соответствующий данному эффекту, на ОК, узнаем, с каким эффектом он смешан:
Xi — х\ОК = X1Z2X3X4 = Х2Х3Х4 (так как х? = 1)1
х2 = х>ОК = Х1Х2Х3Я4 = Х1Х3х4;
Х3 = Х^ОК = Х1Х2Х3Х4 = Х1Х2Х4;
Х1Х2 — Х1Х20К = Х1Х2Х3Х4 = Хз-й;
xix3 = Х!ХООК = Х1Х2Х3Х4 = х2х4;
х2х3 = х2х3ОК =•■ Х1Х2Х3Х4 = XiXf.
Это значит, что коэффициенты модели, построенной по плану ДФЭ типа 24-1, будут оценками
^1 ->- pi+р234;Ь4г -*■ри4"Рз4;
^2 —*■ р2"4"Р134>Йз ~*"Р13"4"Рз41
Ьз ~*■ Рз+Р124;^23 ~*P23+Р14-
^4 —Р4+Р123>
Таким образом, применение ДФЭ всегда связано со смешиванием, т. е. с совместным оцениванием нескольких теоретических коэффициентов р регрессии одним коэффициентом математической модели. Следовательно, достаточно точная оценка эффекта влияния фактора возможна лишь при относительной незначимости смешиваемых с ним эффектов.
Дробные факторные эксперименты называют планами ДФЭ типа где р — число факторов, для которых требуются генерирующие соотношения. Планирование ДФЭ предполагает наличие у исследователя некоторых априорных сведений о влиянии взаимодействий факторов на выход модели (хотя бы на уровне допущений).
Рассмотрим теперь процедуру отыскания оценок коэффициентов уравнения регрессии (19.2) по результатам опытов в N точках плана ПФЭ или ДФЭ. Это является типичной задачей множественного 392
регрессионного анализа при выполнении следующих предпосылок: результаты эксперимента уи (и = 1, .... N) являются независимыми^ нормально распределенными случайными величинами; оценки построчных дисперсий s2 {//„} однородны, т. е. не зависят от номера и строки плана; факторы х, при эксперименте измеряются достаточно точно.
Обычно при реализации плана эксперимента в каждой его точке проводят т параллельных опытов и результаты их усредняют:
т
m / । Уиг-
Z=1
Параллельные опыты позволяют найти оценки построчных дисперсий воспроизводимости эксперимента
s2 \Уи\ =sr=T 2 ^Уи! ~ ^
/=1
и проверить предпосылку об их однородности. Для проверки используют критерий Кохрэна (при одинаковом т в каждой строке плана). Согласно этому критерию вычисляют отношение максимальной оценки дисперсии к сумме всех оценок дисперсий
п _ max s2 {yu}
и ~ N
S S2 Ы
U=1
Если для выбранного уровня значимости а (обычно а = 0,05) эмпирическое G окажется меньше критического значения GHp, найденного по таблице критерия Кохрэна для Vj = m — 1 и v3 = Al, то гипотеза об однородности не отвергается. В этом случае можно вычислить лучшую оценку дисперсии воспроизводимости эксперимента
N
$Чу\ = "r^s2 \У^. «=1
с числом степеней свободы v — -N (т — 1). Далее по результатам эксперимента и матрице планирования находят оценки коэффициентов 60, fa, и Ь1} модели и их дисперсии s2 \Ь\. Для этого используют формулы (19.5) и (19.6), внеся в них необходимые изменения, что вызвано наличием параллельных "опытов в точках плана. С учетом изменений указанные формулы принимают вид
NNN
b° = Z = "Tv" Z Xiu^u’ Ьч = ~ Zj Х1«х^Уи’и—1zz=l
<2 I
ь2 \b\ = с числом степеней свободы v = (V (//г — 1).
После определения оценок коэффициентов регрессии необходимо проверить их значимость с помощью критерия Стьюдента. Если эмпирическое значение отношения
/ = |b|/s (&}
превышает критическое значение /вр, найденное по таблице критерия Стьюдента для v = N (т — 1) при заданном уровне значимости а (обычно а = 0,05), то соответствующую оценку b коэффициента признают значимой. Проверку проводят для каждого коэффициента регрессии, незначимые оценки отбрасывают без пересчета остальных.
Завершает обработку результатов эксперимента проверка адекватности модели. Для этого средние значения 9„ выхода изучаемого объекта сравнивают с результатами расчета 9и по полученному уравнению регрессии в тех же точках факторного пространства. Отклонения расчетных значений от эмпирических характеризует дисперсия адекватности
5»Д = Nd У ^“ ^“^«=1
с числом степеней свободы vaa = N —d, где d — число значимых оценок коэффициентов регрессии.
Проверку адекватности осуществляют с помощью F-критеряи Фишера. Если вычисленное значение критерия F = $аД/$2 {у} меньше критического F^, найденного по таблице критерия Фишера для v, = уад = М — d и v2 = v = N (m — 1) при заданном уровне значимости а, то гипотезу об адекватности модели не отвергают. В противном случае модель признается неадекватной, и приходится, как правило, переходить к более сложной (например, квадратичной) форме уравнения регрессии (19.2).
Для построения квадратичных моделей используют планы второго порядка, в которых каждый фактор варьируется как минимум на трех уровнях. Наибольшее распространение получили композиционные планы второго порядка, получаемые из линейных планов ПФЭ и ДФЭ добавлением новых точек — «звездных» и нулевых (центральных). «Звездными» называют точки факторного пространства, отстоящие от центра плана на расстояние «звездного плеча», нормированное значение которого равно а*. Таким образом, для каждого фактора устанавливают пять уровней, нормированные значения которых —а*; —1; 0; 4-1; 4-а*. .
Рассмотрим один из планов второго порядка — ортогональный центральный композиционный план (ОЦКП). План имеет N = = (2^-р 4~ 26 4- 1) точек. Обычно при 6 < 4 ядро его составляет ПФЭ, и тогда р = 0. Кроме линейной части (ПФЭ или ДФЭ) план содержит 2^ экспериментов в «звездных» точках и один эксперимент в центре.
В общем случае вектор-столбцы хв и х| планов второго порядка Не ортогональны. Для их ортогонализации вводят преобразование Квадратичных членов модели
N/-♦12-21 VI -2-2
— Xi^- 2^ Xiu — Xi — ф,
N
где 2 Хщ = С^-” + 2а2) — сумма значений уровней столбца х< 0=1
плана второго порядка в общем случае.
Уравнение регрессии после преобразования принимает вид
У = йо -{- 2 btXi -{- 2 bijXiXj 4~ 2 Ьц (х2— ф) =
i=r 1^1</Г=1
= ь0 -}- 22 bijXiXj -{- 2 bux^t,
i=l!«</i=l
где bo = bo — 2 Ьиф.
1=1
Из условия ортогональности преобразованных столбцов плана
N
2 (х2н — ф) (х% — ф) = О и=1
можно найти формулу для расчета «звездного плеча»
а* = lA/^^ - 2fe-L
Ниже приведены значения а* для некоторых к, а в табл. 19.4
дана матрица
планирования ОЦКП
для к = 3
И ф =
0,73.
А
2
3
4
5
«
1,0
1,215
1,414
1,547
Ядро плана . .
К
23
^
25-1
2&+ 1 . . . .
5
7
9
11
N
9
15
25
27
Проведение эксперимента и обработка его результатов аналогичны рассмотренным выше для линейной модели. Оценки коэффициентов уравнения регрессии определяют по формуле
N
^1 RXiuyu"
для Ьв, Ьц и Ьц формулы аналогичны; оценку дисперсии коэффициентов bt — по формуле
s2 {^)} = s2 {1>о} 4~ S Ф^ {йц}.
1—1
19.4. Ортогональный центральный композиционный план дли 6=3 н его матрица
5 3 хё
ХО
Х1
*2
*3
1
э-
1
1
+1
—1
— 1
—1
+1
+1
+1
—1
-0,27
-0,27
-0,27
2
+ 1
+1
— 1
—1
—1
—1
+1
+1
1-0,27
-0,27
г0,27
3
4-1
—1
+ 1-
—1
—1
+1
—1
+1
1-0,27
-0,27
-0,27
4
4-1
+ 1
+ 1
—1
+1
—1
—1
—1
1-0,27
-0,27
-0,27
5
+ 1
—1
— 1
+1
+1
—1
—1
+1
-0,27
-0,27
-0,27
6
+ 1
+1
— 1
+1
—1
+1
—1
—1
1-0,27
-0,27
-0,27
7
+ 1
—1
+ 1
+1
—1
—1
+1
—1
-0,27
-0,27
-0,27
8
+ 1
4-1
+ 1
+1
+1
+1
+1
+1
-0,27
-0,27
-0,27
9
+ 1
-1,215
0
0
0
0
0
0
-0,75
-0,73
-0,73
10
+ 1
-4-1,215
0
0
0
0
0
0
1-0,75
-0,73
-0,73
11
+ 1
0
— 1,215
0
0
0
0
0
-0,73
+0,75
-0,73
12
+ 1
0
+ 1,215
0
0
0
0
0
-0,73
+0,75
-0,73
13
+ 1
0
0
—0,215
0
0
0
0
-0,73
-0,73
+0,75
14
+ 1
0
0
+ 1,215
0
0
0
0
-0,73
-0,73
+0,75
15
+ 1
0
0
0
0
0
0
0
-0,73
-0,73
-0,73
§ 4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Наибольшее распространение при идентификации динамических систем станков как объекта типа «черный ящик», получили методы экспериментального определения их частотных характеристик. Речь идет об определении, в первую очередь, характеристик Ц7Э у. с U®) упругой системы по связи с процессом резания. Часто используют метод определения W„. у. с (/<о) с помощью возбуждения упругой системы станка гармонически изменяющейся силой, имитирующей силу резания.
Методика, разработанная в ЭНИМСе, предусматривает возбуждение станка с помощью бесконтактного электромагнитного вибратора. Этот вибратор представляет собой электромеханический преобразователь, входами которого являются напряжение переменного тока, подаваемое на обмотку возбуждения, и напряжение постоянного тока, подаваемое на обмотку подмагничивания, а выходом — сила. Вибратор располагают на станке так, чтобы развиваемая им сила совпадала с силой резания (рис. 19.2). При определении частотной характеристики токарного станка оправку 1 вибратора, выполняющую роль якоря, устанавливают в шпинделе. Сердечник 5 выполнен из трансформаторного железа П-образной формы и установлен под углом 30° к вертикали (что соответствует направлению равнодействующей радиальных сил резания); этот угол можно изменять. На сердечнике размещены обмотки подмагничивания 5, возбуждения 7 и измерительная 6 (переменного тока). Корпус 3 крепят винтами в резцедержателе станка. Для регулирования зазора между якорем и сердечником предусмотрены винты 4.
Наличие обмоток возбуждения и подмагничивания позволяет создать постоянную и переменную составляющие силы вибратора.
Постоянная составляющая создает предварительный натяг в системе и как бы имитирует резание с постоянной глубиной. Амплитуда переменной составляющей силы вибратора (имитация изменения силы резания) оценивается по величине ЭДС, индуцируемой в измерительной обмотке вибратора. Силу можно измерять также тензо-
Рис. 19.2. Электромагнитный бесконтактный вибраторРис. 19.2. Электромагнитный бесконтактный вибратор
Рис. 19.2. Электромагнитный бесконтактный вибратор
Рис. 19.2. Электромагнитный бесконтактный вибратор
датчиками 9, наклеенными на корпус 3 вибратора. Датчик 2 относительных колебаний обычно устанавливают при этом так, чтобы измерять колебания по нормали к обрабатываемой поверхности.
Упрощенная функциональная схема установки для определения (Гэ.у. с (/ю) показана на рис. 19.3. Если на вход упругой системы станка подается синусоидальное воздействие (переменная
Рнс. 19.3. Функциональная схема для определения АФЧХ станка:
ЗГ — задающий генератор напряжения переменного тока; АР — авторегулятор; УМ — усилитель мощности; ИПТ — источник постоянного тока подмагничивания; ЭМ В — электромагнитный вибратор; УС — упругая система станка; ИС и ИП — измерители силы и перемещения; У1 и У2 — усилители; ФВ — фазочувствительный вольтметр; БУ — блок управления; ЗУ — записывающее устройство; ЛМ — ламповый милливольтметр; КО — катодный осциллограф
составляющая силы вибратора) Ро sin mt, то установившееся измеренное значение выходного сигнала (относительное перемещение исполнительных звеньев станка)
? (О = I ^э. у. с (/®) | Р6 sin [со/ + <р (со)],
где ср (со) агсгл(/й))] .
Частотную характеристику ^э. у. с (/со) определяют следующим образом: одновременно измеряют входной и выходной сигналы и
записывают их с помощью многоканального регистрирующего устройства (осциллографа, магнитографа). Учитывают только первую гармонику. По записям входного и выходного сигналов определяют отношение их амплитуд на частоте <ог и получают модуль характеристики j Г8.у. с (№)!• Фазовый сдвиг ф (о);) получают, сравнивая положение максимумов записей Р (t) и q (Л- Для определения характеристики №э. у.с (/ю) таким методом разработаны различные полуавтоматические и автоматические установки.
В одной из таких установок сигналы, пропорциональные амплитудам силы и перемещения (вход и выход упругой системы станка), поступают на фазочувствительный вольтметр, который непосредственно показывает действительную Re [ Wa. у. е У®^ ] и мнимую Jm [ТГЭ у с (/©,) ] составляющие характеристики, соответствующие частоте ю4 = 2лЛ-
Минимальное время измерения для одной точки частотной характеристики определяется временем переходного процесса в исследуемой системе (пока колебания в системе не установятся). Учитывая, что для получения частотной характеристики требуется последовательно проводить измерения во многих точках, соответствующих частотам Л заданного диапазона, время эксперимента оказывается значительным.
Преимущество метода гармонического возбуждения состоит в том, что вся энергия сигнала концентрируется на одной частоте, поэтому отношение полезного сигнала к шуму велико (повышается точность оценки характеристики). Однако большое время снятия одной характеристики заставляет искать иные подходы к проведению эксперимента. Одним из таких подходов является применение возбуждающего воздействия, имеющего вид стационарного случайного процесса с нулевым средним. Стационарным называют случайный процесс, характеристики которого (средние значения и корреляционные функции) не зависят от момента времени. Представление о таком процессе дает одна выборочная функция, которую при конечном интервале времени Т называют реализацией (свойство эргодичности стационарных случайных процессов).
В этом случае для определения частотной характеристики линейной динамической упругой системы станка обычно используют следующие важные соотношения:
О,ДЛ = I ^э.у.сЦЗРСр^);(19.7)
GPq(h= Й7,у.с (Л GP (Л,(19.8)
где GP У), Gg (/) — соответственно спектральные плотности случайных процессов Р (Л на входе и у (Л на выходе упругой системы станка; GPq У) — взаимная спектральная плотность этих же процессов.
Выражение (19.7) действительное и содержит только амплитудную частотную характеристику |В7Эу-с0| системы; выражение (19.8) комплексное и содержит АФЧХ Wa.Tcy^ системы.
Спектральные и взаимно спектральные плотности являются важными характеристиками случайных процессов, описывающими рас- 398
Рйс. 19.4. Графики спектральной плотности:
а — синусоиды; б — узкополосного случайного процесса; « — широкополосного случайного процесса; г — белого шума
пределение их энергии по частотам. На рис. 19.4 приведены графики спектральной плотности некоторых функций времени.
Спектральные плотности обычно определяют с по
мощью ЭВМ, применяя алгоритм так называемого быстрого преобразования Фурье (БПФ) к реализациям случайных процессов на входе и выходе системы. Причем если речь идет о стационарных эргодических случайных процессах, то для оценки частотной характеристики линейной системы обычно достаточно одной пары реализаций входного и выходного сигналов. Время записи такой пары составляет несколько секунд. Естественно, продолжительность эксперимента при этом значительно сокращается по сравнению с методом гармонического воздействия.
Обычно на практике случайное воздействие выбирают таким образом, чтобы упростить получение частотной характеристики. В частности, представляется очень подходящим входным сигналом так называемый белый шум, несущий мощность на всех частотах (т. е. его спектральная плотность постоянна на всех частотах). Однако практическая реализация такого сигнала в чистом виде затруднительна. Поэтому для возбуждения упругой системы станка обычно используют различные псевдослучайные сигналы, генерируемые аппаратно или с помощью ЭВМ. Спектральная плотность таких сигналов равномерна в ограниченной полосе частот.
Частотную характеристику станка можно сравнительно просто получить, используя апериодическое силовое воздействие на его упругую систему. Таким воздействием может быть импульсный или ступенчатый сигнал. Для создания таких сигналов на входе упругой системы станка можно использовать динамометрический молоток или специальное устройство, называемое пульсатором. Роль пульсатора может выполнять, например, бесконтактный электродинамический вибратор, на обмотку возбуждения которого через цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности подают импульсный сигнал, генерированный ЭВМ.
Преимущество использования стандартных апериодических сигналов для получения частотной характеристики станка связано с более простой процедурой ее вычисления в этом случае. Применяя преобразование Фурье F к конечному входному Р (0 и соответствующему ему выходному q (t) сигналам, частотную характеристику 'можно определить так:
v (Л = F to IP (ОЬ
Учитывая, что преобразование Фурье импульса силы Р (t) равно единице, получим частотную характеристику W (/) как преобразование Фурье реакции q (/) исследуемой системы на импульс (импульсной переходной функции). Следовательно, записывать и обрабатывать приходится в этом случае лишь один выходной сигнал системы, что значительно сокращает вычисления.
Достоинством импульсного возбуждения является постоянство спектра идеального импульса в бесконечно широком частотном диапазоне, что позволяет возбудить в исследуемой системе не только первую, но и высшие формы колебаний.
Реальные импульсы (удары) импульсов и скачков тем, чтоРеальные импульсы (удары) импульсов и скачков тем, чтоРнс. 19.5. Спектры реальных импульсных воздействийРнс. 19.5. Спектры реальных импульсных воздействийи скачки отличаются от идеальных происходят за конечный интервал времени т, называемый постоянной времени. Это приводит к тому, что их спектры не являются столь же благоприятными в достаточно широком диапазоне частот. На рис. 19.5 представлены спектры для некоторых реальных апериодических воздействий; при этом составляющие G (/) спектральной плотности отнесены к составляющим Оо (/) спектральной плотности идеального скачка или удара. Для
Реальные импульсы (удары) импульсов и скачков тем, что
Реальные импульсы (удары) импульсов и скачков тем, что
Рнс. 19.5. Спектры реальных импульсных воздействий
Рнс. 19.5. Спектры реальных импульсных воздействий
сигнала «половина синусной волны», например, несовпадение спектров не превышает 10 % при / < 0,3/т. Следовательно, действие такого сигнала с т = 1 мс на систему можно приближенно рассматривать как действие идеального импульса равной площади до частоты не выше 0,3/т — 300 Гц.
Рассматривая различные методы экспериментального определения частотных характеристик станка, следует отметить, что желательно снимать их на работающем станке. Различие характеристик, снятых на работающем и неработающем станках, объясняется влиянием подвижных соединений и проявляется, главным образом не в значениях частот собственных колебаний, а в значениях амплитуд и фаз на этих частотах. Использование вибратора часто.затрудняет включение движения подачи, в результате чего характеристика станка получается не такой, как при его работе. Кроме того, использование вибраторов затруднительно при исследовании тяжелых станков, где требуются значительные сигналы возбуждения.
Все это приводит к необходимости определения частотных характеристик и форм колебаний в процессе работы станка. В реальных условиях, т. е. при резании, станок находится под воздействием большого числа источников возмущений различной интенсивности с широким частотным спектром. Суммарное воздействие на упругую систему станка этих источников может быть отнесено к разряду случайных возмущений. Колебания узлов станка, вызванные этими 400
возмущениями, можно отнести к категории стационарных случайных процессов. Для исследования таких процессов можно использовать спектрально-корреляционные методы теории стационарных случайных процессов.
Таким образом, располагая одновременными реализациями входного и выходного сигналов достаточной интенсивности, можно определить частотную характеристику станка в процессе его нормального функционирования. Однако, используя для определения характеристики формулы (19.7) и (19.8), следует помнить о том, что они соответствуют случаю системы с одним входом и одним выходом (т. е. полному отсутствию помех).
В действительности, замкнутая динамическая система станка, помимо входа, связанного с изменением настройки yt (/) (колебания припуска, твердости заготовки и т. п.), подвержена внешним силовым воздействиям и (/) на упругую систему, т. е. имеет другие входы. Причем точки приложения и параметры внешних силовых воздействий неизвестны, и определить их в большинстве случаев невозможно. В этом случае использование формул (19.7) и (19.8) для определения оценки Wa. у. с (/) дает погрешность смещения, величина которой зависит от свойств замкнутой динамической системы станка и соотношения между мощностью колебаний вспомогательного хода и мощностью колебаний сил резания. Чем меньше это соотношение, тем меньше погрешность смещения (случаи фрезерования, протягивания). При обработке, например, токарной, когда флуктуации сил резания незначительны, погрешность смещения может оказаться слишком большой, особенно на частотах интенсивных возмущений и собственных частотах системы станка.
Чтобы повысить точность определения Wa.у.с (/), следует либо выбрать соответствующий режим резания (ширина среза равна 0,7—0,9 от предельной по устойчивости), либо искусственно увеличить мощность колебаний сил резания (например, за счет обработки специальной детали с пазами или за счет дополнительного возбуждения системы пульсатором и т. п.).
Поскольку при определении частотных характеристик станка спектральными методами приходится решать некоторые вспомогательные задачи (исключение тренда, фильтрация реализаций и др.), целесообразно автоматизировать обработку результатов эксперимента. Такой комплекс программ, разработанный в ЭНИМСе, позволяет осуществлять ввод исходных данных, их предварительную обработку, расчет различных статистических характеристик (включая частотные) и выводить на печать результаты расчета и графики.
Рассмотренные выше методы идентификации динамических объектов, естественно, не исчерпывают разнообразных подходов к построению их математических моделей, но дают достаточное представление об этом наиболее трудоемком и ответственном этапе в решении общей задачи анализа поведения объектов методами математи- цеского моделирования. Рассмотрим далее некоторые вопросы, связанные с проведением испытаний станков.
ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
Если исследования станка (точнее, его прототипа) проводят, как правило, до начала конструирования, то испытания завершают процесс его изготовления. В настоящее время основными видами испытаний в СССР являются приемочные испытания опытных образцов новых моделей станков и приемосдаточные испытания серийно выпускаемых станков.
Первый вид испытаний предназначен для решения вопроса о целесообразности постановки на производство данной модели станка или передачи ее в эксплуатацию. Эти испытания обычно проводят в лабораторных условиях, а материалы испытаний предъявляют государственной приемочной комиссии.
Приемосдаточные испытания проводят контролеры ОТК завода в цеховых условиях с целью проверки работоспособности готового серийного станка и соответствия его заранее установленным техническим условиям.
В соответствии с существующими типовыми методиками испытаний металлорежущих станков каждый вид испытаний включает три группы проверок: в статическом состоянии; на холостом ходу; при работе. Объем и содержание проверок могут сильно различаться в зависимости от вида испытаний. Более полными и сложными являются проверки, которым подвергают станок в ходе приемных испытаний. В несколько упрощенном и сокращенном виде эти же проверки составляют содержание приемосдаточных испытаний серийных станков. С порядком проведения 'испытаний познакомимся на примере приемных испытаний опытных образцов станков.
Перед проведением испытаний станок устанавливают на специальном фундаменте. Клиновыми башмаками, располагаемыми так же, как при эксплуатации, станок выверяют по уровню в продольном и поперечном направлениях в соответствии с требованиями ГОСТ 8—82Е. Фундаментные болты не затягивают. В зависимости от класса точности станка используют разные уровни с ценой деления 0,04 мм/м для станков классов точности Н и П; 0,02 мм/м — для станков классов точности В, А и С.
После этого приступают к проверкам станка в статическом состоянии. Вначале проверяют соответствие нормам точности, — это одна из важнейших проверок. Проектирование станков в значительной степени подчиняется критерию точности. Для того чтобы проверить точность работы станка, надо знать характер и степень влияния отдельных факторов, вызывающих погрешности обработки. Пока практически не существует таких норм точности работы станка, которые определяли бы ее однозначно. Это объясняется большим количеством факторов, влияющих на точность работы станка. Основными из них являются следующие: геометрическая, в том числе кинематическая, точность станка, включая погрешности технологической базы заготовки; температурные деформации станка; упругие деформации станка под нагрузкой; устойчивость системы станка при 402
перемещениях узлов и обработке; вынужденные колебания; размерный износ инструмента.
Все эта факторы, за исключением геометрической точности станка, являются переменными и отчасти управляемыми; влияние их на точность детали можно почти устранить, снижая или меняя режим обработки и пр., так что в конечном итоге достижимая точность будет определяться геометрической точностью станка. Последняя характеризует качество изготовления и сборки станка и, хотя не может количественно характеризовать точность детали, обработанной на этом станке, является одной из важных характеристик возможностей станка.
Точность нормируется ГОСТами «Нормы точности», построенными на предположении, что геометрические погрешности данного станка являются систематическими, которые полностью переносятся на обрабатываемую деталь. Это позволяет не проводить анализ результирующей погрешности на детали в целях выявления влияния только геометрических погрешностей станка, что очень трудно, а заменить проверку детали соответствующей геометрической проверкой станка. Путем сбора на большом числе станков статистического материала о их геометрических погрешностях были составлены действующие ГОСТы на нормы точности. В них для каждого типа станков приведено определенное число инструментальных проверок геометрической точности, проводимых обычно в статическом состоянии и при перемещениях отдельных частей станка, осуществляемых вручную или на самых малых скоростях.
При проведении испытаний большое значение имеют условия, при которых проводят измерения. Проверку нужно проводить при температуре 20 °C; колебания температуры не должны превышать ±0,5 °C для станков класса точности С, ±1 °C для станков классов А и В и ±2 °C для менее точных станков. Станок на точность проверяют после его обкатки. Объем испытаний определяется соответствующими нормами точности, предусмотренными ГОСТом. В качестве типовых обычно указывают проверки точности геометрических форм базирующих поверхностей (прямолинейность, плоскостность, овальность, конусность и т. п.), взаимного расположения этих поверхностей (параллельность, перпендикулярность, соосность), формы траектории движения исполнительных звеньев станка, взаимосвязанных движений (кинематической точности), координатных перемещений (линейных и угловых). Все проверки проводят без внешней нагрузки. В ГОСТ 22267—76 приведены схемы и способы измерения геометрической точности. Однако допускается замена указанных способов другими, обеспечивающими не меньшую точность измерений.
Другой, не менее важной и обязательной является проверка статической жесткости станка. Жесткость — один из основных критериев работоспособности станка, определяющих точность станка под нагрузкой в установившемся режиме работы.
Чтобы результаты проверки на жесткость были достаточно достоверны и объективны, необходимо при испытаниях по возможности
приблизиться к наиболее типичным реальным случаям обработки, сохраняя для простоты испытаний статическое нагружение станка. Направление и координаты точки приложения нагружающей силы должны соответствовать направлению и точке приложения силы резания при типичном случае обработки. Нагружающая сила должна быть достаточной для того, чтобы вызвать перемещения, которые можно точно зафиксировать с помощью обычного индикатора с ценой деления 0,01 мм, но она не должна превышать допустимой для испытуемого станка нагрузки. Рекомендуется определенное типичное расположение перемещаемых узлов на станке. Для того чтобы можно было судить о качестве регулирования стыков, должно быть соблюдено требование о первичности нагружения (о нагружении сразу же после установки узлов станка в заданные положения).
Для проведения испытаний на жесткость используют специальные приборы. Основными частями каждого такого прибора являются нагрузочное устройство (домкрат и предварительно отградуированный динамометр с индикатором нагрузки) и индикаторы перемещений.
При проверке обычно измеряют суммарную податливость станка, характеризуемую относительным смещением его узлов, несущих инструмент и обрабатываемую заготовку, при заданной нагружающей силе. Нормируют наибольшее допустимое перемещение (т. е. нижнюю границу жесткости).
Знание только суммарной податливости не всегда достаточно. Поэтому при испытании опытного образца станка может быть составлен баланс упругих перемещений. Для этого при статическом нагружении измеряют, а затем пересчитывают к точке приложения силы перемещения элементов упругой системы станка. Баланс упругих перемещений позволяет оценить долю отдельных элементов или узлов станка в суммарном относительном смещении его испытательных звеньев, отыскать слабые (по жесткости) элементы, оценить качество их изготовления и сборки.
В значительной степени жесткость станка может зависеть от регулировки подшипников шпинделя, поэтому предусмотрена проверка зазоров — натягов этих подшипников. Проверку проводят как в холодном, так и в разогретом до установившейся температуры состоянии подшипников. В процессе проверки, например, радиального зазора — натяга переднего подшипника измеряют перемещение шпинделя (относительно корпуса шпиндельной бабки) при нагружении его силой, действующей в направлении, перпендикулярном к оси шпинделя. Нагружение осуществляется ступенчато до состояния, при котором достигается линейная зависимость между силой и перемещением. Отрезок, отсекаемый на оси ординат касательной к линейной части графика 6 = / (Р), может оказаться выше или ниже начала координат (рис. 19.6). В первом случае он характеризует радиальный зазор, во втором — натяг проверяемого подшипника. Аналогично проверяют величину осевого зазора — натяга подшипников.
Проверкам, рассмотренным выше, подвергают все ставки, в том числе и серийные. Для опытных образцов станков на этом этапе дополнительно проверяют работоспособность электрооборудования (в
основном, прочность и сопротивление изоляции силовых цепей), а для опытных образцов соответствие органов ручного управления требованиям эргономики (ГОСТ 21752—76).
Вторую группу проверок (самую большую) составляют проверки станка на холостом ходу. Испытания на холостом ходу начинают с включения станка и проверок правильности функционирования основных его механизмов и систем. Проверяют электрооборудование (работу путевых выключателей, защитных блокировок, нулевой, тепловой и максимальной защиты, нагрев катушек аппаратов, резисторов и пр.), работу систем смазывания и охлаждения, системы
Рис. 19.7. Определение линейных н угловых перемещений шпинделяРис. 19.7. Определение линейных н угловых перемещений шпинделяуправления скоростями движения рабочих органов станка, правильность функционирования главного привода
Рис. 19.7. Определение линейных н угловых перемещений шпинделя
Рис. 19.7. Определение линейных н угловых перемещений шпинделя
Рис. 19.6. Определение зазоров и натягов подшипниковРис. 19.6. Определение зазоров и натягов подшипникови механизмов привода подачи. Главный
Рис. 19.6. Определение зазоров и натягов подшипников
Рис. 19.6. Определение зазоров и натягов подшипников
привод проверяют на всех частотах вращения, а также в режимах частых пусков, остановов и реверсирования. На максимальной частоте вращения шпинделя станок должен проработать до момента стабилизации температуры шпиндельных подшипников, обмоток электромагнитных муфт и электродвигателя, но не менее 30 мин. При этом температура поверхности шпиндельной бабки в области переднего и заднего подшипников шпинделя не должна превышать заранее установленных допустимых значений.
Теплообразование и связанные с ним температурные деформации являются одним из факторов, обусловливающих погрешности механической обработки — отклонения размеров и искажения геометрической формы обрабатываемых деталей. В наибольшей степени на точность обработки влияет изменение положения оси шпинделя относительно суппорта (или стола) вследствие температурных деформаций. Поэтому для опытных образцов станков наряду с проверкой нагрева подшипников шпинделя, по ГОСТ 7599—82 предусмотрена проверка их температурной стабильности.
При испытании, например, координатно-расточного станка проверку осуществляют следующим образом-. На столе станка перпендикулярно к оси шпинделя устанавливают контрольный диск с точными цилиндрической и торцовой поверхностями. На оправку, укрепленную в шпинделе станка, надевают быстросъемную державку с двумя микронными индикаторами (рис. 19.7). При ручном повороте шпинделя первый индикатор измеряет отклонение от перпендикулярности
оси шпинделя к плоскости диска (стола) на диаметре D, второй отклонение от соосности осей шпинделя и стола. Определив отклонения в двух диаметрально противоположных точках диска на холодном (^1Х0Л и у2Х0Л) и нагретом до установившейся температуры (?1нагР и Танагр) станке, можно найти нормируемые линейное Ат. я и угловое Ат. у температурные смещения осей шпинделя и стола в плоскости YOZ:
Ат. л = ((//1 нагр У1 хал) кУг натр Уе гол) 1/2",
Ат, у ~ [(У1 нагр У1 хол) (Уанагр Уг хол)]/Ю00О,
где Ух нагр, У1хоз1 Уа нагр, Уа хол отклонения, мкм; D диаметр контрольного диска, мм.
Аналогично определяют температурные деформации в плоскости XOZ.
Одним из критериев качества изготовления и сборки станка является шум, возникающий при его работе. Для обеспечения нормальных условий работы людей в производственных помещениях шум каждого станка регламентирован. Цель проверки шумовых характеристик — установить, не превышает ли уровень шума станка допустимого значения. Допустимые значения устанавливаются в зависимости от чувствительности человеческого уха к шумам в различных частотных диапазонах (до 90 дБ — для частот менее 350 Гц, до 75 дБ — для частот выше 4 кГц). Для оценки шума используют шумомеры, реагирующие на звук подобно человеческому уху. В состав шумомера входят микрофон, усилители, корректирующие контуры (А, В и С), набор полосовых фильтров и стрелочный измерительный прибор.
Шум измеряют обычно при наибольшей частоте вращения шпинделя. Три переключаемых корректирующих контура могут изменять частотную характеристику шумомера в зависимости от уровня шума, что позволяет более объективно оценить шум проверяемого станка. Для опытных образцов проводят частотный анализ шума с помощью включения полосовых фильтров, позволяющих определить уровень шума в узких полосах частот. Для точного анализа используют ок- тавные (отношение средних частот соседних полос 1 : 2) и третьок- тавные (отношение 1 : 1,26) фильтры. Результаты анализа представляют в виде спектра шума, показывающего уровни шума на разных частотах исследуемого диапазона.
Ярким показателем качества изготовления и сборки станка является уровень его колебаний на холостом ходу. Наибольший интерес представляют измерения относительных колебаний инструмента и заготовки, как непосредственно влияющих на точность обработки. При испытании опытных образцов станков относительные колебания измеряют во всем диапазоне частот вращения шпинделя. В конусное отверстие шпинделя устанавливают регулируемую оправку с биением измерительной шейки менее 3 мкм.
Датчиком (емкостным или индуктивным), установленным на суппорте станка, измеряют относительные колебания и подвергают их 406
частотному анализу в диапазоне частот до 1 кГц. Частотный спектр колебаний холостого хода определяется в основном наиболее мощными возбудителями колебаний (неуравновешенные вращающиеся детали привода главного движения станка, погрешности зубчатых и ременных передач, муфт, подшипников качения и др.) и собственными колебаниями элементов упругой системы станка. Колебания холостого хода нормируют по частотным диапазонам: нормы на составляющие спектра, частоты которых лежат ближе к частоте потенциально неустойчивой формы колебаний станка (частота возможных в системе автоколебаний), должны быть более жесткими, чем для других частотных диапазонов.
Для серийных станков эту проверку проводят на частоте вращения шпинделя, соответствующей чистовой обработке.
В программу испытаний опытных образцов станка включены также энергетические испытания — проверка мощности, потребляемой главным приводом и приводом подач при работе станка на холостом ходу. Эти показатели характеризуют потери на трение в приводе, которые зависят от конструкции привода, а также правильности сборки и регулирования основных его элементов (натяжение ремня, предварительный натяг подшипников и др.), работы системы смазывания, продолжительности обкатки станка.
Проверка мощности Ne (х. х), потребляемой главным приводом на холостом ходу, проводится после разогрева станка, при условии, что значение мощности остается неизменным по крайней мере в течение 10—15 мин. Испытания проводят на минимальных, средних и максимальных частотах вращения шпинделя с помощью комплекта приборов для измерения мощности, подключаемых к входным клеммам электродвигателя. По результатам измерений мощности VC(XX) строят графики Nc(x. х) = f (и), на которые наносят кривые или семейства кривых, полученные при испытании.
Для станков с ЧПУ, по сравнению с обычными станками, предусмотрены дополнительные проверки.
Проверка точности позиционирования подвижных исполнительных узлов станка (столов, суппортов, салазок, стоек) является одной из основных проверок его точности. Точность позиционирования характеризуют следующие статистические показатели: •
накопленная погрешность А позиционирования, равная алгебраической разности наибольшего бшах и наименьшего би|п (на аттестуемой длине /) среднеарифметических значений погрешностей позиционирования (отклонений фактического положения узла от заданного программой):
А = ^max ^mlni ^j S ^ji/^>
где 6j7 — погрешность позиционирования в /-й контрольной точке (/ — 1, ..., т) при j-м испытании (i = 1, ..., п);при проверке опытных образцов станков п = 10, серийных л = 5; dj — среднеарифметическое значение погрешности в j-й точке;
среднее квадратическое отклонение s; погрешности позиционирования в j-й контрольной точке при многократных подходах подвижного узла к запрограммированному положению (п = 5-4-10):
Sj = R^d^
где Rj = (6У-max — 6j тщ) — размах варьирования погрешностей позиционирования в j-й точке при повторных испытаниях (подходах); dn — коэффициент, зависящий от значения п; при п ~ 5 dn = 2,326, при п = 10 dn = 3,078.
Первый из показателей характеризует систематическую погрешность позиционирования на аттестуемой длине I перемещения, второй — случайную погрешность, которая в данном случае является функцией положения позиционируемого узла.
Статистические показатели определяют на основании результатов измерений погрешностей б7-г позиционирования в т. контрольных точках на аттестуемой длине / перемещения узла. Число точек, в которых выполняют измерения, обычно равно 10—20. Проверку осуществляют на скорости быстрого перемещения с запрограммированными остановками в контрольных точках. Измерения проводят с помощью штриховой меры, установленной на перемещающемся узле, и микроскопа, закрепленного на специальной оправке в шпинделе станка. Для измерения погрешностей позиционирования можно использовать лазерный интерферометр с цифровым выходом.
Среднеарифметическая погрешность 6< на длине / (при j = 1, ..., mj может иметь явно выраженный периодический характер с шагом, например, равным шагу ходового винта станка. Другими источниками (кроме ходового винта) этой циклической погрешности могут быть шаговый двигатель, зубчатые передачи в приводе подачи, не охваченные датчиками обратной связи. Периодическое отклонение при позиционировании проверяют теми же средствами на длине /', равной двум шагам этой погрешности с интервалами в 0,1 шага.
Периодическое отклонение представляет собой составляющую систематической погрешности позиционирования, текущее значение которой повторяется через одинаковые интервалы (шаг). Периодическое отклонение характеризует размах В, равный алгебраической разности наибольшей 6тах и наименьшей бт1п среднеарифметических ошибок позиционирования на длине V, т. е.
В = 6шах бт11[.
Средние значения погрешностей позиционирования бу в /- й точке могут оказаться разными при подходе подвижного узла в эту точку с двух противоположных направлений — справа (6;свр) и слева (бу ед). Разность (Ц =| 6j спр — 6;сл| определяет зону нечувствительности при позиционировании. При испытании станка с ЧП У значение Uj определяют в трех контрольных точках, расположенных на длине, равной 1/5,' 1/2 и 4/5 длины рабочего перемещения узла. Из трех полученных значений й5 определяют наибольшее йтю, которое характеризует зону нечувствительности проверяемого станка.
0 ■ *0 ■ *Рис. 19.8. Отклонение фактических траекторий перемещения стола от эталонаРис. 19.8. Отклонение фактических траекторий перемещения стола от эталонаа Для станков с контурными системами ЧПУ предусмотрена проверка отработки прямолинейной траектории под углом к осям координат. Проверку выполняют для трех углов а = 5; 26,5; 45°. В качестве базовой плоскости используют рабочую поверхность синусной линейки, закрепленной на столе станка. Измерения проводят с помощью какого-либо датчика относительных перемещений, установленного на шпинделе станка. При перемещении стола с линейкой из точки 1 в точку 2 под углом а к оси X (рис. 19.8) и обратно отклонение фактической траектории от базовой плоскости линейки непрерывно фиксируется датчиком перемещений и записывается. Повторение испытания несколько раз позволяет найти среднеарифметические значения f3- отклонений фактиче-
0 ■ *
0 ■ *
Рис. 19.8. Отклонение фактических траекторий перемещения стола от эталона
Рис. 19.8. Отклонение фактических траекторий перемещения стола от эталона
скои траектории от идеальной Алгебраическая разность А/ =
= f max — /mlnЯВЛЯСТСЯ ОцеНКОЙ
проверяемого показателя станка.
Следующаяпроверка связана
с контролем отработки системой привода подач станка единичных импульсов программы. Проверяемому узлу сообщают движение единичными импульсами сначала в прямом, а потом в обратном направлении.
Число импульсов не менее 20. С помощью многооборотного стрелочного индикатора или какого-либо другого датчика перемещения фиксируют отклонения фактического перемещения узла от номинального значения импульса (дискреты). Наибольшая величина этого отклонения является оценкой точности отработки системой единичного импульса.
В число дополнительных проверок станков с ЧПУ на холостом ходу входит также проверка времени смены инструмента с помощью имеющегося на станке манипулятора.
Третью группу проверок составляют проверки стайка при его работе. Прежде всего следует указать на проверки работоспособности станка при максимальных рёжимах резания: при работе с максимальной силой резания, при резании с наибольшей мощностью, при резании с наибольшим крутящим моментом. Контроль силы резания осуществляется по величине (Ус <реэ) — Ус <х. х>) при постоянной частоте вращения шпинделя. На режимах, обеспечивающих получение наибольшей мощности, одновременно контролируется падение частоты вращения шпинделя (не более 3 %).
Оценку результатов испытаний проводят по внешнему виду обработанной поверхности, которая не должна иметь следов вибраций. Наблюдая за мощностью УС(Рез), потребляемой электродвигателем главного привода станка (которая должна быть не менее установленной), проверяют работу всех механизмов и систем станка на, безотказность.
Станки с ЧПУ проверяют на безотказность при обработке по специальной программе типичной детали в течение 2 ч для серийных
станков и 4 ч для опытных образцов. Программа должна быть составлена с максимальным учетом возможностей станка, и она обычно сложнее программ, используемых при эксплуатации станка. Отказы при работе станка не допускаются, а обрабатываемая заготовка должна соответствовать требованиям чертежа.
Одним из важнейших критериев работоспособности станка является его виброустойчивость, которую можно понимать как способность станка сопротивляться возникновению автоколебаний при резании. Программой испытаний станков при работе предусмотрена оценка границ устойчивости про-
О 20 SD 60 80 100 у, mJmuhО 20 SD 60 80 100 у, mJmuh"^ер»ГММ12"^ер»ГММ128844о-3=0,07 мм/оЯ л- 3=0,15 мм!о5 - 3=0,3 MMjoSо-3=0,07 мм/оЯ л- 3=0,15 мм!о5 - 3=0,3 MMjoSО 100 200 300 ООО 500 п,минО 100 200 300 ООО 500 п,минРяс. 19.9. График границ устойчивости токарного станка при обработке консольной заготовкиРяс. 19.9. График границ устойчивости токарного станка при обработке консольной заготовкицесса резания.
О 20 SD 60 80 100 у, mJmuh
О 20 SD 60 80 100 у, mJmuh
"^ер»
ГММ
12
"^ер»
ГММ
12
8
8
4
4
о-3=0,07 мм/оЯ л- 3=0,15 мм!о5 - 3=0,3 MMjoS
о-3=0,07 мм/оЯ л- 3=0,15 мм!о5 - 3=0,3 MMjoS
О 100 200 300 ООО 500 п,мин
О 100 200 300 ООО 500 п,мин
Ряс. 19.9. График границ устойчивости токарного станка при обработке консольной заготовки
Ряс. 19.9. График границ устойчивости токарного станка при обработке консольной заготовки
Испытание сводится к определению так называемой предельной стружки /пр. Под предельной стружкой понимают максимальную глубину резания, снимаемую при работе без вибраций. Для опытных образцов станка определяют зависимость предельной стружки от частоты вращения шпинделя для всех характерных видов обработки и нескольких подач. Например, характерными
видами обработки для токарных станков являются продольное точение вала в центрах, обработка вала, закрепленного консольно, и торцовая обработка кольца.
Определение предельной стружки является довольно трудной задачей, так как предельный режим работы станка по своей природе весьма неустойчив. Признаком предельной стружки обычно служит появление характерного звука при работе станка и довольно резкое увеличение амплитуды относительных колебаний инструмента и заготовки, на которой при этом появляются следы вибраций. Параллельно с определением предельной стружки желательно фиксировать частоту возникающих при этом на станке вибраций (так называемую частоту потенциально неустойчивой формы колебаний).
Полученные данные позволяют построить графики зависимости /пр от частоты вращения для каждого вида обработки и не менее чем при трех подачах. Это так называемые графики границ устойчивости (рис. 19.9). Границы устойчивости оценивают путем сравнения с лучшими образцами аналогичных станков или по производственной характеристике станка (сопоставляя границу устойчивости с другими границами использования станка).
Испытание серийных станков проводят по сокращенной программе; их цель — проверка виброустойчивости как критерия качества изготовления и сборки каждого станка. Для испытаний выбирают вид обработки, дающий наименьшую виброустойчивость. Подачу рекомендуется брать среднюю, но вызывающую резкое увеличение амплитуды колебаний при увеличении глубины резания. Частоту вращения шинделя принимают равной п в зоне наименьшего значения /пр
по графику границы устойчивости для выбранной ранее подачи. Глубину резания, соответствующую принятым n, S и виду обработки, при которой еще не наступает потеря станком устойчивости, нормируют. Норму устанавливают статистически по результатам испытаний 30—50 станков данной модели.
Проверка геометрической точности, которой подвергается станок в начале испытаний, дает лишь косвенную гарантию точности обработки на станке. Поэтому для оценки непосредственно точности обработки и шероховатости обработанной поверхности программой испытаний станка при его работе предусмотрена обработка контрольного образца (для станков с ЧПУ — партии образцов). Вид образца, его материал, характер и режим обработки, крепление инструмента и т. п. назначают с таким расчетом, чтобы свести к минимуму влияние факторов, не имеющих прямого отношения к качеству изготовления станка, и получить наивысшую точность обработки. Отклонения фактических размеров и формы образца, а также параметров микро- геометрии его поверхности не должны превышать величин, указанных в соответствующем ГОСТе.
При проверке постоянства размеров в партии образцов, обработанных на станке с ЧПУ, определяют среднее значение / и размах R отклонений полученных размеров. Границы р допускаемых отклонений рекомендуется определять для каждого контролируемого размера по формулам:
рв = (Тв — Ло6) — для верхней границы среднего отклонения;
рн = (Тн -(- Л„6) — для нижней границы среднего отклонения;
Pbr — kn6 — для верхней границы размаха, где Тй, Тв — границы допуска измеряемого размера; 6 — половина допуска на размер; Ао и kn — коэффициенты, определяемые в зави
симости от числа п однотипных размеров в проверяемой партии:
п
1° кп
5
0,553
1,63
60,592
1,68
70,6221,72
80,6461,75
90,6671,78
100,6841,81
В третью группу проверок включают также проверку шумовых характеристик станка под нагрузкой, которую осуществляют подобно описанной выше.
ГЛАВА 20
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ СТАНКОВ
§ 1. ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАНКОВ
Эксплуатация станков представляет собой систему мероприятий, включающую транспортирование и монтаж станков, настройку и наладку оборудования, контроль геометрической и технологической точности, уход и обслуживание.
Транспортирование станков необходимо осуществлять строго по инструкции, указанной в руководстве по эксплуатации. Перемещать
станки по цеху можно лишь волоком на листе или на специальной тележке. Тяжелые станки для удобства ремонта располагают в зоне действия подъемно-транспортных средств.
Станки нормальной точности, легкие и средние, устанавливают на общее бетонное полотно цеха с тщательной выверкой положения уровнем и регулировкой с помощью клиньев. Надежное крепление осуществляется посредством фундаментных болтов и заливкой основания станка бетоном.
Точные и тяжелые станки устанавливают на индивидуальные фундаменты. Также на индивидуальные виброизолирующие фундаменты ставят станки с большими динамическими нагрузками и повышенной вибрацией при работе, для того чтобы изолировать станок от другого оборудования и воспрепятствовать передаче колебаний через грунт. С той же целью станки устанавливают на виброизолирующие опоры.
Если станки транспортируют в частично разобранном состоянии, то после установки их монтируют. Выполняют заземление, подводят электропитание и, если необходимо, соединяют коммуникации центральной подачи смазывающе-охлаждающей жидкости, стружкоуда- ления, сети сжатого воздуха.
Наладку и настройку станков производят также в строгом соответствии с руководством по эксплуатации. Наладка — это совокупность операций по подготовке и регулированию станка, включающих настройку кинематических цепей, установку и регулирование приспособлений, инструментов, а также другие работы, необходимые для обработки деталей.
Настройка — это регулирование параметров машины в связи с изменением режима работы в период эксплуатации. Со временем настройка станка частично нарушается, и периодически требуется ее восстановление (подналадка).
На универсальных станках настройку режимов резания производит станочник непосредственно перед или во время обработки, устанавливая рукоятками частоту вращения шпинделя, подачу и глубину резания. На специальных и специализированных станках режимы резания устанавливаются заранее согласно карте наладки путем установки сменных колес в цепях главного движения и подач. Наладку завершают регулировкой инструментов на размер и пробными работами.
Геометрическую точность станков проверяют в соответствии с ГОСТами. Суть проверки заключается в контроле точности и взаимного расположения базовых поверхностей, формы тректории движения исполнительных органов (например, биение шпинделя), в проверке соответствия фактических перемещений исполнительного органа номиналу (например, точность позиционирования, кинематическая точность).
Технологическую точность, которая относится в большей степени к специальным и специализированным станкам и станочным системам, контролируют перед началом эксплуатации оборудования. Для этого на станке обрабатывают партию деталей, измеряют их и 412
с использованием методов математической статистики оценивают рассеяние размеров, вероятность выпадения размеров за пределы заданного допуска и другие показатели технологической точности.
Уход и обслуживание включает чистку и смазывание, осмотр и контроль состояния механизмов и деталей, уход за гидросистемой, системами смазывания и подачи СОЖ, регулировку и устранение мелких неисправностей. При эксплуатации автоматизированных станков применяют смешанную форму обслуживания: наладку производит наладчик, а подналадку — оператор. При этом функции оператора разнообразны: приемка заготовок и их установка, снятие готовых деталей, оперативное управление, периодический контроль деталей, смена или регулирование режущего инструмента, регулирование подачи СОЖ, контроль удаления стружки и др.
Уход за гидросистемой предусматривает контроль температуры масла, которая обычно не должна превышать +50 °C. Первую замену масла в гидросистеме, как правило, производят через 0,5—1 месяца работы, чтобы удалить продукты притирки механизмов. В дальнейшем замену масла производят через 4—6 месяцев. Необходимо систематически контролировать и поддерживать уровень масла, следить за состоянием трубопроводов, чтобы не было утечек и не попал воздух в гидросистему, регулярно проводить чистку фильтров.
Уход за электрооборудованием включает ежемесячную очистку аппаратов от пыли и грязи, подтягивание винтовых соединений, контроль плавности перемещений и надежность возврата подвижных частей электроаппаратов в исходное положение. Периодически смазывают приводы аппаратов тонким слоем смазочного материала, не допуская попадания его на контакты. Раз в полгода меняют полярность рабочих контактов у кнопок и выключателей, работающих в цепях постоянного тока, проверяют состояние контактов. При появлении пригара или капель металла на поверхности контактов их слегка зачищают бархатным надфилем (зачистка абразивными материалами недопустима).
Особенности эксплуатации станков обязательно указывают в инструкциях по использованию. Соблюдение инструкций обеспечит длительную, бесперебойную работу оборудования.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Вопросы рациональной эксплуатации автоматических линий из металлорежущих станков имеют особое значение, поскольку выход из строя только части оборудования ведет к простою всей линии и резкому снижению ее эффективности. Рациональная эксплуатация автоматических линий требует комплексного решения вопросов обслуживания, ремонта, контроля качества, управления и т. п.
Техническим обслуживанием автоматической линии называют все работы по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии, которые включают выполнение следующих мероприятий: снабжение линии заготовками, инструментом, оснасткой, маслами, СОЖ и т. д.;
уход за оборудованием; своевременное выявление и предупреждение неисправностей; устранение простейших отказов путем замены или восстановления отказавших деталей и сборочных единиц. Техническое обслуживание должно быть плановым, в противном случае резко возрастают отказы оборудования, снижается долговечность, растут производственные затраты. Основным документом, определяющим объем и последовательность работ технического обслуживания оборудования автоматических линий, является план-регламент.
Заготовки доставляются на линию в количестве, исключающем возможность простоя из-за их нехватки, в унифицированной оборотной таре, обеспечивающей использование погрузчиков и многоярусное хранение в штабелях и стеллажах.
Важную роль играет подготовка оснастки. Элементы оснастки, имеющие сравнительно небольшой срок службы (кондукторные втулки, фиксаторные пальцы, базовые планки и др.), проверяют ежедневно перед пуском линии; обычно они подлежат замене в плановом порядке. Для сокращения времени на настройку быстроизнашиваемых элементов применяют специальные наладочные приспособления вне линии.
Особую специфику имеет обеспечение автоматической линии инструментом, которая заключается в многочисленности типов и видов инструмента, одновременности работы большого числа единиц, значительном колебании и укорененности, чем у остального оборудования, периодов стойкости, ритмичностью и повторяемостью операций смены. Для сокращения простоев оборудования подналадку положения инструмента, как правило, производят в специальных приспособлениях, которые разрабатывают параллельно с проектированием инструментальной оснастки. Вне станка можно настраивать лишь быстросменный и взаимозаменяемый инструмент. Форма контактирующих с режущей кромкой поверхностей при настройке должна соответствовать форме обрабатываемой поверхности, а твердость должна быть равной или лишь на две-три единицы HRC ниже твердости режущей части настраиваемого инструмента.
Замену изношенного инструмента на новый производят по следующим основным признакам (критериям): подход фактического размера изделий к заданной границе поля допуска; силы резания или крутящий момент, которые регистрируются специальными встроенными датчиками, превышают норму; поломка инструмента; число выполненных инструментов циклов достигло нормы или необходимость его замены согласно графикам принудительной замены. Другие критерии затуплении (например, цвет сходящей стружки, скрип илисвист, вид обработанной поверхности) в условиях автоматизированного производства имеют второстепенное значение и помогают наладчику судить о необходимости замены инструмента лишь в дополнение к основным.
Для перетачиваемого инструмента автоматической линии в целях повышения надежности и размерной стойкости нормы износа несколько меньше, чем для инструмента, применяемого на универсальном оборудовании. Принудительная замена инструмента вводится
после установления периодов стойкости и исходя из периодичности доставки инструмента к рабочим местам.
Автоматическую линию делят на зоны обслуживания между наладчиками. Для каждой зоны корректируют значения периодов стойкости отдельных инструментов исходя из конкретных условий эксплуатации и устанавливают их средние значения; инструмент делят на группы по периодам стойкости и составляют графики принудительной замены. По уточненным периодам стойкости устанавливают нормы расхода инструмента и нормы запаса в инструментальной кладовой.
Обслуживание гидросистемы и системы смазывания оборудования автоматических линий заключается в замене отработанных масел, пополнении масла в резервуарах, проверке и чистке систем и пр. Новейшие автоматические линии имеют централизованные проточные системы смазывания различных конструкций с активным контролем процесса смазывания, подачей регламентированного количества смазочного материала и регулированием периодичности подачи. В автоматическом режиме работы системы смазывания интервал времени между двумя очередными импульсами подачи масла выбирается таким, чтобы к моменту последующего импульса на трущихся поверхностях сохранилась смазка.
Обслуживание автоматической линии предусматривает также уход за системой подачи СОЖ, уборку стружки, чистку оборудования, уборку территории вокруг автоматической линии и-др.
Во время работы автоматической линии обслуживающий персонал осуществляет активное наблюдение за состоянием оборудования, получая информацию о состоянии линии и принимая меры к недопущению отказа, а при его возникновении — остановке оборудования. Наладчик обязан постоянно следить за сигналами ламп, пультов и т. п., за состоянием механизмов станков и транспортных устройств, проверяя их нормальное функционирование; периодически контролировать состояние рабочих кромок инструментов и качество обрабатываемых изделий; следить за работой гидросистемы, периодически проверяя давление и температуру жидкости, отсутствие утечек; постоянно наблюдать за правильностью отвода стружки; следить за подачей СОЖ, особенно за направлением струи;'периоди- чески контролировать заполнение накопителей и длительность цикла оборудования.
Для облегчения контроля за состоянием оборудования в автоматических линиях широко применяют различные методы диагностирования. В качестве информационных диагностических устройств используют устройства, фиксирующие фактическое состояние контролируемого элемента и передающие информацию на табло.
Эффективная эксплуатация линии требует повышения надежности и точности информации, на основании которой принимают решения по управлению работой и эксплуатацией. Увеличение численности обслуживающего персонала не улучшает качество решения задач управления линий, поэтому для сбора и переработки информации об эксплуатации линии и управления ею возникает необходимость ис-
пользования вычислительной техники, которая позволяет оперативно' 4 приспосабливать систему эксплуатации в зависимости от фактиче- я ского состояния оборудования даже при условии недостаточно пред- 1 ставительной статистики об интенсивности отказов, о стоимости и Я продолжительности работ по техническому обслуживанию.1
Автоматизированная система управления эксплуатацией автома- J тической линии с использованием ЭВМ решает следующие задачи: управление циклами работы оборудования; учет простоев; контроль '3 за временем цикла работы и определение неисправностей оборудова- | ния; учет выпуска годной и бракованной продукции по линии и от- | дельным машинам; формирование и выдача информации по управле- ] нию запасами заготовок, инструмента, масел и т. д.; контроль состоя- | ния и смены инструмента; формирование долговременной ннформа- | ции для проведения обслуживания, производства и ремонта обору- | дования; подготовка, передача и обмен информацией с автоматизи- I рованной системой управления производством (АСУП).|
ОРГАНИЗАЦИЯ РЕМОНТА|
Постепенное изнашивание металлорежущих станков в про- Я цессе эксплуатации проявляется в снижении точности обработки, 1 появлении повышенного шума, возникновении неполадок и отказов. 1 Поддержать станки в работоспособном состоянии и восстановить Я утраченные в процессе эксплуатации технические показатели можно Я только при периодическом осмотре и ремонте.Я
Ремонт по потребности (т. е. ремонт при остановках, обусловлен- Я ных поломкой какой-либо из деталей механизмов) — устаревшая Я форма обслуживания. Недостатки ее: внезапность выхода оборудова- Я ния из строя, приводящая к нарушению нормального хода произ- Я водства и наносящая большой ущерб производству; чрезмерный из- 1 нос оборудования повышает стоимость ремонта и снижает его ка- 1 чество.Я
На всех промышленных предприятиях нашей страны действует | система планово-предупредительного ремонта. Эта система разра- Я ботана в нашей стране и получила признание за рубежом. Сущность Я системы планово-предупредительного ремонта оборудования заклю- Я чается в том, что через определенное число отработанных часов каж- I дого агрегата производят профилактические осмотры и различные Я виды плановых ремонтов этого агрегата. Основной задачей системы! является удлинение межремонтного срока службы оборудования, ■ снижение расходов на ремонт и повышение качества ремонта. I
Существует три разновидности планово-предупредительного ре-1 монта.Я
Метод послеосмотровых ремонтов — планируют не ремонты, ■ а лишь периодические осмотры. Если при очередном осмотре выяс- Я няется, что станок не проработает нормально до следующего осмотра, ■ то назначают ремонт к определенному сроку. Это дает возможность ■ подготовиться к ремонту, выполнить его быстрее и качественнее.Я Недостаток метода — отсутствие планирования, что может привести! 416!
-к-нерегрузке работников ремонтной службы в одни периоды и незанятости — в другие.
Метод периодических ремонтов — для каждого станка составляют план с указанием сроков и объема ремонтных работ. Допускается корректировка плана с учетом фактических результатов осмотров, что делает систему ремонтов гибкой, обеспечивая наиболее рентабельное использование технологического оборудования за срок его службы. Это наиболее распространенный вид планово-предупредительного ремонта.
Метод принудительных ремонтов — обязательный ремонт оборудования в установленные сроки. Ремонт производят по заранее разработанной технологии с обязательной заменой или восстановлением всех намеченных деталей и узлов. Метод целесообразен только на участках с однотипным оборудованием и стабильным режимом работы (поточные линии, энергетическое оборудование).
Периодические осмотры проводят слесари-ремонтники согласно плану ремонта. При этом проверяют работу всех механизмов, производят их регулировку, выявляют состояние и степень износа узлов. Станки, работающие в условиях сильного загрязнения, промывают при частичной разборке. Станки повышенной точности проверяют на точность. При осмотре выявляют все дефекты и неисправности оборудования, но устраняют только такие, наличие которых не позволяет нормально эксплуатировать оборудование до ближайшего планового ремонта. Остальные дефекты подлежат устранению при ближайшем плановом ремонте. Осмотры производят, как правило, в нерабочее время.
Периодический ремонт может быть текущим средним и капитальным. Текушдй ремонт — это минимальный по объему вид планового ремонта, при котором заменой или восстановлением небольшого числа изношенных деталей, срок службы которых равен межремонтному периоду или меньше его, и регулированием механизмов обеспечивается нормальная эксплуатация станка до очередного планового ремонта. При текущем ремонте производят очистку гидросистемы и смену масла.
Средний ремонт — это плановый ремонт, включающий операции текущего ремонта и дополнительные мероприятия по восстановлению предусмотренных ГОСТами или техническими условиями точности, мощности и производительности оборудования на срок до очередного среднего или капитального ремонта. При среднем ремонте заменяют изношенные детали, срок службы которых равен или меньше межремонтного периода или периода между двумя средними ремонтами. При этом обязательно проводят проверку на точность.
Капитальный ремонт — это наибольший по объему вид планового ремонта, при котором производят полную разборку станка, ремонт базовых деталей (станин, кареток и т. д.), замену и восстановление всех изношенных деталей и узлов в целях возвращения агрегату первоначальных точности, мощности и производительности. При капитальном ремонте, как правило, производят модернизацию оборудова-
П/Р В. Э. Пуша 417
ния. Из капитального и среднего ремонта оборудование принимает представитель ОТК.
В настоящее время в связи с повышением долговечности станков намечается переход к двухвидовой системе ремонта, включающей текущий и капитальный ремонты.
Кроме периодических плановых ремонтов может быть неплановый ремонт, .который не предусмотрен графиком и вызван аварией оборудования. При хорошо орг анизованной на предприятиях системе планово-предупредительного ремонта внеплановые ремонты; как правило, не должны иметь места.
Период между двумя капитальными ремонтами (или от ввода в эксплуатацию до первого капитального ремонта) называют ремонтным циклом, а период времени между двумя очередными плановыми ремонтами — ремонтным периодом. Структура ремонтного цикла, т. е. порядок расположения и чередования ремонтов и осмотров, может быть разной в зависимости от культуры производства и состояния оборудования. Для металлорежущих станков легких и средних (массой до 10 т) рекомендуется следующая структура ремонтного цикла:
К—О—М—О—М—О—С—О—М—О—М—О—С—о—м—о—м—о—к,
где К — капитальный ремонт; С — средний ремонт; М — текущий ремонт; О — осмотр.
Автоматические линии нуждаются в более частых профилактических осмотрах, поэтому их число в структуре ремонтного цикла удваивается. Для крупных станков массой от 10 до 100 т рекомендуются еще более частые профилактические мероприятия, предупреждающие преждевременный выход оборудования из строя. Число осмотров равно 27.
Продолжительность ремонтного цикла определяется классом точности станка, условиями работы (запыленность воздуха, твердость обрабатываемого материала, наличие абр'азивного материала и пр.), характером производства и, наконец, сроком службы тех основных механизмов и деталей станка, замена или ремонт которых могут быть выполнены во время его полной разборки. Средняя продолжительность ремонтного цикла для легких и средних станков составляет, по данным ЭНИМСа, около 30 000 рабочих часов. При этом ремонтный цикл для двухсменной работы будет 90 месяцев, период между промежуточными ремонтами (ремонтный период) — 10 месяцев, между осмотрами — 5 месяцев.
Трудоемкость и степень сложности ремонта станков, которые зависят от конструктивных (компоновка, кинематическая схема, устройство механизмов, масса и пр.) и технологических (точностные параметры, ремонтопригодность) особенностей, оцениваются категорией сложности ремонта. Чем сложнее станок, тем выше категория сложности ремонта. За эталон принят токарно-винторезный станок 16К20 с высотой центров 200 мм и межцентровым расстоянием 1000 мм. Ему присвоена 11-я категория сложности.
Номер категории сложности ремонта равен числу единиц ремонтной сложности, которые характеризуют объем работ при капитальном ремонте. Одна единица ремонтной сложности для механической части станков составляет 35 ч, из которых 23 ч выделяется на слесарные работы, 10 ч — на станочные и 2 ч — на прочие работы (сварочные, малярные и т. п.). Единица ремонтной сложности электротехнического оборудования станков составляет 15 ч (11 ч — электрослесарные работы, 2 ч — станочные, 2 ч — прочие).
В зависимости от категории ремонтной сложности определяется время простоя оборудования в ремонте, которое исчисляется с момента остановки станка на ремонт до момента приемки его из ремонта контролером ОТК. Так, время на капитальный ремонт оборудования составляет I рабочий день на 1 единицу ремонтной сложности;
Рис. 20.1. Съемники:
Длядемонтажа штифтов с резьбой; б — для демонтажа подшипников, колец, втулок» 1 штифт; 2 — груз; 3 — упор; 4 — деталь, расположенная за подшипником (втулка)» 5 — захват; 6 — винт
на средний ремонт 0,6 рабочего дня; на мелкий — 0,25. Эти нормы составлены исходя из односменной работы ремонтных бригад и не зависят от сменности работы станка до его остановки на ремонт. Рекомендуемый состав ремонтной бригады: для оборудования 1—6 категории сложности — два слесаря; 7—15 категории сложности — три слесаря; 15—25 категории сложности — четыре слесаря.
Перед разборкой необходимо проверить станок на геометрическую точность и записать все отклонения. Разборку производят по узлам. Если нет кинематической схемы станка, в процессе работы составляют такую схему, кроме того, составляют список обнаруженных дефектов. /l
Детали, положение которых в узле должно быть строго определенным (кулачки, муфты, гидрораспределители и пр.), необходимо маркировать. Для этого применяют электрограф, ударное и кислотное клеймо.
Удаление штифтов с резьбовым концом производят навертыванием гайки на резьбу, а штифты с резьбовым отверстием выбивают с помощью ударного приспособления (рис. 20.1, а). Тугие соединения разбирают под прессом или с помощью съемника. Применяют для разборки и молотки с медными ударными частями, или же удары наносят через медный стержень. При демонтаже иногда применяют подогрев охватывающей детали, например горячим маслом. Для лучшей разборки соединенные детали полезно поместить на 8—10 ч в керосин. При демонтаже подшипников силу прикладывают к коль-
цу, посаженному с натягом. Чаще всего применяют съемники сйа- жимом на детали, расположенные за подшипником (рис. 20.1,6).
Детали после разборки промывают в керосине или бензине. Промытые детали вытирают насухо. Для экономии керосина применяют ванну, заполненную снизу водой, а сверху керосином. Грязь, оставшаяся после промывки, удаляется с водой, а керосин загрязняется меньше. Для горячей промывки используют ванны с паровым антикоррозионным раствором. Их преимущество — пожарная безопасность.
ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ
Срок службы станков в основном определяется изнашиванием, при котором происходит утрата механизмом первоначальных эксплуатационных качеств. Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела, необратимый процесс изменения деталей во время эксплуатации. При этом, как правило, изменяется форма, размеры и состояние рабочих поверхностей деталей. В зависимости от условий работы одни детали изнашиваются быстрее, другие медленнее. Различают следующие основные виды изнашивания: механическое, при заедании и окислительное.
Механическое изнашивание — изнашивание в результате механических воздействий. При этом происходит истирание (срезание) поверхностного слоя металла у совместно работающих деталей. Механическое изнашивание часто усугубляется наличием абразивной пыли, твердых частиц, стружки, продуктов изнашивания; при этом трущиеся поверхности дополнительно разрушаются за счет царапания.
Износ и характер изнашивания деталей зависят от физико-механических свойств верхних слоев металла, условий работы сопрягаемых поверхностей, давления, относительной скорости перемещения, условий смазывания, параметров шероховатости трущихся поверхностей и др. Если взаимодействие деталей происходит без относительного перемещения, то возможно смятие металла, что характерно для шлицевых, шпоночных, резьбовых и других соединений.
Во время работы многие детали станков, например, валы, зубья зубчатых колес, шатуны, подшипники, пружины и т. д., подвергаются длительному воздействию переменных нагрузок, которые гораздо сильнее снижают прочность деталей, чем статические нагрузки. Циклические нагрузки вызывают усталостное изнашивание и разрушение деталей. При этом получается характерный вид изнашивания с двумя зонами — зоной развивавшихся трещин и зоной, по которой произошел излом. Поверхность первой зоны гладкая, а поверхность второй — с раковинами или зернистая. Такой излом говорит о том, что причиной поломки является усталость. Для предотвращения разрушения от усталости необходимо правильно выбрать размеры поперечного сечения вновь изготавливаемой или ремонтируемой детали, выполнять ее по возможности так, чтобы не было рез-
ких переходов от одного размера к другому. Следует учитывать, что грубо обработанная поверхность, наличие рисок и царапин могут стать причинами возникновения усталостных трещин.
Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания одной поверхности с другой, глубинного вырывания материала. Происходит это при недостаточной смазке и значительном удельном давлении, когда две поверхности сближаются настолько плотно, что начинают действовать молекулярные силы. Схватывание происходит также при высоких скоростях скольжения и высоком давлении, когда температура трущихся поверхностей высока.
Окислительное изнашивание проявляется обычно у деталей станков, испытывающих непосредственное действие воды, воздуха, химических веществ и температуры. Непостоянство температуры воздуха в производственном помещении приводит к тому, что при ее повышении содержащиеся в воздухе водяные пары, соприкасаясь с более холодными металлическими деталями, осаждаются на них в виде конденсата. Это вызывает коррозию металла, т. е. соединение металла с кислородом воздуха. Под влиянием коррозии в металлических деталях образуются глубокие разрушения, материал теряет механическую прочность. Эти явления наблюдаются, в частности, у деталей шлифовальных, электрохимических и других станков, работающих с водоэмульсионными охлаждающими жидкостями.
Обычно коррозионный износ сопровождается механическим воздействием из-за сопряжения одной детали с другой. В этом случае происходит так называемое коррозионно-механическое изнашивание.
Об изнашивании деталей станка можно судить по характеру их работы. Например, повышенный шум в зубчатых передачах — признак изнашивания профиля зубьев. Изнашивание шлицевых и шпоночных соединений проявляется в виде глухих и резких толчков каждый раз, когда изменяется направление вращения или прямолинейного движения. По шуму можно оценить и состояние узлов с подшипниками качения. Диагностирование проводят с помощью специального прибора — стетоскопа. При его отсутствии можно воспользоваться металлическим прутком, который прикладывают закругленным концом к уху, а заостренным — к месту, где находится подшипник. При нормальной работе слышен слабый шум, равномерное тонкое жужжание. Резкий (звенящий) шум или свист указывают на то, что в подшипнике нет смазки, шарики или ролики защемлены между беговыми дорожками внутреннего и наружного колец. Гремящий шум (частные звонкие стуки) свидетельствует о том, что на телах качения или кольцах появились «язвины» или в подшипник попала абразивная пыль или грязь. Глухие удары говорят об ослаблении посадки подшипника на валу и в корпусе.
Изнашивание в сборочных единицах станка можно установить не только на слух, но и по виду поверхностей, обработанных на этом станке. Например, появление на детали, обрабатываемой на токар- ном-станке, кольцевых выступов или впадин через равные промежутки свидетельствует об износе зубьев реечного колеса и рейки; движение суппорта вместо плавного становится прерывистым. Этот де-
фект часто вызывается также изнашиванием направляющих станины и каретки суппорта, нарушающим соосность отверстии фартука и коробки подач, через которые проходит ходовой нал, и изменяющим, кроме того, зазор в реечной передаче.
Увеличенный «мертвый» ход рукояток винтов свидетельствует об. изнашивании резьбы винтов и гаек. В данном случае под. мертвым ходом понимают некоторый свободный угол поворота рукоятки, прежде чем начнет двигаться соединенная с ней деталь.
Для оценки износа поверхностей трения базовых деталей станков рекомендуется метод «искусственных баз». Этот метод заключается в том, что на изнашиваемые поверхности заранее наносят
Рис. 20.2. Схемы нанесения отпечатка (а) и лунки (б) для определения износа направляющих.: 1 — алмазнаяпирамида;2 — отпечаток;3 — резец;4 — лункаРис. 20.2. Схемы нанесения отпечатка (а) и лунки (б) для определения износа направляющих.: 1 — алмазнаяпирамида;2 — отпечаток;3 — резец;4 — лунка
Рис. 20.2. Схемы нанесения отпечатка (а) и лунки (б) для определения износа направляющих.: 1 — алмазнаяпирамида;
2 — отпечаток;3 — резец;
4 — лунка
Рис. 20.2. Схемы нанесения отпечатка (а) и лунки (б) для определения износа направляющих.: 1 — алмазнаяпирамида;
2 — отпечаток;3 — резец;
4 — лунка
лунки определенной формы (рис. 2Q.2). На изменение режима трения они практически влияния не оказывают, поскольку их размеры таковы: глубина 50—75 мкм, длина 1,7—2 мм, расстояние между лунками 100—200 мм. Лунки на поверхности трения, делают либо вдавливанием алмазной пирамиды (способ отпечатков), либо вращающимся твердосплавным роликом (способ «вытирания»). Второй способ лучше, так как по сторонам лунки не происходит вспучивания металла и это позволяет производить измерения более точно. По изменению размера лунки, т. е, по уменьшению ее глубины за время работы станка между измерениями, судят о величине износа. Глубина лунки
h = Z2/8r,
где I — длина лунки; г— радиус кривизны углубления.
Лунки по способу «вытирания» можно наносить с помощью прибора ПВЛ-2 конструкции ЭНИМСа (рис. 20.3). Его включают в осветительную сеть станка и устанавливают на изнашиваемую поверхность базовой детали таким образом, чтобы ролик 1, закрепленный на оправке 2, являющейся продолжением вала электродвигателя 3, соприкасался с участком поверхности, на которую должна быть нанесена лунка. Одним из выключателей 9 включают лампу осветителя 7 и электромагнит 8, который жестко фиксирует положение
Прибора на поверхности. Затем наносят две-три капли окислителя (1 %-ного раствора К/>04 в воде). Вторым выключателем 9 включают электродвигатель 3. Рукояткой 6 приближают ролик / к поверхности базовой детали и подают его при «вытирании» лунки.
Длину ! лунок измеряют прибором МИБ-2 конструкции ЭНИМСа, представляющим собой отсчетный микроскоп с микрометрическим винтом.
На направляющие лунки наносят посередине, в направлении, перпендикулярном движению по ним, чтобы при изнашивании поверхности концы лунок оставались четкими.
/ 2 3 45/ 2 3 45Допустимый износ направляющих станин токарно-винторезных и консольно-фрезерных станков нормируют в зависимости от требуемой точности обработки и размеров детали. Если износ направляю-
/ 2 3 45
/ 2 3 45
Рис. 20.3. Прибор для нанесения лунок на направляющие станков: 1 — р0л»к из 1псурошковог0 материала; 2 — оправка; 3 — гэлектро- двигатель; 4 — ось; 5 — кронштейн; *6 — рукоятка; 7 — освегмязель; 8 — электромагнит; 9 — выключатель
щих превышает 0,2 мм, циброустойчивость станка значительно снижается, и, хотя по условиям обеспечения заданной точности деталей допустимо продолжение эксплуатации станка, приходится останавливать его на капитальный ремонт в связи с ухудшением качества поверхности обработанных деталей (следы вибрации) или с потерей производительности.
Допустимый износ направляющих продольно-строгальных и продольно-фрезерных станков
^ = 6 (Ц/^
где 6 — погрешность обработки на станке (допуск на деталь), мм; Lo — длина направляющих станины, мм; Lx — длина обрабатываемой детали, мм.
Для плоских направляющих износ равен расстоянию от некоторой условной прямой, проходящей через точки на неизношенных концах направляющих, до изношенной поверхности. Для станков с V-образными или треугольными направляющими с углом основания а допустимый износ
U™™ = 5 cos а (ZVLJ2.
В автоматических линиях, наряду с методом «искусственных баз», из-за большого количества контролируемого оборудования и ограниченного доступа к трущимся поверхностям для оценки износа применяют метод поверхностной активации. Рабочие участки направляющих станков, шпиндельных узлов, зубчатых и червячных передач,- винтовых передач и других ответственных механизмов подвергают поверхностной активации в циклотронах пучком ускорен-
ных заряженных частиц (протонов, дейтронов, альфа-частиц). Глубина активированного слоя должна соответствовать предполагаемой величине линейного износа детали. Для крупногабаритных деталей используют предварительно активированные специальные вставки. О величине износа активированных поверхностей судят, периодически измеряя энергию излучения.
Одна из основных мер борьбы с изнашиванием деталей станков — смазывание трущихся поверхностей. При этом поверхности во время работы разделяются смазкой, и мельчайшие неровности (шероховатости), коТорые имеются на этих поверхностях, -не соприкасаются между собой. Циркуляционное смазывание хорошо отводит тепло и уносит частицы металла, а также предохраняет детали от коррозии.
СПОСОБЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Дефекты, возникающие в процессе эксплуатации оборудования, можно разделить на три группы: изнашивание, сюда же относятся царапины, риски, надиры; механические повреждения (трещины, выкрашивание зубьев, поломки, изгибы и скручивания); химико-тепловые повреждения (коробление, раковины, коррозия). Большинство крупных и средних механических дефектов обнаруживают при внешнем осмотре. В некоторых случаях проверку осуществляют с помощью молотка. Дребезжащий звук при обстукивании детали молотком свидетельствует о наличии в ней значительных трещин.
Для обнаружения мелких трещин можно использовать различные методы дефектоскопии. Наиболее простые капиллярные методы. Если, например, опустить деталь на 15—30 мин в керосин, то при наличии трещин жидкость проникает в них. После тщательной протирки, поверхности детали покрывают тонким слоем мела; мел поглощает керосин из трещин, в результате чего на поверхности появляются темные полосы, указывающие местонахождение дефекта. Для более точного обнаружения трещин применяют жидкости, которые светятся при облучении ультрафиолетовыми лучами (капиллярный люминесцентный метод). Такой жидкостью является, например, смесь из 5 частей керосина, 2,5 частей трансформаторного масла и 2,5 частей бензина. Деталь погружают на 10—15 мин в жидкость, затем промывают и просушивают, после чего облучают ультрафиолетовыми лучами (ртутно-кварцевой лампой). В местах трещин появляется светло-зеленое свечение.
Трещины обнаруживают также методами магнитной дефектоскопии. Деталь намагничивают и смачивают магнитной суспензией (порошок окиси железа, размешанный в масле, керосине или водномыльном растворе). В местах трещин образуются скопления порошка (рис. 20.4, а). Продольные трещины обнаруживают при прохождении магнитных линий по окружности детали (рис. 20.4, б), а поперечные трещины — при продольном намагничивании, когда магнитные линии проходят вдоль оси детали (рис. 20.4, в).
/Дефекты, расположенные внутри материала, обнаруживают рентгеноскопическим методом. Рентгеновские лучи, проходя через проверяемую деталь, попадают на чувствительную пленку, на которой пустоты проявляются как более темные пятна, а плотные инородные включения — как более светлые пятна.
В настоящее время распространен ультразвуковой метод обнаружения трещин и других скрытых дефектов. К исследуемой детали прикладывают ультразвуковой зонд, основной частью которого является кристаллический ■ генератор механических колебаний высокой частоты (0,5—10 МГц). Эти колебания, проходя через материал детали, отражаются от внутренних границ (внутренних трещин, поверхностей разрыва, раковин и т. д.) и попадают обратно в зонд. Прибор регистрирует время запаздывания отраженных волн относительно излученных. Чем больше это время, тем больше глубина,
8)
Рис. 20.4. Магнитная дефектоскопия:
а — скопление магнитного порошка у трещины; б — схема ротационного намагничивания? в — схема продольного намагничивания
на которой расположен дефект. Для лучшей передачи колебаний от зонда к исследуемой детали последнюю обычно помещают в жидкость (воду, масло и т. п.).
Многократное использование изношенных деталей станков может быть осуществлено такими методами, как восстановление первоначальных размеров, перевод их в очередной ремонтный размер, и с помощью деталей-компенсаторов.
Восстановление деталей и механизмов станков осуществляют следующими методами. Обработка резанием — метод ремонтных размеров — применяют для восстановления точности направляющих станков, изношенных отверстий или шеек различных деталей, резьбы ходовых винтов и др. Из двух, как минимум, сопряженных деталей ремонтируют более дорогую, трудоемкую и металлоемкую деталь, а заменяют более дешевую. Изношенные места деталей переводят при соответствующей.обработке (токарной, строгальной, шлифовальной и т. д.) в следующий ремонтный размер.
Ремонтным называют размер, до которого обрабатывают изношенную поверхность при восстановлении детали. Различают свободные и регламентированные размеры. Свободные ремонтные размеры — это такие размеры, величина которых не устанавливается заранее, а получается непосредственно в процессе обработки, когда будут удалены следы изнашивания и восстановлена форма детали. К полученному размеру подгоняют соответствующий размер сопряженной
детали методом индивидуальной пригонки. При этом невозможно заранее изготовить запасные части в окончательно обработанном виде, что является недостатком системы свободных ремонтных размеров. Регламентированный ремонтный размер — это заранее установленный размер, до которого ведут обработку изношенной поверхности при ее исправлении. При этом запасные части можно изготовлять заранее, появляются условия для применения метода взаимозаменяемости при ремонте и ускоряется ремонт. Основными данными при расчете регламентированных ремонтных размеров являются износ за межремонтный период и припуск на обработку. Конечный ремонтный размер устанавливают из условий прочности, долговечности и конструктивных особенностей сопрягаемых деталей.
При ремонте направляющих станков путем перевода в новый ремонтный размер нарушенную размерную цепь с каретками суппортов или другими сборочными единицами восстанавливают постановкой деталей-компенсаторов.
Сваркой исправляют детали с изломами, трещинами, сколами, Наплавка является разновидностью сварки и заключается в том, что на изношенный участок наплавляют присадочный материал. Применение для наплавки металлов более износостойких, чем основной материал деталей, а также твердых сплавов дает возможность не только многократно использовать детали, но и резко повышать срок их службы. Однако при восстановлении деталей сваркой и наплавкой необходимо учитывать возможность возникновения деформаций (коробления) и внутренних напряжений в деталях из-за неравномерного нагрева.
Для'ремонта стальных деталей чаще применяют дуговую сварку металлическими электродами. Свариваемость стали зависит от ее химического состава, т. е. содержания углерода и легирующих элементов, таких, как хром, марганец, никель и др. С увеличением их количества свариваемость ухудшается. Хорошо свариваемые стали можно наплавлять или сваривать в обычных производственных условиях без предварительного нагрева и без последующей термической обработки. Стали с ограниченной и тем более плохой свариваемостью могут давать трещины в зоне сварки, поэтому рекомендуется детали из них перед сваркой отжигать при температуре 500—600 °C, а по окончании сварки подвергать закалке и отпуску.
При восстановлении деталей из чугуна, а также из углеродистых сталей толщиной менее 3 мм, используют в основном газовую сварку. Сварку чугуна ведут кислородно-ацетиленовым пламенем с некоторым избытком ацетилена (пламя получается восстановительное). При этом используют чугунный присадочный материал в виде прутков с повышенным содержанием углерода и кремния, так как эти элементы в процессе сварки частично выгорают. Для предохранения расплавленного материала от окисления применяют флюсы, а если
есть условия, то сварку ведут в среде инертного газа.
Детали из серого чугуна можно сваривать с предварительным общим нагревом, с местным подогревом или без подогрева. Сварку с предварительным подогревом до 500—700 °C условно называют
горячей, с нагревом до 250—450 °C — полугорячей, а без подогрева — холодной. Лучшие результаты дает горячая сварка.
Широкое распространение получил способ восстановления деталей из,чугуна методом сварка — пайка латунной проволокой и прутками из медно-цинковых оловянных сплавов. Этот способ не требует нагрева свариваемых кромок до расплавления, а лишь до температуры плавления припоя.
Ковкий чугун плохо поддается сварке обычными методами, поэтому детали из него восстанавливают с применением латунных электродов или электродов из монель-металла, т. е. сплава никеля с медью, железом и марганцем. Монель-металл обладает высокой коррозионной стойкостью и механической прочностью.
Для высококачественной сварки необходима соответствующая подготовка свариваемых поверхностей и режим охлаждения. Крупные детали охлаждают вместе с печью, мелкие помещают в сухой горячий песок или золу, так как при быстромохлаждении образуется твердый и хрупкий отбеленный чугун. Неравномерное охлаждение приводит к возникновению внутренних напряжений и появлению трещин.
Металлизация заключается, в расплавлении металла и распылении его струей сжатого воздуха на мелкие частицы, которые внедряются в неровности поверхности, сцепляясь с ними. Металлизации могут быть подвергнуты детали из различных материалов, работающих при спокойной нагрузке. Отсутствие нагрева металлизуемой детали предупреждает появление каких-либо внутренних напряжений и короблений. Металлизацией может быть наращен слой от 0,03 до 10 мм и выше.
Металлизационные установки могут быть газовые (металл плавится в пламени газовой горелки) и дуговые. Схема дугового метал- лизатора показана на рис. 20.5. В его корпусе установлены катушки с проволокой 3, которая подается медленно вращающимися роликами 5. Электрический ток подводится к проволоке ио проводам 6. В зоне сближения обеих проволок возникает электрическая дуга,
деталей) и пр. Нанесенный слойдеталей) и пр. Нанесенный слойРис. 20.6. Хромирование крупных детален с помощью переносных ванн:
деталей) и пр. Нанесенный слой
деталей) и пр. Нанесенный слой
1 — деталь; 2 — электролит; цовые аноды; 4 — защитная
5 — целлулоид; 6 — клей
3 -т свин- жидкость;3 -т свин- жидкость;выбра- ,выбра- ,расплавленный металлрасплавленный металлсывается на деталь /. струей сжатого воздуха, поступающего по трубе 4.
3 -т свин- жидкость;
3 -т свин- жидкость;
выбра- ,
выбра- ,
расплавленный металл
расплавленный металл
Поверхность под металлизацию предварительно обезжиривают; она должна быть шероховатой, что достигается пескоструйной обработкой, насечкой зубилом, нарезкой мелкой резьбы (для круглых 2 является пористым, прочность
сцепления его достаточна для обработки резанием, но недостаточна при динамических и ударных нагрузках. Пористость нанесенного слоя повышает износостойкость металлизированной поверхности за счет лучшего удержания смазочного материала и понижения коэффициента трения.
Хромирование представляет собой процесс восстановления изношенной поверхности детали осаждением хрома электролитическим ? Рутем. Хромированные поверхности детали обладают повышенной твердостью и износостойкостью, но плохо переносят динамические нагрузки. Хромирование является менее универсальным процессом по сравнению с металлизацией из-за небольшой толщины (до 0,1 мм) наращиваемого слоя хрома (при увеличении толщины слоя качество его ухудшается), а также из-за плохого покрытия хромом деталей сложной конфигурации. Но оно имеет бесспорное преимущество ” перед другими методами восстановления размеров деталей.
Наращенный слой хрома после частичного изнашивания может быть легко удален гальваническим путем (дехромированием), и, таким образом, детали могут быть многократно восстановлены без изменения размеров. Применение размерного хромирования позволяет упростить процесс обработки за счет устранения окончательного шлифования. И, наконец, процесс происходит при низких температурах, поэтому не нарушается структура основного металла.
Хромирование успешно применяют для восстановления крупных деталей, которые не могут быть помещены в хромировочные ванны - или когда из-за больших площадей требуется слишком большая ; сила тока. Применение в таких случаях переносных ванн, непосредственно охватывающих хромируемые поверхности детали (рис. 20..6), или последовательное хромирование поверхности крупных деталей отдельными поясами успешно разрешают эту проблему.
Прочие методы ремонта. Все многообразие методов ремонта не- ; возможно рассмотреть в объеме учебника, поэтому рассмотрим ' только некоторые из них. Сломанный вал (рис. 20.7, а) можно вос- 428
стднавливать путем запрессовки новой части на старую с установкой штифта (рис. 20.7, б) или методом сварки с последующим обтачиванием сварочного шва (рис. 20.7, в).
Изношенную резьбу в корпусной детали (рис. 20.7, г) рассверливают и развертывают, в полученное отверстие запрессовывают резьбовую втулку, которую при необходимости фиксируют стопорным винтом (рис. 20.7, д). Аналогичным образом поступают при ремонте гладких отверстий.
Рис. 20.7. Методы восстановления деталейРис. 20.7. Методы восстановления деталей*)*)
Рис. 20.7. Методы восстановления деталей
Рис. 20.7. Методы восстановления деталей
*)
*)
Точную посадку по боковым сторонам изношенного шлицевого вала (рис. 20.7, е) можно восстановить, если после отжига вала расширить шпонки ударами керна с последующей закалкой и шлифованием боковых сторон.
Внутренний диаметр бронзовой втулки (рис. 20.7, ж) можно уменьшить с размера di до d2 путем осадки, т. е. уменьшить ее высоту при неизменном наружном диаметре. Осадку производят под прессом. ' ‘
Применение того или иного метода ремонта диктуется техническими требованиями на деталь и обусловлено экономической целесообразностью, зависит от конкретных условий на производстве, от наличия необходимого оборудования и сроков ремонта.
Завершающим этапом ремонта металлорежущего оборудования является его сборка, регулировка и испытание. Собирают станок из сборочных единиц и механизмов, причем наиболее рациональным является метод параллельной сборки нескольких сборочных единиц станка группой слесарей, что значительно сокращает время простоя оборудования в ремонте. Например, общую сборку токарного станка целесообразно начать с установки каретки суппорта на восстановленные направляющие станины. Прикрепив к ней прижимные планки, добиваются плавного перемещения каретки по направляющим.
После этого параллельно монтируют переднюю бабку, коробку подач, фартук, ходовой винт и валы. Переднюю бабку необходимо установить так, чтобы ось шпинделя была параллельна направляющим станины. Контролируют это с помощью контрольной оправки, установленной в шпинделе, и индикатора, закрепленного на суппорте. Перемещая суппорт, наблюдают за отклонениями стрелки индикатора. Проверку производят в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При отклонениях выше нормы опорные поверхности подшабривают. Выверяют также соосность осей ходового винта и отверстий, через которые он проходит. Отклонение от соосности устраняют постановкой накладок-компенсаторов на направляющие каретки либо водшабриваннем поверхностей. Аналогично поступают и с ходовым валом.
После установки и выверки упомянутых сборочных единиц устанавливают главный электродвигатель и регулируют ременную передачу, монтируют двигатель быстрых перемещений суппорта, заливают в резервуары коробки передач масло, устанавливают кожухи и т. д. После этого можно включать станок и производить предварительную обкатку. Цель обкатки — выявить возможные дефекты сборки и дать приработаться сопрягаемым поверхностям трения.
Обкатку вначале ведут на холостом ходу и на самых малых скоростях, контролируя поступление масла к трущимся поверхностям. Контролируют работу всех блокирующих устройств. Затем включают все рабочие скорости вплоть до наибольшей. На максимальной скорости станок должен работать не менее 1 ч без перерыва. Аналогичным образом проверяют работу механизма подач. В процессе обкатки контролируют избыточную температуру нагрева подшипников, которая в станках не должна быть выше окружающей более чем на 40—50 °C. Все механизмы должны работать плавно, без толчков и вибраций. Безотказной должна быть и работа электрооборудования. Не допускаются даже малейшие неисправности.
Под нагрузкой станок испытывают путем обработки деталей-образцов на различных скоростях в соответствии с техническими данными паспорта станка. Испытание ведут с нагружением станка до номинальной мощности привода, увеличивая глубину резания и подачу. Допускается кратковременная перегрузка станка, но не более чем на 25 % номинальной мощности. Все механизмы станка под нагрузкой должны работать исправно и надежно.
Затем проверяют точность станка и шероховатость обработки детали точением образца при определенных режимах резания. На обработанных поверхностях не должно быть следов дробления, а точность должна соответствовать техническим данным, указанным в паспорте станка.
Приемку станка после капитального ремонта проводят по нормам точности, установленным для приемки новых станков. Кроме точностных проверок станок подвергается испытаниям на жесткость. Для этого нагружают шпиндель и суппорт определенной силой с помощью динамометра и измеряют их деформации индикатором. При несоответствии станка нормам жесткости производят регулировку
uogadnxoug в дшовер ~ швй хпншптвс вядояошэу
ввмаШадэв
огоишзаи вмдвнвшоц
рмнвшо ншодрР пш
-овнцИтоэд эпнаьаиэадо
вавнсп ппЬвэ
- -яахшаи вид gwapedaaS xn’moifidnuhzad апяэдадд
ваввшад
- BOxntoBjpgBmpgenaduiang
М1зояьадпгирд эгталичдед
влиаьрисан вгоиаанпавивихэш ага ввнаяамт рад рпПвеэио ромааыггоиояхащ тишям -agaduo впнанваинд вид вяивипапнэмдоариопду
ВПНЭЯ рисич огонээьвгоаанхаш мэпнэмвисп э ппйвваив помзэьпгиионхэщ припаи эдзовп впнэятапд вид втпшз эпяэидоэмзпйц
HUOuadg вгоичизш
-ргвиоиэд зпнэЛвйяоэ
nuaaadg огоннптпц апнэЛвРяРП
(dg п xHuwagunum) пшоонреш певиэлмдои дояпнвптдви омдонпшоу
(gm п yntnyBBgnd -вря ‘xphPgadaB^panpa Х1РЯМШРи д) gpdptnc впнапрйшэЯ вид gtuasad -uiofi п дшэпоВшаУ хпд -BBnnuaddpg вядаиашэд
ахирша gpucfi пшмишпаж эпяэпичдву
пэипшар Х1чизпдпшвдвР -ди godaucod xnuiuagadu BPHadnmond вид эхиршз д впнэнэиеп эинрпш -udduiuHox эиибпшзоу
гтвоЯвив tup
хпниадшолрдоан впнан -иовпд вид пивпиэидвзоа -ondu вмявшз апиэтвиоп
рянршо nuipgud вихпр вгиниаи вппрепшпиишду
ионпшо
- ви ряявшо во пэввшад nhpgadau вппвспшвившду
(wadшеви паядяшив) яхшедрЯдо aooanodu д паи -ошвд пшавнхрадои пхшвдвРдв надшопь п godautsd впнвбаига квПвспшвиошдр п вппвсеиахэц
(anupgednudagad 'апиэжояВощ ■ - ‘домешав ‘майе) впаавдврий двнвгйв апивдодшанэтрадвоу
( dg n ndBBh ‘одшодаРшаА аан - - -шэьошр) gadaucBd впнавНиви вппвепшпавшдр п впивспивха^
двисЯ дпн
1 - -аГтэиэРая хпяяаРвхзЛ хтаавго*1 «врвстеаитвдп п ерпвспнвхоц
Дьрдоиппашзорохо квнеьоютавар| ю*всгеи!иошд1 п всПрспявхаи
певшад ttnuapuadx unh
-рсяшриошдп п кпйоспнвуэц
goguxadae п ppSad
-айв впРпЯшиэПноу
-j пьрдви эпнэьпуэдду-
sPHocadnшapdpяз эпиэрпиэду
$6
as
пиебраид п
пясРРгре вппвспшвиошду
эянршо ря пэиршад пашод -pdgo рвипп впРрепшриашду
вячиадшо хпУюшшодрр ‘двянвшэ xisHiupadagnHfi п двшвившдп . -hueи 'дошинршдп -двянвшз сп ппнпи апиаэьпихиирщду
Рис, 20.8. Основные направления модернизации станков
подшипников, подтягивание болтов, клиньев, планок и других де< талей. При этом не должно быть перетяжки подшипников, так как это повлечет их перегрев в работе, и не должна нарушаться плавность перемещения узлов, а силы, необходимые для этого, не должны превышать нормированных.
МОДЕРНИЗАЦИЯ СТАНКОВ
При капитальном ремонте желательно осуществлять модернизацию станков с учетом условий эксплуатации и последних достижений науки и техники. Под модернизацией станков понимают внесение в конструкцию частичных изменений и усовершенствований в целях повышения их технического уровня до уровня современных моделей аналогичного назначения (общетехническая модернизация) или для решения конкретных технологических задач производства путем приспособления оборудования к более качественному выполнению определенного вида работ (технологическая модернизация). В результате модернизации повышается производительность оборудования, уменьшаются эксплуатационные расходы, снижается брак, а в ряде случаев увеличивается длительность межремонтного периода. Представление об основных направлениях модернизации металлорежущих станков дает схема, приведенная на рис. 20.8.
Модернизация в целях сокращения машинного времени осуществляется путем повышения технических характеристик: увеличения мощности привода, расширения диапазона скоростей резания и подач. Это обычно сопровождается повышением жесткости и виброустойчивости отдельных узлов станка, повышением жесткости крепления инструмента и т. д.
Модернизацию для сокращения вспомогательного времени проводят по пути оснащения различными зажимными, загрузочно-разгрузочными устройствами, устройствами активного контроля размеров, устройствами и механизмами для работы по программе и т. д.
Повышение точности модернизируемых станков получают в результате повышения кинематической точности (усовершенствование отсчетных устройств, корректирующих устройств и т. д.), геометрической точности (совершенствование конструкций опор шпинделей, установка подшипников более высокой точности, повышение жесткости узлов и т. д.), уменьшения температурных деформаций (применение циркуляционного смазывания, температурных компенсаторов и т. д.).
Вместе с тем модернизацию оборудования целесообразно осуществлять только при условии ее экономической эффективности. Преждевременная модернизация так же, как и запоздалая, наносит ущерб производству.
РАЗДЕЛ 3
УПРАВЛЕНИЕ СТАНКАМИ
ГЛАВА 21
ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ,
КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
ОСНОВНЫЕ понятия
По своему использованию металлорежущие станки общего назначения укрупненно можно разделить на станки, обрабатывающие корпусные детали и детали типа тел вращения, а также выделить еще своеобразную группу станков со сложной кинематической структурой — станки для обработки поверхностей зубьев колес, червяков, шлицевых валов, реек и других подобных деталей.
Каждый станок состоит из устройств, которые, взаимодействуя, выполняют или способствуют выполнению той работы, для которой предназначен данный станок, а именно работы, заданной программой обработки изделия. В каждой группе станочного оборудования находится большое число разнообразных по своей конструкции и компоновке станков, состоящих из еще большего числа исполнительных устройств. Однако можно найти для них общие функциональные черты (это относится к шпиндельным бабкам, крестовым салазкам, резцовым головкам и т. п.).
По назначению, характеристикам и принципам работы, а значит, и по управлению можно выделить следующие группы исполнительных устройств.
Формообразующие устройства; рабочие органы станка связаны с формообразованием изделий и процессами позиционирования, т. е. передвигают заготовку (или инструмент) по программируемым координатам во время обработки или перед обработкой. Они образуют либо простые движения (вращательные или поступательные), либо при их совместной работе, сложные движения, как результат суммирования простых. К этой же группе частично относятся некоторые движения манипулирования, а именно те, которые обеспечивают поиск объекта при смене режущего инструмента или заготовки. Отличительным свойством данной группы является то, что траекторию и путь движения можно изменять в зависимости от вводимой программы.
Манипулирующие устройства предназначены для выполнения постоянных команд, связанных с автоматическим циклом работы оборудования. Они изменяют режимы резания, направления и скорости перемещения механизмов станка, управляют охлаждением, сменяют режущий инструмент или заготовку, закрепляют их (патроны, механизмы зажима), транспортируют и складируют и т. п. Такие устройства имеют чаще всего неизменяемую (стационарную)
систему управления, однако момент ввода в действие и последовательность их работы могут быть различными. Это определяется программой цикловой автоматики.
Вспомогательные (исполнительные устройства) обслуживают процесс обработки, например, обеспечивают автоматическую уборку отходов, смазывание станка, отсос тумана и пыли, работу гидро- и пневмосистемы и др. Обычно они имеют автономную систему управления. Наиболее важными и сложными по своему управлению являются первая и частично вторая группы устройств, и при дальнейшем рассмотрении наибольшее внимание будет уделено управлению именно этими устройствами. Характерным для них является управление траекторией движения, длиной пути и командами сложных циклов.
Позиционированием называют движения в заранее программируемые точки (позиции), происходящие обычно без обработки (кроме прямоугольного цикла обработки), т. е. все установочные и делительные движения, осуществляемые перед формообразованием, а также движения манипулирующих устройств, сменяющих инструменты и заготовки и выполняющие другие подобные действия.
Под автоматическим циклом работы станка, самостоятельного станочного оборудования (например, магазина инструментов или промышленного робота), участка станочных модулей или гибкого автоматизированного производства понимают программируемую последовательность движений основных органов станка, а также последовательность всех действий, необходимых для нормального функционирования оборудования при изготовлении единицы продукции.
Стандартный (постоянный) цикл связан с работой определенного инструмента и выбранной операцией обработки (например, сверление, нарезание резьбы метчиком и др.); обычно он является составной частью общего цикла работы оборудования.
К прямоугольному циклу обработки относят позиционное управление, во время которого с помощью простых движений исполнительных устройств, действующих попеременно, происходит обработка деталей (например, точение ступенчатых валиков или фрезерование плоскостей по периметру заготовки). При этом в качестве программоносителей путевых команд используют либо упоры, либо это осуществляется с помощью числовой информации. В обоих случаях программируются лишь конечные точки пути, а все промежуточные положения траектории движения образуются копированием направляющих исполнительных устройств. Цикловые команды определяются стационарной релейной схемой управления или соответствующими алгоритмами, вводимыми в действие числовой программой.
В расставленных определенным образом упорах (рис. 21.1) заключена информация о размерах детали; примем эту информацию за исходный или первый поток. Эти же упоры определяют получение информации о фактическом положении исполнительных устройств при их воздействии на различные датчики (в данном случае на конечные выключатели ВК1 и ВК2\ Тем самым обеспечивается появление второго потока информаций, что определяет систему управления как замкнутую. Цикл работы зависит от составленной заранее схемы
сведения. Единицей информации яв-сведения. Единицей информации яв-Рис. 21.1. Схема системы управления замкнутого типа с механическим программоносителемРис. 21.1. Схема системы управления замкнутого типа с механическим программоносителемвзаимодействия управляющей аппаратуры, воздействующей на двигатели Nil и М2.
сведения. Единицей информации яв-
сведения. Единицей информации яв-
Рис. 21.1. Схема системы управления замкнутого типа с механическим программоносителем
Рис. 21.1. Схема системы управления замкнутого типа с механическим программоносителем
Замкнутые системы управления механического типа могут работать не только в функции пути, пройденного исполнительным устройством. Распространены также системы, работающие в функции скорости, температуры, времени и других изменяющихся в процессе работы станка параметров.
В общем случае под информацией подразумевают различные сообщения, несущие полезные ляется 1 бит.
Алгоритмом обозначают точное предписание, задающее процесс переработки исходных данных в однозначный результат. Алгоритм управления — предписание о последовательности выполнения операций управления.
Цикловым (программным) управлением называют управление оборудованием, обладающее возможностью оперативного ввода цикловой информации и ее перепрограммирования; цикловая информация задавалась обычно с помощью коммутаторных паиелей, а размерная—меха
ническим программоносителем (чаще всего с помощью упоров и конечных выключателей).
Любое формообразование на станках определяется прежде всего направляющими (соответствующими координатам движения), по которым перемещаются основные и исполнительные устройства станка с закрепленными на них режущими инструментами и заготовками или с помощью которых происходит вращение инструментов (заготовок). Для сложного формообразования также необходимо учитывать программируемые кинематические связи между участвующими в формообразовании движениями.
Можно считать, что направляющие основных исполнительных устройств (рабочих органов) несут внутреннюю часть передаваемой станком информации о формообразовании детали, в то время как настраиваемые кинематические связи характеризуют внешнюю информацию, зависящую от вводимой программы обработки, т. е. от программоносителя.
При простом формообразовании и позиционировании движения осуществляются поочередно или одновременно, но при этом кинематически не взаимосвязаны. Так, обработка ступенчатого валика на токарном станке по прямоугольному циклу происходит при поочеред-
ныхдвижения^ продольной и поперечной кареток суппорта с одновременным, но не обязательно взаимосвязанным вращением заготовки. Продольная подача на один оборот изделия в данном случае не является законом формообразования. Увязка этих движений необходима только для получения оптимальных режимов резания и заданной шероховатости обрабатываемой поверхности. Точность формы изготовления валика зависит от качества изготовления и монтажа опор шпинделя изделия (его радиального и осевого биения) и точ-
При сложном движенииПри сложном движенииРис. 21.2. Формообразование сложной поверхностиРис. 21.2. Формообразование сложной поверхностиности изготовления продольных и поперечных направляющих суппорта (их перпендикулярности и параллельности оси центров станка).
При сложном движении
При сложном движении
Рис. 21.2. Формообразование сложной поверхности
Рис. 21.2. Формообразование сложной поверхности
отношенииотношениипередаточныхпередаточныхмежду рабочими органамимежду рабочими органамиформа детали зависит от формы направляющих (внутренний поток информации) и
отношении
отношении
передаточных
передаточных
между рабочими органами
между рабочими органами
перемеща-определяе-перемеща-определяе-станка, которые ются на размеры,
перемеща-определяе-
перемеща-определяе-
мые командами управления (внешний поток информации).
Можно утверждать, что модель обработки образуется из траекторий простых движений (неизменной для каждого станка пассивной информации), передаточных отношений между перемещаемыми исполнительными уст
ройствами и путевых команд управления (ак тивной программируемой информации).
Позиционирование заготовок или инструментов обычно происходит не одновременно с процессом обработки, но точность вывода в запрограммированную позицию определяется также параметрами направляющих и точностью останова. Запрещающая команда о величине перемещения подается при достижении всеми устройствами запрограммированной точки. Перемещение заготовки или инструмента в рабочую позицию для последующей обработки, например, для сверления очередного отверстия, можно осуществить как последовательными движениями, участвующими в процессе позиционирования, так и одновременными, но кинематически не взаимосвязанными движениями. Последнее делается лишь для сокращения времени
позиционирования.
Рассмотрим произвольный профиль обрабатываемой поверхности (рис. 21.2); предположим, что это плоский профиль или осевое сечение детали типа тела вращения. Такой профиль может быть обработан различным режущим инструментом: резцом / с точечной режущей кромкой (если это тело вращения); цилиндрической фрезой 2 с осью, расположенной перпендикулярно плоскости заготовки; пальцевой фрезой 3 с осью, расположенной в плоскости заготовки,
или другим инструментом (профильный инструмент не рассматриваем). Однако разнообразие вариантов обработки и возможность использования различного инструмента могут быть получены ограниченным числом формообразующих движений. Возможны лишь три варианта: движение заготовки относительно неподвижного инструмента, инструмента относительно заготовки и совместное их движение. Выбор варианта происходит при проектировании станка и влияет на разработку его системы управления.
Рассмотрим движение инструмента относительно вращающейся заготовки, как это происходит в обычных токарных станках, когда резец закреплен на суппорте. Разложим траекторию сложного профиля обработки на составляющие так, чтобы они были направлены вдоль направляющих. Рассматривая сложное формообразование, его можно представить состоящим из простых движений, каждое по своим направляющим (координатным перемещениям). Обработка элемента сложной траектории (участок А—Б) произойдет при одновременном перемещении в продольном направлении на расстояние Sz и поперечном на расстояние Sx- В общем случае пути, проходимые за единицу времени, будут непрерывно изменяться в зависимости от меняющегося профиля обработки. При этом способы изменения кинематических передаточных отношений или методы суммирования движений различаются в зависимости от применяемой системы управления. При нарезании резьбы резцом на токарном станке сумма продольного движения резца и вращательного движения заготовки составляет неизменную для каждой наладки величину. Она определяется постоянным шагом резьбы, что позволяет использовать механическую систему управления, программируемую с помощью шестеренчатых гитар и суммирующих движения механизмов. Точность резьбы точно так же, как и точность обработки любого сложного контура, зависит не только от качества направляющих, но и от точности передачи, участвующей в суммировании формообразующих движений. Системы управления сложным формообразованием называют контурными (непрерывными или функциональными).
ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Станок можно рассматривать как технологический комплект механизмов, действующих автономно и связанных между ссбэй лишь управлением. При проектировании систем автоматического управления в первую очередь решаются наиболее важные задачи обработки, связанные с формообразованием и вопросами позиционирования.
Управление траекторией при использовании простых движений в качестве внутреннего источника информации станка. Решается задача программирования взаимосвязи этих движений, создания и ввода внешней информации и воспроизведения сложного движения путем суммирования простых движений.
Программирование и контроль перемещений основных рабочих органов станка.
Задание и отработка исходных (основных и промежуточных) положений рабочих органов станка.
Получение информации, корректирующей по каким-либо пара- ' метрам исходную информацию управления.
Не менее важны задачи, связанные с выполнением цикловых команд, таких, как:
программирование и осуществление оптимальной скорости дви- j жения;
задание нужного направления и последовательности движений; программирование и выполнение самостоятельных (в том числе и стандартных) циклов работы оборудования.
При управлении оборудованием также имеют место и вспомогательные задачи, например, включение и выключение отдельных меха- i низмов, выдержки времени, счет 1 чего-либо (времени или числа обработанных деталей). Рассмотрим 5 более подробно основные задачи управления.
При управлении траекторией движения используют форму направляющих, которые являются внутренним источником информа- , ции простого формообразования « для любого станка, а простая гра-
Рис. 21.3. Кулачковая система уира- ектория движения (иоступатель- ; менияного или вращательного) является
результатом копирования формы направляющих. Вид источника движения и абсолютная величина j скорости не влияют на траекторию движения (это движение включается во внешнюю кинематическую связь, не оказывающую влияния на формообразование).
Простые движения определяют (при выборе управляемых координат) при проектировании; они являются неизменной частью получаемой на станке информации о траектории движения. Менять ее, не переделывая станок, нельзя.
Сложная траектория движения образуется в результате сложения нескольких простых движений и зависит от соотношения долей этих слагаемых простых движений, от кинематической точности и передаточного отношения между складываемыми движениями. Последнее является управляемой частью информации станка, так как программирование сложной траектории движения заключается в изме- . нении соотношения скоростей (точнее, путей, а не самих скоростей), участвующих в формообразовании.
В кулачковых системах управления (рис. 21.3) в качестве программоносителя используются модели-аналоги обработки в виде заранее запрограммированных профилей кулачков 1. Суммирование или синхронизация движений происходят за счет установки и закрепления кулачков на общем распределительном валу РВ. При ; вращении этого вала движения от рабочих профилей кулачков бара- 1
банного и дискового типа через рычаг и толкатель 2 передаются на исполнительные устройства 3, осуществляющие сложное формообразование (в данном случае продольное движение заготовки и поперечное — резня).
Кулачковые системы, являющиеся простейшими по схеме автоматики контурными системами (со сложным движением), относят к незамкнутым системам управления механического типа из-за отсутствия активного потока информации о фактическом местонахождении исполнительных устройств. Работоспособность системы определяется применением в качестве программоносителей кулачков 1 (рис. 21.4) с участками профиля а, б, в, г, моделирующими все движения рабочего органа 3, т. е. содержащими априорную информацию
Рис. 21.4. Управление с кулачковым приводом:
а —- участок быстрого подвода суппорта; б — кривая рабочей подачи (спираль Архимеда); в — участок выстоя; г — участок быстрого отвода
о величине перемещения. Такая система управления не нуждается во втором потоке информации о фактическом положении рабочих органов станка. Движение от дискового кулачка передается толкателем 2, который поджимается к рабочему профилю кулачка пружиной 4 (силовая связь); при использовании кулачков барабанного типа движение передается двусторонним профилем канавки (кинематическая связь).
За один оборот распределительного вала совершается полный цикл обработки. Изменяя профиль кулачков, можно получить любой закон изменения пути движения рабочих органов. Однако профиль должен учитывать как динамические свойства механизма передачи движения, так и возможное заклинивание толкателя (угол наклона профиля ограничивается углом трения толкателя и кулачка). Учитываются также ограничения по скорости вращения кулачка. Кулачок обеспечивает строго дозированные прямое и возвратное перемещения, являясь одновременно программоносителем и тяговым механизмом (частью привода). Он осуществляет не только управление перемещением, но выполняет некоторые цикловые команды.
Профилирование (программирование) кулачков ведут по заранее разработанным циклограммам обработки деталей, для чего полное время обработки (один оборот распределительного вала) распределяют между отдельными элементами цикла, а кулачок разбивают на 100 частей (секторов) для токарных автоматов или на 360° для дру-
того оборудования. Размеры кулачков ограничиваются габаритами станка, и поэтому величина хода рабочего органа при его перемещении дисковым (плоским) кулачком не превышает 120—200 мм, а при использовании кулачков барабанного типа — 300 мм. В определенных пределах можно регулировать величину хода рабочего органа во время наладки станка чаще всего за счет изменения длины плеч рычагов, передающих'движение от кулачка к исполнительному узлу.
Дисковые кулачки с силовой связью применяют в небольших станках с малой массой суппорта во избежание сильных ударов, происходящих при отводе рабочего органа. Угол подъема профиля кулачка с кинематической связью на участках быстрого перемещения рабочего органа из-за возможного заклинивания толкателя следует выбирать в пределах 45—55°.
В зависимости от времени цикла обработки и сложности деталей, требующих использования инструментальных револьверных головок, системы управления кулачковыми автоматами выполняют по трем основным структурам.
С постоянной скоростью вращения распределительного вала; доля времени вспомогательных ходов в цикле обработки является постоянной. Структуру используют в простых автоматах для изготовления мелких и несложных деталей со временем цикла обработки не более 20—30 с. Такая продолжительность цикла достигается вращением распределительного вала с частотой не менее 1,5—2 мин-1.
С двумя частотами вращения распределительного вала (для’ рабочих подач и вспомогательных ходов). При увеличении времени цикла обработки'продолжительность вспомогательных ходов возрас- ( тает (уменьшить ее изменением угла наклона профиля кулачка : нельзя из-за возможного заклинивания толкателя), поэтому на участ- ; ке профиля вспомогательных ходов делают ускоренное вращение 1 распределительного вала. Частота его ускоренного вращения в раз- J ных автоматах составляет от 6 до 30 мин-1. В приводе распредели- . ; тельного вала применяют обгонную муфту, позволяющую передавать ускоренное вращение без выключения привода рабочей скорости вала. Такую структуру используют, например, на токарных многошпиндельных автоматах с циклом обработки 20 с. Время вспомога- : тельных ходов в них постоянно и не зависит от настраиваемого времени цикла.;
С двумя распределительными валами (основным и вспомога- j тельным). Если в течение цикла обработки необходимо неоднократное ! включение какого-либо исполнительного устройства (например, ше- 2 стипозиционной револьверной головки), используют вспомогательный распределительный вал, включаемый от кулачка распределительного вала нужное число раз за время цикла. Выполнить необходимый ■ профиль кулачка для его установа на основном валу не представляется возможным.
Чтобы не было кинематического рассогласования в работе двух управляющих валов, выключение и включение вспомогательного вала производится при одном и том же угловом положении вала | с помощью однооборотной муфты. Частота вращения вспомога- 3
тельного вала достигает 300 мин-1. Структуру применяют для обработки сравнительно небольших деталей со сложной последовательностью обработки. В этих автоматах одна часть вспомогательных ходов (от кулачков основного распределительного вала) изменяется пропорционально длительности рабочих ходов, вторая сохраняется постоянной по времени для данного автомата.
Рис. 21.5. Копировальная система управленияРис. 21.5. Копировальная система управленияКулачковые системы с распределительным валом являются очень надежными механическими системами с контурным управлением (со сложным формообразованием); станки имеют жесткую конструкцию и обеспечивают высокую точность повторения размеров. Они стабильно поддерживают постоянную во времени синхронизацию цикла. Система управления широко распространена и сохранится в дальнейшем в автоматах для массового и крупносерийного производства относительно небольших изделий типа тел вращения с устойчивой номенклатурой (так как время переналадки кулачковых автоматов значительно).
Рис. 21.5. Копировальная система управления
Рис. 21.5. Копировальная система управления
Другой системой контурного управления механического типа является копировальная система (рис. 21.5), в которой копир можно рассматривать как кулачок, развернутый на плоскость. Вместо распределительного вала применен крестовый суппорт, обеспечиваю
щий синхронизацию ведущего движения 5вед от гидроцилиндра / (при продольном движении каретки-2) со следящим движением 8СЛ щупа 3, получаемым от копира 4 (движение поперечной каретки 5). Резец 6 совершает одновременное (суммарное) движение в продольном и поперечном направлениях. В этой системе программоносителем является профиль копира, а траектории простых движений определяются направляющими суппорта (внутренним источником информации станка). В копировальных системах управления отсутствует активный поток информации о фактическом положении исполнительного устройства, поэтому их относят к системам управления незамкнутого типа.
Описанную схему управления прямого действия используют редко. Для уменьшения сил, возникающих на копире и щупе, между щупом и инструментом устанавливают усилитель (гидравлический или электрический). Работоспособность любого усилителя со следящей схемой действия обеспечивается наличием обратной связи. Однако такая связь имеет лишь местное значение и не изменяет общего вида незамкнутой копировальной системы управления станком; ее действие ограничено только блоком усиления сигнала управления.
Недостатком копировальной системы управления является независимость ведущей и следящей подач, что приводит к различной подаче вдоль контура и, значит, к неодинаковому качеству обрабаты-
ваемой поверхности. Для улучшения условий резания направляющие поперечной каретки располагают под углом 60°, а иногда и 45°, во при этом ухудшаются условия обработки обратных конусов и ступенек (для углов профиля детали ±30° рекомендуют сохранять положение поперечной каретки под углом 90° к направлению движения продольной каретки). Можно использовать специальную схему, обеспечивающую получение зависимых скоростей подач в продольном и поперечном направлениях.
На рис. 21.б приведена схема тидрокопировальной системы управления с усилителем и устройством получения зависимых подач. При продольном движении влево каретки суппорта от гидро- цилиндра 1 щуп с гидрораспределителем начинает подниматься по
Рис. 21.6. Схема гидрокопдро- вальной системы с зависимыми подачами:
— привод продольного перемещения ^ведущей подачи SB^^;
— автоматический гидрораспределитель; В — привод поперечного перемещения (следящей подачи S^): 4, 5 — регулируемые дрос- сели; 6 — следящий гидроволит- иик усилителя со щупом; 7 — копир; 8 — обрабатываемая заготовка
профилю копира 7, открывая доступ масла в нижнюю полость цилиндра 3. Под давлением масла поршень цилиндра 3 начинает перемещать поперечную каретку суппорта вместе с резцом вверх с подачей $£Л. Шток поршня, жестко связанный с корпусом гидрораспределителя 6, поднимает его, стараясь ликвидировать образовавшуюся щель для прохода масла между проточками распределителя и корпуса. Эта жесткая обратная связь необходима при работе усилителя. При этом растет давление масла, выходящего из цилиндра 3 и следящего гидрораспределителя 6 -(давление регулируется дросселем 5). Давление масла воздействует на золотник автоматического гидрораспределителя 2, который, опускаясь, дросселирует масло на выходе из цилиндра 1, уменьшая тем самым скорость перемещения поршня, т. е. $вед, которую можно дополнительно отрегулировать дросселем 4. Устройство обеспечивает получение примерно постоянной подачи вдоль контура заготовки 8 (подача 5вед изменяется в функции подачи SCJI). Настройкой. дросселей 4 и 5 добиваются получения возможно большего постоянства результирующей подачи вдоль контура обработки.
Часто в станках можно встретить сочетания различных систем управления формообразованием и позиционированием. На токарном станке с механической системой управления при объединении траекторий вращения заготовки с поступательным движением резца может -быть обработана винтовая поверхность. При сложении двух 442
поступательных движений суппорта (продольного и поперечного) получается коническая поверхность на заготовке.. При совмещении всех трех движений (трех потоков внутренней информации) образуется профиль конической резьбы. При атом параметры детали (шаг и размер конуса резьбы) зависят от передаточного отношения кинематических связей между участвующими в формообразовании исполнительными устройствами.
Программоносителями размеров основной формообразующей части управления являются шестеренчатые гитары шага и угла конуса, в то время как другая часть управления, представлена программоносителем в виде упоров и конечных выключателей, а также ручного установочного движения резца, определяющих недостающую размерную информацию процесса обработки (диаметр и. длину).
При использовании системы числового, управления сложное движение (суммирование простых движений), осуществляет интерполятор, который по вводимой программе может устанавливать любые передаточные отношения между движениями.
Управление величиной пути движения в системах путевого управления осуществляется в процессе изготовления программоносителей например во время профилирования кулачков (определение участков подвода, отвода и рабочей подачи, см. рис.. 2L4); величина перемещения толкателя соответствует подъему кривой кулачков или копиров (в незамкнутых системах), а также расстановке вдоль пути движения, упоров, воздействующих на путевые выключатели. Положение упора относительно выключателя определяется программой обработки (первый поток информации) и устанавливает длину пути. Сигнал, подаваемый выключателем в конечной точке программируемого пути при наезде на него упора, характеризует выполнение заданного программой перемещения;, это второй поток информации.
Более сложные системы управления, снабжают датчиками пути- Датчики могут постоянно контролировать перемещение или положение рабочего органа и выдавать соответствующую информацию непрерывно или дискретно.. Датчики характеризуются дискретностью отработки, которая, обычно соответствует величине перемещения исполнительного устройства от одного сигнала-импульса управляющей программы. Датчики с непрерывным (аналоговым) сигналом, чаще всего фазового типа (сельсины, вращающиеся трансформаторы или резольверы и индуктосины), оцениваются, углом, поворота фазы (это их гарантируемая чувствительность). Получают распространение датчики, обеспечивающие точность и дискретность выше 1 мкм, со шкалой, образуемой лазерным лучом..
Автоматическое управление при наличии потока информации о фактическом поведении объекта,, исходящей от датчика, относится к замкнутой системе управления. При этом в управляющей системе происходит непрерывное сравнение сигналов программы с сигналами датчика о фактическом положении рабочего органа. Принято считать, что такая система имеет полноценную обратную связь при условии использования этой информации в качестве сигналов,, корректирующих процесс управления, т. е. когда система становится следя-
щей. Такую систему управления применяют в большинстве станков с ЧПУ со сложным формообразованием.
В системах позиционного типа активное сравнение сигналов программы и фактического положения обычно начинается ближе к концу программируемого перемещения (например, на участке торможения) путем сопоставления двух потоков информации и выработки окончательного сигнала в момент отработки перемещения.
В незамкнутых системах управления отсутствует поток информации о фактическом перемещении или положении. Благодаря применению специальных приводов дозированного перемещения с априорной информацией о величине перемещения имеется возможность достаточно точно отрабатывать задаваемый путь, устанавливая зара- х нее величину доз (дискрет) и программируя их количество. Приме- ' рами механизмов с дозированным перемещением являются: храпо- ■ вые механизмы с регулированием числа захватываемых собачкой зубьев, мальтийские механизмы с изменением числа срабатываний : водила или угла поворота креста, кулачковые приводы с различными профилями кулачка и регулируемой величиной хода толкателя, ко- 1 пиры и, наконец, шаговые двигатели, отрабатывающие разное коли- ' чество программируемых импульсов.■
В некоторых случаях сложного формообразования (в механиче- я ских системах) контроль пути движения может происходить только ■ для одного исполнительного устройства, совершающего простое дви- Я жение, и лишь в его запрограммированном конечном положении. Я В замкнутых системах с ЧПУ со сложным формообразованием (с кон- Я турны!м управлением) датчики выдают постоянную информацию ■ о положении всех рабочих органов, участвующих в формообразова- Я НИИ.■
Иногда исполнительные устройства осуществляют движения деле- Я ния (например, при изготовлении многозаходных резьб и червяков), Я являющиеся частным случаем позиционирования.Я
Программирование (управление) исходных положений может Я осуществляться переставными или постоянными жесткими упорами, ■ положение которых обычно определяется конструкцией станка Я (в частности, они могут располагаться на командоаппара- Я тах, кинематически связанных с движением исполнительного уст- Я ройства). При этом устройство поджимается к упору под действием Я привода (например, гидравлического) или привод каким-либо обра- Я зом отключается (электродвигатель может выключаться с помощью Я реле максимального тока). Для этих целей можно также исполь- Я зовать те же конечные выключатели и датчики, что и для контроля Я пути.Я
В некоторых случаях с помощью датчиков приходится програм- Я мировать и отрабатывать несколько исходных положений для од- Я ного и того же исполнительного устройства. Так, токарные станки Я с ЧПУ имеют три исходных положения суппорта: положение инстру- Я мента перед обработкой конкретной заготовки, исходное проме-Я жуточное положение при смене инструмента и предельное (крайнее) Я положение суппорта, определяемое характеристикой станка. Я
^Управление исходным положением по принципу действия ничем не отличается от управления длиной пути при простом формообразовании или позиционировании.
Уже при использовании простейших систем управления механического типа наблюдается управление е вводом коррекции. Действительно, все такие системы нуждаются в предварительной наладке, когда по результатам пробных обработок вводят поправки (коррекцию), часто отклонясь от теоретического программирования размеров, не учитывающего особенности (точность) работы конкретного станка. При наладке автоматических станков вводят дополнительную информацию, иногда отклоняющуюся от расчетных величин. Для этого уточняют положение упоров, изменяют плечи рычагов толкателей в кулачковых механизмах или пригоняют копиры по месту. Наладка учитывает возможные отжимы и перебеги, деформацию отдельных звеньев механизмов станков под воздействием сил, возникающих в процессе обработки, и изменения температуры, износ инструмента, момент срабатывания конечных выключателей, время запаздывания работы аппаратуры управления (например, путем введения упреждающих сигналов) и другие отклонения от идеальных условий работы оборудования.
Если станок имеет предельную технически выполнимую точность, дальнейшее повышение ее может быть достигнуто путем использования дополнительных потоков информации, корректирующих основной поток управления (какое-либо из простых движений или программу). Например, при недостаточной точности передачи винт— гайка иЛи значительном влиянии температуры на деформацию винта можно применить механическую систему коррекции с дополнительными доворотами гайки от рычага, перемещающегося по коррекционной линейке, располагаемой вдоль движения салазок. В более совершенных системах управления, особенно при использовании ЧПУ, вместо подачи постоянно действующих для данной наладки станка корректирующих сигналов возможна организация изменяющегося во времени процесса корректирования (адаптивное управление). Он может распространяться как на отдельные участки программы (кадры), так и зависеть от информации, поступающей от разных датчиков (например, температуры), управляющих процессом корректировки, т. е. процесс может приспосабливаться к переменным условиям обработки по определенным критериям.
Во всех случаях управления происходит алгебраическое суммирование программируемых и корректирующих движений с помощью механических или электронных устройств. В последнем случае корректирующая информация может вводиться заранее в память или вычисляться оперативно, вызываться командами управления и суммироваться с программируемыми перемещениями; так, например, осуществляется коррекция шага ходовых винтов или автоматическая компенсация зазора в передачах при изменении направления движения.
Управление скоростью движения не влияет на траекторию формообразования, а связано с технологическими требованиями (режи-
мами резания) я вопросами производительности оборудования. Программа вводится схемой коммутации управляющих аппаратов (с заранее согласованным и неизменным порядком их действия) или изменением частоты вращения вала многоскоростного приводного двигателя, изменением частоты вращения распределительного вала кулачков или заменой их профилей, регулированием скорости ведущего движения копира.
Наиболее часто используют бесступенчатое управление, в том числе управление воздействием вводимой информации на регулируемый или работающий в следящем режиме привод в станках с ЧПУ. При этом можно проводить корректировку (адаптивное управление режимами резания) или отрабатывать некоторые автоматические постоянные циклы (например, разгон — торможение, подход к точке позиционирования).
В настоящее время диапазон изменения скоростей движения исполнительных устройств, работающих с постоянным крутящим моментом, достигает величины 1 : 30 000 и, по-видимому, будет расти. Для этого применяют электрические (тиристорные) приводы с очень широким диапазоном регулирования скорости, снабженные большим числом обратных связей. В приводах подач все большее распространение получают высокомоментные двигатели постоянного тока, которые соединяются непосредственно с ходовыми винтами без дополнительной редукции или через одноступенчатую зубчатую передачу, повышающую равномерность вращения винта при малых частотах. Высокомоментные двигатели достаточно устойчиво могут работать при частоте вращения менее 1 мин-1 и допускать 10-кратную перегрузку по моменту при малых частотах вращения.
Отметим, что использование механических редукторов в приводах главного движения непрерывно сокращается, а сохраняющиеся коробки передач упрощаются за счет уменьшения числа ступеней механических передач и установки регулируемых двигателей.
Управление направлением и последовательностью движений, самостоятельными циклами и вспомогательными командами. Направление и последовательность движений относятся к цикловым командам. В системах управления механического типа с контролем по пути направление и последовательность движений программируются как неизменяемая часть информации при разработке и монтаже собственно схемы автоматики (электро-, гидро- или пневмоавтоматики), определяются профилем и направлением движения кулачка или копира. Всякие изменения цикловых команд связаны с переделкой схемы управления или изготовлением новых кулачков или копиров.
При числовом управлении программа зависит от вводимой в символическом виде информации и поэтому может легко и быстро изменяться. В таких системах достаточно просто автоматизируются отдельные элементы цикла, например, поиск кратчайшего расстояния до сменяемого инструмента, находящегося в инструментальном магазине (выбор направления его поворота), автоматический выбор направления движения при позиционировании в зависимости от ин- 446
фармации, поступающей от программы и датчика пути.
’ Системы числового управления могут фиксировать (запоминать) цикловые команды е соответствующими алгоритмами управления, которые в некоторых случаях можно перепрограммировать с помощью изменения программного (математического) обеспечения, применяемого в системах с мини-ЭВМ.
ПРОГРАММОНОСИТЕЛИ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
С достаточно большой уверенностью можно полагать, что с развитием систем автоматического проектирования (САПР) в машиностроении источником информации об обработке для систем числового управления станет не только графическое изображение изделия, но и различные формы сообщений (записи) параметров детали с помощью символов.
При ручном управлении рабочий, пользуясь исходной информацией, по чертежу создает программу обработки и передает информацию о необходимых действиях на соответствующие органы управления станка.
В станках с автоматическим управлением механического типа на стадиях подготовки производства (в-инструментальных цехах) и при наладке оборудования исходная информация преобразуется в новый вид, пригодный для ее непосредственного восприятия станками. Программоносителями такой информации становятся различные аналоги перемещений: упоры и конечные выключатели, расставг ленные на расстояниях, соответствующих размерам обработки, кулачки, устанавливаемые на распределительный вал, или копиры с профилями, обеспечивающими перемещения на точные величины, т. е. информация о размерах обработки преобразуется в физическую модель (аналог), которая копируется в процессе работы станка. Такого рода программоносители называют механическими или аналоговыми.
Программоносителями могут являться различные по своей конструкции командоаппараты. Для программирования пути перемещения их необходимо кинематически связывать с устройствами станка, путь которых программируется. В тех случаях, когда командоаппа- рат выполнен в виде коммутаторного пульта, он, снабженный специальной схемой управления, может быть использован для ввода цикловой информации.
Своеобразно выглядит программоноситель в механических системах, когда программирование сложного формообразования осуществляется в результате установления передаточного отношения кинематических связей между рабочими органами станка. Информация о передаточных отношениях (программа) вводится с помощью настраиваемых гитар.
Другим способом преобразования исходной информации в вид, доступный для управления станком, является перевод ее в символы (кодирование) и создание при этом числовой модели обработки.
При использовании современных электронных систем управления оператор может вводить исходную информацию непосредственно в память запоминающего устройства. В этом случае память стано- сится программоносителем. Программа также может быть записана на внешнем программоносителе заранее. Такая информация считывается и затем преобразуется в управляющие команды, воздействующие в заключение на различные исполнительные приводы объектов управления.
Сопоставим информацию о перемещениях, извлекаемую из первоисточника (например, чертежа) об обработке или считываемую с программоносителя, с информацией, поступающей от датчиков о фактических действиях (перемещениях), а в итоге о косвенных результатах обработки готового изделия. В идеальном случае указанные два потока информации - (прямой и обратный) должны полностью совпадать. В действительности этого не бывает, но величина рассогласования, от которой управляется следящий привод, при пересчете на перемещение должна укладываться в допуск, задаваемый на обработку.
В электронных системах имеется устройство управления, назначение которого кроме интерполяции (если система контурная) работать с сигналами прямого и обратного потоков информации, а именно заниматься чтением, запоминанием, передачей информации, различными вычислениями и управлением приводами. В незамкнутых системах назначение устройства управления ограничивается переработкой прямого потока информации и выработкой сигналов^ управляющих приводами дозированных перемещений (с априорной информацией о величине перемещения, связанной с подаваемым числом импульсов); обычно это шаговые двигатели.
Можно указать и другие потоки информации, перерабатываемые устройством управления, например, связанные с цикловыми командами, коррекцией и адаптивным управлением, цифровой индикацией перемещений и др. В системах управления могут быть также потоки информации локального значения, не влияющие на общую структуру управления, как, например, местная обратная связь в различных усилителях приводов исполнительных устройств.
При использовании перфолент в качестве программоносителей и выборе кодов для записи информации об обработке применяют восьмидорожковую ленту шириной 25,4 мм (1 дюйм) и код ISO-7 bit, в основу которого положена двоичная система счисления (1 бит соответствует одной единице информации). В некоторых случаях программоносителями могут быть магнитные ленты, гибкие магнит- ; ные диски или блоки памяти с клавишным вводом информации.; Наличие сигнала записывается иа программоносителе пробивкой отверстия, магнитным «штрихом» или состоянием ячейки памяти; и соответствует единице кодовой информации. Пропуск записи! соответствует нулю кодовой комбинации или отсутствию сигнала.!
Минимальный объем информации, занимающий несколько попе-J речных строк на ленте (например, скорость, номер кадра или инфор-; мация, определяющая одно перемещение), составляет слово. Не-;
сколько слов, содержащих полную информацию любого законченного технологического перехода (например, обработка участка детали каким-либо инструментом с определенными режимами резания), обозначается кадром. Условная запись структуры (длины сЛов) и расположения слов в кадре управляющей программы с максимальным числом слов устанавливается форматом кадра.
Для кодирования цифр, знаков и заглавных букв всего латин- екого алфавита, а также признаков всех составляющих частей кода ISO-7 bit использованы семь двоичных разрядов (7 бит); Запись числовой части информации производится в двоично-десятичной системе счисления (каждый разряд десятичного числа представлен двоичным числом). Признаками записи чисел или букв являются пробивки отверстий на 5, 6 и 7-й дорожках. При записи информации на.ленту применяется адресный способ и запись производится участками переменной длины вдоль ленты — кадрами, при котором числовому значению информации предшествует знак адреса, определяющий принадлежность этой информации, соответствующей команде управления. В каждом кадре программы записывается только та информация, которая изменяется по отношению к предыдущему кадру.
Для проверки правильности информации каждая строка ленты (одна кодовая комбинация, располагаемая поперек ленты) автоматически и на многих стадиях передачи информации контролируется на четность числа единиц (пробивок на ленте). Для контроля четности используется восьмая дорожка ленты, на которой в случае «нечетной» кодовой комбинации автоматически пробивается дополнительное отверстие. Между третьей и четвертой дорожками при перфорировании ленты пробиваются отверстия меньшего диаметра. Эту дорожку называют транспортной или дорожкой синхросигнала (тактирующей), обеспечивающего более четкое чтение информации.
В коде ISO даны следующие рекомендации по применению букв, сокращенных слов и знаков: А, В или С — вращение вокруг осей X, Y или Z или осей, параллельных им; F — подача; G — подготовительная функция, определяющая режимы работы устройства ЧПУ; I, J, К — начальные координаты (соответственно по осям X, Y, Z) дуги окружности относительно ее центра; М — вспомогательная функция, осуществляющая специальные технологические команды; N — номер кадра; Р, Q или R — функции перемещения (третичного) или ускоренный ход параллельно осям X, Y или Z; S — скорость главного движения; Т — номер инструмента; U, V или W — функции перемещения (вторичного) параллельно осям X, Y или Z; X, Y или Z — перемещения по осям X, Y или Z; —|— направление перемещения; % — начало программы; (— отключение управления (информация на ленте не воспринимается устройством ЧПУ); ) — включение управления; NUL (пус) — пусто, используют для заполнения перфоленты; BS (ВШ) — возврат на шаг, вызывает перемещение позиции печати текста на один шаг назад вдоль строки; НТ (ГТ) — горизонтальная табуляция, перемещение позиции печати к следующей позиции вдоль строки; LF (ПС) — конец кадра, пере-
44944915 п/р В. Э. Пуша
449
449
вод строки, перемещение позиции печати текста к следующей строке; CR (ВК) — возврат каретки, возврат позиции печати к началу той же строки; SP (пробел) — сдвиг каретки на шаг; DEL (ЗБ) — забой,
строка не читается.
Международная организация ISO также рекомендует выбор направлений осей координат и поворотов вокруг них (рис. 21.7). Соответствующие движения инструмента на станке обозначают буквами X, Y, Z, А, В, С. При перемещении заготовки направления изменяют на противоположные и обозначают буквами X', Y', Z', А', В', С'. Ось X располагают всегда горизонтально, а ось Z сов-
Рис. 21.7. Направления движений инструмента и заготовкиРис. 21.7. Направления движений инструмента и заготовкивмещают с осью шпинделя.
Рис. 21.7. Направления движений инструмента и заготовки
Рис. 21.7. Направления движений инструмента и заготовки
Считанная с первоисточника информация по мере ее продвижения по каналам связи и блокам устройства управления претерпевает ряд превращений: считывание информации с чертежа и ввод ее оператором в блок записи программы; при оперативных системах управления ввод непосредственно в устройство управления осуществляется в привычной для человека десятичной системе счисления. Далее используется чаще всего двоичная система счисления, как наиболее экономичная для записи в память и удобная при различных действиях с числами. Затем информа
ция преобразуется в унитарный код, как наиболее простой для
управления двигателями.
Унитарный код представляет собой единичную систему счисления. Он удобен тем, что любому числу, характеризующему перемещение, соответствует эквивалентное число единичных сигналов (импульсных посылок). Преобразование кодированной информации в унитарный код обычно осуществляется интерполяторами.
Если управление приводами ведется непрерывным (аналоговым) сигналом, например, напряжением, то дискретная (числовая) информация преобразуется в соответствующую форму сигнала, необходимую для управления. В зависимости от вида применяемого датчика пути (дискретного или аналогового) форма информации, поступающей от него, изменяется так, чтобы ее можно было сравнивать с сигналами, поступающими от программы, или наоборот. Для этого предназначены блоки-преобразователи «цифра—аналог» и «аналог- цифра». Вся перекодировка сигналов совершается автоматически на разных стадиях движения потоков информации управления.
ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКОГО ТИПА
Наиболее распространенными системами такого класса являются рефлексные системы, работающие с контролем по пути (или с активным контролем) или другими меняющимися параметрами 450
(по скорости, времени, току, давлению, мощности), т. е. действующие в функции технологической готовности. Это замкнутые системы с потоком информации о фактическом состоянии исполнительных устройств. Также большое распространение, но для сравнительно мелких деталей типа тел вращения имеют кулачковые (незамкнутые системы) с распределительным валом, синхронизирующим (суммирующим) движения узлов.
Кулачковые системы с распределительным валом являются самыми надежными из систем механического типа. Копировальные системы получили распространение для обработки средних по размеру деталей с плоским и объемным криволинейным профилем с управлением по одной (вторая независимая), двум или трем координатам. Системы применяют при автоматизации серийного производства. Для повышения производительности иногда изготовляют станки, обрабатывающие параллельно несколько одинаковых деталей от общего программоносителя. Для сложных копировальных систем наиболее важным звеном является усилитель сигнала управления, от которого во многом зависит точность обработки. Недостатками таких систем являются невысокая надежность, сложность и большая трудоемкость изготовления программоносителя (копира).
Системы с контролем по пути имеют развитую автоматику, выполняющую цикловые команды. Такие системы широко распространены среди агрегатных станков и автоматических механизмов с неизменяемым циклом работы (например, манипулирующие устройства). При разработке цикла пользуются циклограммой, являющейся частью программы, на которой указывают во времени все моменты изменения состояния системы управления и проставляют индексы участвующих в работе аппаратов. Управление циклом кроме исполнения со стационарной схемой может быть построено как универсальное цикловое управление.
Системы управления с контролем по пути конструктивно достаточно просты, обеспечивают дистанционное управление и сравнительно простую переналадку станка, могут иметь неограниченные по расстоянию перемещения. Однако время переналадки значительное, значит, и стоимость ее высока, усложнен контроль ввода информации о величине перемещения (необходимы пробные обработки), а главное, невозможно получение сложного формообразования. Обработка криволинейных поверхностей невозможна, так как система управления позиционная. (Отсутствие управления исполнительными устройствами непосредственно в процессе их движения затрудняет синхронизацию их работы.) Два потока информации увеличивают количество управляющей аппаратуры, что может снизить надежность, а иногда и точность. На точность обработки может влиять время срабатывания управляющей аппаратуры и свободный выбег исполнительного устройства.
Для повышения точности практикуют снижение скорости исполнительного узла при его подходе к запрограммированной точке останова (обычно применяют при позиционировании, т. е. при установочных перемещениях). Применяют также снижение кинетической
15* 451
энергии движущихся масс и сокращение пути перемещения по инерции исполнительных узлов, это достигается отсоединением от исполнительного узла с помощью муфты ротора приводного двигателя, обладающего значительным маховым моментом, и торможением исполнительного узла. Наибольшая точность установки может быть достигнута при использовании жестких упоров, механически прекращающих движение, например, такая схема: контроль по путц, а в конце хода движение до жесткого упора с затухающей скоростью или движение к жесткому упору со сниженной скоростью (место снижения скорости определяется контролем по пути) и отключение привода при достижении упора с контролем по нагрузке.
В децентрализованных системах управления команды выдаются последовательно по мере отработки программы движений исполнительными устройствами, что обеспечивает большую надежность синхронизации такой системы управления.
Управление циклом при централизованной системе сосредоточивается в командоаппарате, и приходится следить за синхронизацией управления, которая может нарушаться при изменении скоростей движения исполнительных узлов.
Общим сходством и недостатком всех разобранных систем управления, особенно если они предназначены для программирования траекторий движения, позиционирования или управления циклом станка, является недостаточная их мобильность. Действительно, при изменении программы необходимо заново выполнить ее в виде физической модели, для чего следует изготовить новые кулачок, шаблон, копир, осуществить новую наладку станка, переставив упоры или конечные выключатели, или изменить положение управляющих элементов командоаппарата. Станки с такими системами иногда недостаточно универсальны даже для серийного производства, если речь идет о частой сменяемости объектов этого производства, где при низкой мобильности оборудования будут наблюдаться еще большие простои при переналадке. Поэтому необходимо уже на стадии проектирования системы управления предусмотреть конструктивные меры, повышающие не только степень автоматизации, но и степень универсальности оборудования.
ЧИСЛОВОЕ ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Как было отмечено, особенностью систем числового программного управления является то, что с помощью символов (знаков, чисел и букв) в них создаются информационные потоки и строятся информационные модели. Эти модели характеризуют формообразование и весь процесс обработки изделий на станках, а также вопросы позиционирования и организационного состояния любых объектов производственного участка (промышленного робота, станочного модуля, магазина инструментов, гибкого автоматизированного участка и т. п.).Необходимая информация сосредотачивается и перерабатывается в устройстве системы числового управления. Если раньше устройства управления строились так, что переработка всей инфор- 452
мации производилась специализированными электронными блоками с фиксированными взаимосвязями, т. е. аппаратным способом, то теперь используют устройства, построенные по структуре ЭВМ.
Такую структуру характеризует универсальность блоков, программируемые связи и последовательное выполнение программным путем всех необходимых операций. Для этого необходимо специальное программное (математическое) обеспечение, вводимое в устройство заранее в виде алгоритмов переработки поступающей информации об управлении объектами. Устройства управления такого рода более универсальны, так как достаточно просто могут приспосабливаться к различным функциональным изменениям только за счет дополнений программного обеспечения или его замены.
В станках с ЧПУ можно выделить следующие основные части информации.
Внешний поток, состоящий из исходных данных (размерных, технологических и т. п.) и всех программируемых команд из числа применяемых на данном оборудовании.
Внутреннюю для каждого устройства управления информацию, содержащую заранее введенные в него алгоритмы (общие программы управления данным оборудованием), например, способы преобразования и запоминания информации или поведение системы управления при различном виде интерполяции, режимы автоматического разгона — торможения исполнительных узлов или подхода к точке позиционирования, выполнение каких-либо стандартных циклов обработки и др.
В зависимости от сложности (возможностей) устройства управления в него закладывается при проектировании и изготовлении или вводится программным обеспечением различное число алгоритмов, в том числе предусмотренных командами кода ISO-7 bit (главным образом функциями G и М). Некоторые возможные режимы работы устройства управления, задаваемые адресами G и М, приведены в табл. 21.1 и 21.2.
Внутренний неизменяемый для данной модели станка или оборудования пассивный поток формообразующей информации, представляющий собой траекторию движений исполнительных устройств по своим направляющим (простые движения).
Поток информации непосредственного управления, связывающий устройство управления (чаще всего тиристорный преобразователь) с приводом каждого исполнительного устройства. (В станках с ЧПУ движение любого исполнительного узла, участвующего в формообразовании, обеспечивается индивидуальным приводом.)
Для замкнутых систем характерен еще активный поток внутренней информации, поступающей от датчиков пути, непрерывно контролирующих положение исполнительных устройств. Эта информация постоянно корректирует процесс управления позиционированием и формообразованием, устраняя незначительные расхождения между программой и ее исполнением.
Перечисленная информация необходима для автоматической работы оборудования по заданной программе.
'21.1. Значения подготовительных функций G
Подготовительная функция
Наименование
Значение
G00
Позиционирование
Перемещение на бь^тром ходу в заданную точку. Предварительно запрограммированная скорость, перемещения игнорируется, но не отменяется. Перемещения по осям могут быть некоординироваиы
G01
Линейная интерполяция
Перемещение с запрограммированной скоростью по прямой от исходной точки к точке, заданной координатами в данном кадре
G02
Круговая интер-
Вид контурного управления для получения
G03
поляция
дуги окружности
G02
При движении по часовой стрелке
Круговая интерполяция, при которой движение исполнительного органа направлено по часовой стрелке, если смотреть со стороны положительного направления оси, перпендикулярной к обрабатываемой поверхности
G03
При движении против часовой стрелки
Круговая интерполяция, при которой движение исполнительного органа направлено против часовой стрелки, если смотреть со стороны положительного направления оси, перпендикулярной к обрабатываемой поверхности
G04
Выдержка н отработке на определенное время (пауза)
Задержка в отработке программы на определенное время, заданное с пульта управления или от программы. Применяется без выполнения тех или иных операций, протекающих за известное время и ие требующих ответа о выполнении
G06
Приближенная интерполяция
Вид контурного управления для получения дуги параболы. Скорость перемещения по осям при образовании этой дуги изменяется устройством управления
G08
Разгон
Автоматическое увеличение скорости перемещения до запрограммированной в начале движения
G09
Торможение в конце кадра
Автоматическое уменьшение скорости относительно запрограммированной при приближении к запрограммированной точке
От G17 до G19
Выбор плоскости
Используется для задания плоскости таких функций, как круговая интерполяция, коррекция режущего инструмента и других (при необходимости)
G33
Нарезание резьбы с постоянным шагом
Выбор режима работы на станке, предназначенном для нарезания резьбы
G34
Нарезание резьбы с увеличивающимся шагом
То же
G35
Нарезание резьбы с уменьшающимся шагом
G40
Отмена коррекции режущего инструмента
Функция, которая отменяет любую коррекцию инструмента
Подгото-
ная
Наименование
Значение
функция
G41
Коррекции ии-
Коррекция на диаметр или радиус инстру-
G42
струмеита — левая
Коррекция ин-
мента при контурном управлении. Используется, когда инструмент находится слева от обрабатываемой поверхности, если смотреть от режущего инструмента в направлении его движения относительно изделия
Коррекция на диаметр или радиус инстру-
струмента — правая
мента при контурном управлении. Используется, когда инструмент находится справа от обра-
G43
Коррекция ин-
батываемой поверхности, если смотреть от режущего инструмента в направлении его движения относительно изделия
Используется для указания, что величину коррекции инструмента (предварительно установленную на пульте управления) необходимо сложить с координатой, заданной в соответствующем кадре или кадрах
Используется для указания, что величину коррекции инструмента (предварительно установленную на пульте управления) необходимо вычесть из координаты, заданной в соответствующем кадре или кадрах
G44
струмента — положительная
Коррекция ии-
От G45 до G52
струмента — отрицательная
Коррекция ин-
Используется для указания, следует ли вы-
струмента
честь (или сложить) величину коррекции инструмента (предварительно установленную иа пульте управления) из заданной координаты
(координат) соответствующего кадра (или кад-
От G54 до G59
Линейный сдвиг
ров) или эта величина равна нулю Используется для выполнения коррекции на
длину или положение инструмента на вели-
Точное позицио-
чину, предварительно установленную на пульте управления или в памяти ЧПУ
G60
Используется для позиционирования в пре-
нирование 1 (высо-
делах одной или двух определенных зон допу-
коточное)
сков. Если необходимо, может применяться
G61
Точное позицио-
как признак подхода с одной стороны
G62
иирование 2 (среднее)
Быстрое позиционирование (грубое)
Нарезание резьбы
Используется для позиционирования в пределах увеличенной зоны допуска в целях экономии времени
G63
Позиционирование с остановкой вращения
G80
метчиком
Отмена постоя н-
шпинделя после достижения заданного положения
Функция, которая отменяет любой заданный
От G81 до G89
ного цикла
Постоянные циклы
цикл
Значения функций G81—G89 приведены в Отсчет перемещения производится от нуле-
G90 '
Абсолютный раз-
G91
мер
вой точки
Размер в прира-
Отсчет перемещения производится относи-
щениях
тельно предыдущей запрограммированной точки
ft-
Подготовительная функция
Наименование
Значение
G92
Установка абсолютных накопителей положения
Используется для изменения состояния абсолютных накопителен положения. При этом движение исполнительных органов станка не происходит
G93
Скорость подачн в функции, обратной времени
Данные, следующие за адресом скорости подачи, равны обратной величине времени в минутах
G96
Постоянная скорость резания
Функция, указывающая, что число, следующее за адресом в слове «скорость шпинделя», равцо скорости резания в метрах в минуту. Скорость шпинделя регулируется автоматически в целях поддержания постоянной (запрограммированной) скорости резания
G97
Частота вращения (шпиндель)
Отменяет G96
21.2. Значения вспомогательных
функций М
Вспомо-
гатель- ная функция
Наименование
Значение
моо
Программируемый останов
Останов без потери информации по окончании отработки соответствующего кадра. После выполнения команд происходит останов шпинделя, охлаждения, подачи. Работа по программе возобновляется нажатием кнопки
М01
Останов с подтверждением
Функция аналогична МОО, но выполняется только при предварительном подтверждении с пульта управления
М02
Конец программы
Функция указывает на завершение отработки программы детали и приводит к останову шпинделя, подачи и выключению охлаждения после выполнения всех команд в кадре. Используется для приведения в исходное положение управляющего устройства и (или) исполнительных органов станка. Возвращение в исходное положение может включать перемотку ленты до символа «начало программы» или протягивание ленты, склеенной в кольцо
МОЗ
Вращение шпинделя по часовой стрелке
Включает шпиндель в направлении, при котором вннт с правой резьбой входит в заготовку
М04
Вращение шпинделя против часовой стрелки
Включает шпиндель в направлении, при котором винт с правой резьбой выходит из заготовки
М05
Останов шпинделя
Останов шпинделя наиболее эффективным способом, выключение охлаждения
Вспомогательная функция
Наименование
Значение
М06
Смена инструмен-
Команда на смену инструмента вручную илн
М07
та
автоматически, не осуществляет поиск инструмента. Может автоматически отключить шпиндель и охлаждение
Включение охла-
Включение охлаждения № 2 (например, мае-
ждения 2
ляным туманом)
М08
Включение охла-
Включение охлаждения № 1 (например, жид-
ждения 1
костью)
М09
Отключение охлаждения
Отменяет М07, М08
М10
Зажим
Относится к зажимным приспособлениям подвижных органов станка
МП
Разжим
То же
М15
Перемещение +
Используется при выборе направления бы-
М16
Перемещение —
строго хода или подачи
М19
Останов шпинделя
Вызывает останов шпинделя при достиже-
МЗО
в заданной позиции
нии определенного угла поворота
Конец ленты
Выключает шпиндель и охлаждение после выполнения всех команд в данном кадре. Используется для установки в нсходиое положение управляющего устройства и (или) исполнительных органов станка. Установка в исходное положение включает в себя перемотку ленты до символа «начало программы»; при записи на ленте нескольких программ управления — до символа «%%», протягивание лентн, склеенной в кольцо, или обращение ко второму считывателю
М31
Отмена блокировки
Команда на временную отмену блокировки
М36
Диапазон подачи 1
Задание диапазона подачи путем переключения кинематической связи
М37
Диапазон подачи 2
То же
М38
Диапазон оборо-
Задание диапазона оборотов шпинделя путем
М39
тов шпинделя 1
переключения кинематической связи
Диапазон оборотов шпинделя 2
То же
М55
Линейное смеще-
Линейное смещение инструмента в положе-
ннеинструмента
в положение 1
ние, определенное жесткими механическими
М56
илн другими .видами упоров
Линейное смещение инструмента
То же
в положение 2
М60
Смена заготовки
Смена заготовки
М61
Линейное смеще-
Линейное смещение заготовки в положение,
ние заготовки в по-
определяемое электрическими, механическими
М62'
ложение 1
иля другими видами упоров
Линейное смеще-
То же
нне заготовки в положение 2
Вспомогательная функция
Наименование
Значение
М71
М72
Угловое смещение заготовки в положение 1
Угловое смещение заготовки в положение 2
Угловое смещение заготовки в положение, определяемое электрическими, механическими или другими видами упоров
То же
Своеобразна непрерывно изменяющаяся модель (картина) состояния запаса инструментов (или заготовок), участвующих, например, в гибком автоматическом производстве. В ячейках памяти устройства управления постоянно сохраняется информация о местонахождении каждого инструмента (заготовки) на данном автоматическом производстве. По мере перемещения инструментов (заготовок) с автоматического склада по конвейеру в магазин инструментов или при подаче их на рабочие позиции (в шпиндели илн на каретки станков) в устройство управления поступают сигналы о новом местоположении инструментов (заготовок); при этом состояния ячеек памяти изменяются в соответствии с новыми положениями инструмента (заготовок), т. е. картина непрерывно меняется, информационная модель организации производства участка является очень динамичной.
Числовые системы управляются предписаниями (различными информационными моделями), задающими процесс переработки исходной числовой информации по заранее определенным и вводимым в устройство управления правилам — алгоритмам, а поэтому смена информационной модели при изменении программы обработки несложная и не требует большого времени. Станки с ЧПУ не только широко автоматизированы, но и очень универсальны.
Так же как в других системах управления," сложное формообразование обеспечивается суммированием простых движений (источник внутренней пассивной информации у них общий — это направляющие исполнительных устройств), но суммирование осуществляется не механизмами, а происходит в устройстве управления с помощью специализированной ЭВМ, называемой интерполятором, который одновременно преобразует кодированную программу в унитарный код. Этот блок устройства управления предназначен для управлении всеми исполнительными устройствами станка, обеспечивающими суммарные или последовательно совместные мини-движения.
При интерполяции может быть использован любой закон изменения сложной траектории движения узлов. Он устанавливается вводом соответствующей информации-инструкции. Чтобы не усложнять интерполятор, иногда его функции делят между универсальной ЭВМ и линейным интерполятором; при этом ЭВМ определяет координаты 458
лишь отдельных промежуточных точек программируемого сложного контура, а линейный интерполятор аппроксимирует участки между точками и находит значения всех остальных точек, располагаемых по линейному закону между промежуточными.
Величину перемещения от одного импульса программы (обычно от одного сигнала унитарного кода) всегда приводят в технических характеристиках станков с ЧПУ; ее .называют дискретностью задания перемещения. В современных устройствах управления наиболее распространены линейно-круговые интерполяторы, при работе с которыми необходимо в программе обработки указывать тот или иной способ интерполяции (функции G01 или G02; G03). При круговой интерполяции аппроксимация производится дугами окружностей.
Принципы работы интерполяторов, т. е. способы создания модели суммирования простых движений, различны. Рассмотрим в качестве одного из возможных вариантов работу интерполятора по методу оценочной функции: при задании информации (вводе очередного кадра программы в устройство управления) в виде координат (обычно заданных приращениями) конечной для данного участка (кадра) точки интерполятор автоматически определяет положение всех точек, по которым должны переместиться формообразующие рабочие органы. Это происходит следующим образом: после передачи на привод одного из исполнительных устройств сигнала от интерполятора о перемещении на один импульс унитарного кода это устройство передвигается на величину дискреты (в качестве средней величины можно указать 0,01—0,005 мм), а интерполятор решает уравнение прямой, дуги окружности или кривой более высокого порядка (что связано с применяемым типом интерполяции), и в зависимости от полученного результата следующий импульс поступит на то исполнительное устройство, которое, перемещаясь, будет создавать суммарное движение, проходящее возможно ближе к траектории, заданной числовой моделью (формулой уравнения) сложного формообразования.
Например, при линейной интерполяции устройство управления решает функцию, полученную из уравнения прямой: Ft = у^х — — х^у, где Xi и yt — текущие координаты точки траектории в импульсах, Ах и Ау — заданные в импульсах приращения координат (перемещения в одном кадре программы). Алгоритм управления построен так, что если в результате решения управления получается нуль или положительная величина, т. е. функция положительна и результат находится в области, расположенной выше теоретической траектории сложного движения (или на ней), то подается сигнал (импульс) в привод исполнительного устройства, осуществляющего движение вдоль оси X. Если в результате решения уравнения (числовой модели) ответ будет получен с отрицательным знаком, то очередной сигнал поступает на привод устройства перемещения вдоль оси У. При таком последовательном способе суммирования движений возникающая погрешность не превышает величины, равной дискретности задания перемещения.
То же можно сказать и о круговой интерполяции, когда в основу модели формообразования положено уравнение окружности. В этом
случае решается функция Ft = х’ + у! — R^, где R — радиус интерполируемой дуги, задаваемый координатами центра радиуса относительно начала дуги.
Для исполнительных узлов, обладающих большим моментом инерции, выгоднее взамен управления ими относительно мощным приводом от интерполятора синхронизировать суммируемые движения с помощью датчика. Так, нарезание резьбы резцом на токарном станке рациональнее осуществлять по схеме: привод шпинделя изделия не управляется интерполятором, но шпиндель снабжается датчиком вращения, синхронизирующие сигналы с которого в унитарном коде поступают в электронный делитель импульсов устройства управления; коэффициент деления (передаточное отношение) делителя программируется.
Сигналы, снимаемые с делителя, являются управляющими для привода продольного движения суппорта. Такой способ суммирования простых движений носит название электронной гитары (в данном случае шага резьбы). Программоносителем является величина передаточного отношения, устанавливаемая с помощью "делителя, которое при необходимости может изменяться во время обработки по любому закону в целях получения, например,'резьбы с неравномерным шагом, нарезания некруглых колес или каких-либо других необычных форм.
В зависимости от назначения станков с ЧПУ их системы управления подразделяют на позиционные, обеспечивающие лишь простые движения, и контурные (функциональные или непрерывные), дающие возможность получения сложного формообразования. Из группы станков с позиционными системами выделяют станки с программированием отдельных точек, когда обработка совершается после позиционирования и иногда с фиксацией этого положения путем закрепления рабочего узла (примером являются сверлильные и расточные станки), и станки с программированием отрезков прямых, параллельных направляющим, а именно станки с прямоугольным циклом обработки (например, фрезерные станки с прямоугольным обходом заготовки при обработке).
Вторая группа станков отличается лишь технологией — обработка производится одновременно с отработкой программы, причем конечные точки обрабатываемых участков определяются вводимой (внешней) информацией, а остальные (промежуточные) точки траектории — внутренней (пассивной) информацией, передаваемой формообразующими устройствами станка при их движении по направляющим. В последнее время начали изготавливать универсальные устройства управления, обеспечивающие как позиционирование, так и контурную обработку. Замкнутые системы ЧПУ, как обеспечивающие большую точность и надежность обработки программы, являются более распространенными. В них все шире используют в качестве привода высокомоментные электродвигатели с тиристорными преобразователями, работающие в следящих системах.
ГЛАВА 22
АППАРАТНЫЕ СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПОДГОТОВКА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ
Управляющая программа представляет собой набор указаний исполнительным органам станка, представленных в кодах системы числового программного управления в последовательности, соответствующей технологическому процессу обработки конкретной детали. В состав управляющей программы входят указания о величине, направлении и скорости относительного перемещения режущего инструмента и заготовки в каждый момент времени обработки, а также все необходимые для реализации технологического процесса специальные команды.
Качество, продолжительность и стоимость подготовки управляющих программ во многом определяют эффективность применения металлорежущих станков с числовым программным управлением. Поэтому практически с начала промышленного использования станков с ЧПУ развиваются автоматизированные методы их программирования, которые по сравнению с подготовкой программ вручную существенно сокращают продолжительность и трудоемкость этого процесса одновременно со значительным повышением качества управляющих программ.
Содержание процесса подготовки управляющих программ, объем и место работы технологов-программистов тесно связаны с разновидностями групп обрабатываемых деталей, технологическими особенностями металлорежущих станков, возможностями используемых систем числового управления, а также с имеющимися комплектами режущего и вспомогательного инструмента. Рациональным в условиях эксплуатации станков с ЧПУ является разделение заготовок на группы по общности конструктивно-технологических признаков, габаритным размерам, видам, методам базирования и крепления деталей на станках, числу управляемых координатных перемещений при обработке и по ряду других признаков, что позволяет широко использовать при подготовке программ типовые технологические приемы, методы программирования и инструментальные наладки.
Для позиционных систем числового программного управления станками программирование часто сводится к непосредственному переносу информации с рабочего чертежа обрабатываемой детали и из технологической карты либо на программоноситель, либо прямо на панель управления станком. При этом обычно не требуется выполнение каких-либо расчетов и даже преобразования исходной информации, достаточно лишь представить в коде системы управления подготовительные и вспомогательные функции. v
Для контурных систем управления процесс подготовки управляющих программ значительно сложнее. Приходится выполнять трудоемкие расчеты по определению координат точек сопряжения эле-
ментов обрабатываемого профиля и параметров его эквидистанты. При обработке профилей, которые не реализуются интерполятором системы управления, необходимо дополнительно решать задачи аппроксимации (т. е. приближенной замены) заданных профилей участками линий, реализуемых интерполятором. Построение эквидистанты профиля связано с тем, что программа обработки детали описывает относительное движение ее и определенной точки режущего инструмента (центра инструмента). Для резцов—это центр дуги окружности при вершине; для концевой фрезы со сферическим торцом — центр полусферы; для концевой цилиндрической фрезы и для электроэрозионной обработки — точка пересечения плоскости детали с осью инструмента и т. д. Если параметры инструмента во время обработки профиля детали остаются неизменными, траектория перемещения центра инструмента является эквидистантой профиля. В процессе программирования эта траектория определяется координатами опорных точек в местах пересечения или касания отдельных геометрических элементов. Более подробное представление траектории, например, с интервалом до одной дискреты, осуществляется интерполятором.
Наряду с особенностями программирования станков различных технологических групп также оказывают влияние на методику подготовки управляющих программ возможности систем числового программного управления. В качестве иллюстрации можно сопоставить аппаратные системы управления и системы, построенные по типу ЭВМ. Последние отличаются значительно более широкими функциональными возможностями. Они могут выполнять с помощью специального программно-математического обеспечения ряд функций, которые недоступны аппаратным системам: составление управляющих программ непосредственно у станка, их редактирование, повторение частей программы, двусторонний обмен программами с библиотекой в ЭВМ более высокого ранга и т. д.
Современные станки с числовым программным управлением различных технологических групп снабжаются специальными инструментальными комплектами. Основными принципами этой оснастки являются типизация режущего и унификация вспомогательного инструмента, что делает инструментальную оснастку универсальной и взаимозаменяемой. Неотъемлемой частью таких комплектов стал вспомогательный инструмент, состоящий из резцедержателей, различных оправок, многоинструментальных головок. Вспомогательный инструмент обеспечивает с помощью настроечных приборов предварительную настройку режущего инструмента на размеры, заложенные в управляющих программах, а также фиксирует его на станках с качеством, необходимым для полной реализации технологических возможностей станков.
Процесс подготовки управляющих программ для любого станка с ЧПУ означает составление серии команд, которые могут быть автоматически выполнены системой управления при получении из заготовки нужной детали. Исходными документами при составлении программы являются рабочий чертеж детали и технологическая 462 ?
карта. Текст готовой программы либо записывается на программоноситель, либо вводится в систему числового управления с помощью клавиатуры и переключателей на пульте управления.
Способ ввода программ в систему числового управления изменяет только вид документа, на котором фиксируются результаты программирования, и не оказывает влияния на процесс подготовки программ, который в обобщенной форме можно представить как последовательность следующих этапов: 1) разработка технологического процесса получения заготовки детали; 2) выбор станка с ЧПУ для обработки детали; 3) назначение способа установки и метода крепления заготовки на станке, определение настроечных размеров детали; 4) выбор инструментальной наладки; 5) разработка оптимизированного варианта технологического маршрута обработки детали, оценка технико-экономических показателей операций; 6) вычисление траектории относительного движения всех используемых инструментов и детали; 7) назначение режимов резания; 8) формирование подготовительных и вспомогательных команд, введение корректоров; 9) формирование фраз и всей управляющей программы, кодирование ее, запись на программоносителе, подготовка сопроводительной документации; 10) контроль и отладка управляющей программы.
Задачи, связанные с подготовкой управляющих программ, целесообразно разделить на четыре группы. К первой группе, обычно решаемой технологом, относятся задачи этапов 1—4, для которых характерно многообразие непрерывно изменяющихся обстоятельств. Так, для выбора станка с ЧПУ нужно иметь сведения на данный момент времени о состоянии станочного парка на участке и его загрузке. Для выбора метода крепления заготовки необходимы сведения об установленных на станках приспособлениях, о наличии приспособлений на складе, и только на основании этих Сведений можно определить оптимальный вариант их применения или необходимость их проектирования.
Для остальных этапов подготовки управляющих программ характерно широкое применение средств вычислительной техники. Эффективность решения этих задач с помощью ЭВМ обусловлена ограниченным объемом исходных данных, весьма сложными и трудоемкими вычислениями, возможностью формализовать алгоритмы решения. Ко второй группе задач относятся задачи этапов 5—7, выполнение которых не связано с выходом на конкретный станок с ЧПУ. Соответствующее программно-математическое обеспечение ЭВМ называют процессором. Третья группа задач охватывает задачи этапов 8 и 9 по согласованию принятых процессором решений с возможностями системы управления и станка; для их выполнения служит отдельная часть программно-математического обеспечения ЭВМ— постпроцессор. Каждая модель станка с ЧПУ обслуживается своим постпроцессором. К четвертой группе задач относятся контроль и отладка подготовленных программ.
Обширна сфера использования ЭВМ в области технологической подготовки машиностроительного производства, которая заключа-
ётся в разработке технологической и плановой документации, в пол- готовке управляющих программ для станков с ЧПУ, в проектирова- 5 нии и изготовлении оснастки, в организации рабочих мест и всего производственного процесса. Роль автоматизации технологической 5 подготовки производства возрастает при широком внедрении оборудования с ЧПУ и особенно при переходе к непосредственному управ- ; лению станочным оборудованием от ЭВМ. Важнейшей целью такой автоматизации является снижение трудоемкости производства, улучшение качества изделий, создание условий труда, сберегающих физические и интеллектуальные силы, человека. Таким образом, автоматизация подготовки управляющих программ для металлорежущих станков с ЧПУ актуальна не только как самостоятельная проблема, но и как составная часть более широкой проблемы создания и эксплуатации систем технологической подготовки производства в | машиностроении с применением средств вычислительной техники. ;■ Существует два направления автоматизации подготовки управля- « ющих программ, которые ориентированы на использование соот- Я ветстввнно универсальных ЭВМ и специальных вычислительных а устройств. Первое из них — применение универсальных ЭВМ для Я подготовки программ при наличии математического обеспечения — Я системы автоматизированного программирования (САП). Первона- Я чально такое математическое обеспечение позволяло вычислять на Я ЭВМ координаты опорных точек обрабатываемых профилей, пара- Я метры эквидистанты и выполнять аппроксимацию. Позже было пере- Я дано на ЭВМ решение технологических задач, кодирование, форми- Я рование и контроль программ. Отдельные пакеты математического ■ обеспечения были объединены в САП, предназначенные для различ- Я ных групп станков с ЧПУ. Необходимость создания САП для каж- В дой технологической группы станков вызвана существенными раз- В линиями в алгоритмах разработки маршрутной технологии для то- В карных, фрезерных, расточных, шлифовальных, многооперационных В и других станков.В
Известно большое число отечественных и зарубежных САП, ко- В торые различаются по технологическому назначению, объему воз- В ложенных на ЭВМ задач, типу используемых ЭВМ, языку задания В исходных данных, структуре. Во многих странах работы по созданию В САП проводились параллельно и почти одновременно, что также уве- ■ личивало их многообразие.■
В качестве примеров отечественных систем автоматизированного ■ программирования можно назвать системы СПСТАУ для токарных ■ станков, САПЗМ, САП4, ГРАВЕР для фрезерных станков, ■ СПСКПА для расточных, станков, БЦСК для многоинструменталь- ■ ных станков. Наиболее известными из зарубежных являются системы SYMAP (ГДР), IFAPT (Франция), GTL (Италия), 2CL (Англия), ■ APT (США), ЕХАРТ (ФРГ), FAPT (Япония). Несмотря на такое ■ многообразие САП, в настоящее время продолжаются работы по созданию новых и совершенствованию уже освоенных систем. Это связано прежде всего с развитием средств вычислительной техники^^И разнообразием требований к САП, недостаточным уровнем автомати- 464■
зации .подготовки программ, а также с появлением более..совершенных станков с ЧПУ и гибких автоматизированных производств. Математическое обеспечение САП строится, как правило, по структуре препроцессор — процессор — постпроцессор (рис. 22.1). Препроцессор дешифрирует исходные данные с входного языка САП на машинный и осуществляет контроль исходных данных. Про- цессор служит для решения общих геометрических и технологических
Рис. 22.1. Структура математического обеспечения САП
задач подготовки управляющих программ, а постпроцессор необходим для окончательного формирования управляющей программы и сопроводительной документации.
Исходные данные вводятся в ЭВМ на языке САП в виде последовательности операторов, определяющих геометрию готовой детали и заготовки, точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей, материал детали. Каждый оператор является самостоятельным этапом алгоритма, описывающего получение детали из заготовки. Запись операторов осуществляется либо в виде свободного текста, либо в специальных бланках с использованием информации рабочего чертежа детали и технологической карты без каких-либо расчетов и
перекодировок. Простота записи исходных данных — важнейшее требование к любой САП.
В памяти ЭВМ хранятся в виде банка постоянной информации данные о станках и системах числового управления, об унифицированных приспособлениях и режущем инструменте, об обрабатываемых материалах, а также схемы размерной увязки различных групп деталей с координатами станка и расположением исходной точки обработки. ЭВМ осуществляет проектирование технологического процесса обработки детали и выдает оптимизированный вариант управляющей программы, ее распечатку в коде системы числового управления и сопроводительную документацию с указаниями о способе установки и о схеме крепления детали, о расположении инструмента в магазине, об операциях по наладке станка, об очередности обработки поверхностей с межоперационными размерами, припу» сками и допусками на обработку.
Подробная информация об относительных перемещениях режущего инструмента и детали, основная часть технологических указаний, режимы резания выдаются наиболее обширным пакетом программ САП (процессором). Вся эта информация выдается ЭВМ на специальном внутреннем языке, отличающемся и от входного языка САП, и от кода программы системы числового управления. Информация с внутреннего языка преобразуется в соответствующий код управляющей программы с помощью постпроцессора. На основе рекомендаций ISO разработан единый внутренний язык процессор— постпроцессор, который обеспечивает возможность подключения любого постпроцессора к различным процессорам, а также возможность независимой подготовки постпроцессоров организациями- разработчиками станков с ЧПУ. Название внутреннего языка CLDATA взято из ,слов «cutter—location data», т. е. «данные о последовательном положении инструмента». Постпроцессор выполняет обычно следующие типовые функции: считывание данных на языке CLDATA, подготовленных процессором; перевод их в систему координат станка, проверку по ограничениям станка и системы управления; формирование команд на перемещения, подготовительных и вспомогательных команд; формирование управляющей программы, выдачу перфоленты, распечатки программы и сопроводительной документации.
Постпроцессоры — важная часть всей САП, хотя пакет программ одного постпроцессора мал по сравнению с пакетом программ процессора. Постпроцессоры бывают либо специального назначения для определенной одной комбинации станок—система ЧПУ, либо универсального назначения для нескольких станков. Общей тенденцией современного станкостроения является повышение уровня стандартизации в системах числового программного управления станками, что приводит к соответствующей стабилизации как общей структуры, так и содержания постпроцессоров. Если система ЧПУ используется на станках различных моделей, на практике становится обычным написание одного обобщенного постпроцессора, который составляется из основного блока, применимого ко всем рассматриваемым
станкам, и набора модулей, определяющих специфические особенности каждого станка. Чтобы привязать новый станок к такому постпроцессору, достаточно ввести новую подпрограмму-модуль.
Применение станков с числовым программным управлением и средств вычислительной техники наиболее эффективно при создании интегрированных (комплексных) систем, охватывающих автоматизацию управления всем потоком информации в машиностроительном производстве, включая проектирование, технологическую подготовку производства, изготовление и сборку изделий. Работы по созданию подобных комплексных систем автоматизированного проектирования и изготовления ведутся в нашей стране и за рубежом. Объектами производства этих систем являются изделия, которые выпускают в больших количествах, но каждое из них должно удовлетворять требованиям заказчика: шпиндельные коробки агрегатных станков, станочные приспособления, специальный режущий инструмент, специальные подшипники качения, кулачковые механизмы для станков-автоматов, штампы и пресс-формы и т. д. В комплексных системах автоматизированного проектирования и изготовления информация, получаемая в ЭВМ при проектировании конструкции и при разработке технологических процессов, преобразуется непосредственно в управляющую программу для оборудования с числовым управлением, в результате чего полностью исключается работа тех- долога-программиста по подготовке управляющих программ. Рассмотренные САП, которые ориентированы на использование универсальных ЭВМ, открывают широкие перспективы для реализации комплексных систем и их отдельных частей.
Другое направление автоматизации подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ связано с использованием специальных вычислительных устройств — программаторов, в состав которых входят микроЭВМ, устройство ввода исходных данных, буквенно-цифровой или графический дисплей, перфоратор и устройство управления. В отличие от универсальных ЭВМ, программаторы можно располагать непосредственно в цехе на участке станков с числовым программным управлением, что существенно сокращает затраты времени на подготовку и отладку управляющих программ. Принципиальной особенностью математического обеспечения программатора является возможность его перестройки либо путем замены микропрограммных блоков памяти, либо «перешивкой» этих блоков, что позволяет сравнительно легко создавать любое число различных модификаций программаторов, ориентированных на подготовку управляющих программ для отдельного станка или для группы однотипных станков.
Для успешной эксплуатации металлорежущих станков с ЧПУ решающее значение имеет безошибочная работа всех звеньев, начиная с процесса подготовки управляющих программ. В связи с этим необходимо принимать меры к тому, чтобы не могли проходить команды программы, влекущие брак детали, поломку инструмента и даже поломку станка. В устройствах передачи информации в виде дискрет-
них символов обычно используют программные и аппаратные средства, позволяющие выявить ошибочные символы.
Простейшим примером использования специальных кодов с обнаружением ошибок является контроль на четность: для увеличения помехоустойчивости в коде ISO-7 bit предусматривается пробивка отверстий на восьмой дорожке перфоленты таким образом, чтобы общее число отверстий на каждой строке было четным; при считывании информации это условие проверяется отдельной логической схемой, и если оно не соблюдается, то ввсд программы автоматически прекращается и выдается соответствующий сигнал на панель оператора. Контроль на четность приводит к некоторой избыточности вводимой информации, однако он позволяет обнаружить до 70 % случайных ошибок. Существуют коды, позволяющие обнаружить двойные ошибки в символе и автоматически их исправить. Для этого в коды символов добавляются дополнительные «1» по определенной закономерности. Увеличение надежности таких кодов осуществляется также за счет избыточности информации, так как двоичный эквивалент символа получается большей длины, чем при его передаче без контроля.
В системах числового программного управления станками нашли j место и другие методы увеличения надежности ввода и передачи ин- - формации, использующие как закономерности в составлении информации, так и специальные тесты. Поскольку код ISO-7 bit использует только часть буквенного алфавита, возможно автоматическое вы- : явление буквы, которая не входит в состав принятых в коде. Применяют также подсчет цифр, следующих за каждым_,адресом: если количество цифровых строк не соответствует принятому в коде, то вырабатывается сигнал ошибки.■
При подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ = наиболее распространены два вида ошибок. Основными источниками ' ошибок первого вида (ошибочных символов) являются сбои перфораторов и считывающих устройств, дефекты перфоленты. Ошибки второго вида (логические ошибки) имеют место в результате непра- ; вильного задания исходных данных для САП или информации о перемещениях по координатам. Алгоритм контроля управляющих ? программ (рис. 22.2) обеспечивает обнаружение и синтаксических, и логических ошибок с выдачей сообщений о характере ошибок, их J местонахождении. В основе логического контроля программ лежит ; особенность рабочих органов станков С ЧПУ возвращаться в исходное положение после окончания обработки детали, в результате чего ; алгебраическая сумма приращений, задаваемых всей программой; вдоль каждой координаты, всегда равна нулю. Если на станке воз-; можна смена инструмента в произвольной точке рабочего простран- ( ства, то суммирование приращений вдоль каждой координаты проводится по всем инструментам, участвующим в обработке по контролируемой программе. При смене инструмента в исходном положении, рабочих органов станка целесообразно суммировать приращения 5 вдоль каждой координаты для каждого инструмента в отдельЧ ности.j
N — номерN — номерграмм:^ ^ АЛГ°РИ™ синтаксического и логического контроля управляющих про-
N — номер
N — номер
— номер инструмента; п — — число координат; Д^ — координате с номером к, за-— номер инструмента; п — — число координат; Д^ — координате с номером к, за-кадра; L — предельно Допустимая длина кадра; I число используемых инструментов; к — номер координаты; т перемещение инструмента с номером t относительно детали по даваемое одним кадром
— номер инструмента; п — — число координат; Д^ — координате с номером к, за-
— номер инструмента; п — — число координат; Д^ — координате с номером к, за-
Эффективна также графическая и смысловая визуализация текстов управляющих программ с помощью графических дисплеев или чертежных автоматов. При этом программа представляется в виде, удобном для анализа технологом-программистом: возможно контрольное вычерчивание траектории относительного перемещения центра инструмента и детали, вычерчивание окончательно получаемого контура детали, представление ее в аксонометрическом изображении с вынесением видов по интересующим направлениям.
К заключительным этапам контроля управляющих программ относятся проверка их непосредственно на станке при обработке в специальных контрольных режимах: покадровая отработка, реализация автоматических циклов, отработка только геометрической или только технологической информации и т. д.
Для большинства деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, характерна высокая сложность технологических процессов обработки при повышенных требованиях к точности и шероховатости поверхностей. В таких условиях практически невозможно подготовить работоспособную управляющую программу без внесения в нее изменений на этапе отладки, который тесно взаимосвязан с этапами контроля программы и исправления обнаруженных ошибок. Отладка Црограмм предусматривает выполнение необходимых коррекций и редактирования.
Коррекцией управляющей программы обычно называют внесение числовых поправок на величины перемещений, размеры инструментов, погрешности технологических баз и кинематических цепей. При этом состав и последовательность фраз программы остаются без изменений.
Коррекции вносит станочник-оператор по результатам замеров, полученных либо в процессе графического контроля программы, либо в процессе пробной обработки на станке. В аппаратных устройствах числового управления величины числовых поправок устанавливаются с помощью специальных переключателей корректоров на панели управления. Каждая поправка относится к определенной команде в программе. В системах числового управления, построенных по типу ЭВМ, коррекция программы осуществляется внесением программных корректоров, которые задаются с помощью функциональных клавиш и поля цифрового набора на панели управления специальными командами ввода или удаления корректора. Каждая числовая поправка вводится в свою ячейку оперативной памяти (программный корректор) и далее используется для соответствующего инструмента или перемещения при отработке программы.
Редактирование готовой управляющей программы связано с изменением отдельных слов, фраз, их последовательности, а также с удалением или вставкой слов и фраз. При редактировании программа рассматривается как текст, представляющий собой последовательность символов, который может подвергаться редакторской правке. Эта правка может выполняться либо с заранее подготовленным текстом (редакторским файлом), либо с составлением его во время редактирования в режиме диалога с ЭВМ. Поиск редактируемого
файла, т. е. участка или символа программы, подлежащих изменению, может проводиться в массиве программы по нужному адресу или по идентификатору текста. Содержательное изменение программы может осуществляться и на языке задания исходных данных системы автоматизированного программирования. В этом случае технолог- программист вводит в ЭВМ с помощью дисплея сообщение об изменениях в составленных ранее исходных данных.
УЗЛЫ АППАРАТНЫХ СИСТЕМ
При решении задач управлений конкретным станком система числового программного управления производит определенную последовательность логических и арифметических операций, которая составляет алгоритм работы системы. В аппаратных системах числового программного управления алгоритм работы реализуется специальным построением электронных схем — функциональных узлов, работающих параллельно в течение каждого цикла (рис. 22.3). Такие системы выдают управляющие воздействия рабочим органам станка в соответствии с программой управления, вводимой обычно с помощью восьмидорожковой перфоленты. Рассмотрим функционирование основных узлов контурных и позиционных аппаратных систем числового управления.
Алгоритм функционирования контурной системы числового программного управления содержит следующие этапы преобразования информации управляющей программы: построчное непрерывное чтение слов одного кадра (одной фразы) с остановкой фотосчитывающего устройства по команде «Конец кадра», контроль вводимой информации, ее дешифрация и размещение в буферной памяти; передача информации в рабочую память после отработки предыдущего кадра и заполнение буферной памяти информацией следующего кадра; интерполяция с корректированием размеров и положения инструмента; формирование и передача управляющих воздействий рабочим . и вспомогательным органам станка через узел связи с приводами подач и узел связи с электроавтоматикой.
Фотосчитывающее устройство (ФСУ) предназначено для формирования последовательности электрических импульсов, соответствующих комбинации пробитых на каждой строке перфоленты отверстий. Импульсы от ведущей дорожки (синхродорожки) используются для синхронизации импульсов от кодовых дорожек. ФСУ имеет лентопротяжный механизм, специальную осветительную лампу, фокусирующую линзу и столик со сквозной щелью, за которой расположена головка с фотоэлементами. Лентопротяжный механизм обеспечивает продольное перемещение перфоленты относительно фотоэлементов по команде от узла ввода управляющей программы-
Световой поток от осветительной лампы фокусируется в узкую полоску, направленную на строку перфоленты, и каждой комбинации отверстий строки соответствует комбинация освещенных фотоэлементов, на выходе которых появляются электрические импульсы «1». Эти импульсы поступают в усилители считывания, которые служат для усиления и формирования импульсов синхронизации и
импульсов, считываемых с кодовых дорожек. Скорость считывания информации с перфоленты в различных ФСУ составляет 200— 800 строк в секунду.
^ограл?^®”
кадра и размещение цифровых кодов, пришедших с каждым адресом, в определенных’ ячейках А, В, С, ..., Т, М буферной памяти (рис. 22.4). В некоторых системах числового управления узел ввода преобразует вводимую информацию в двоичный код; если система управления работает в двоично-десятичном коде, то такое преобразование не требуется. Кроме того, узел ввода обеспечивает пуск и остановку работы системы управления по программе, перемотку перфоленты, остановку на выбранном кадре, покадровый, ручной и дру-
Фотосчитывающее устройство
Узел ввода управляющейпрограммы
Узел буфернойпамяти
Специализированныйвычислительныйузел
Панель ручного управления
Узелкорректирования
Рис. 22.4. Функциональная схема ввода кадра управляющей программы
Рис. 22.5. Функциональная схема ячейки буферной памяти
Узел связис приводами подач
Узел связи с электроавтоматикой станка
X, У, Z,
А, В, С,В, .U.v.w.p.QAF
S,T,M
Приводы подачстанка
Электроавтоматикастанка
Датчики1 положения
Датчики состояния
Рис. 22.3. Структурная схема аппаратной системы числового управления
Узел ввода управляющей программы принимает усиленные и chhJ хронизированные импульсы от кодовых дорожек перфоленты. Этот® узел осуществляет контроль ввода программы, дешифровку адресу 472 • 1
гие режимы ввода программы, вызов автоматических циклов, а также связь с панелью ручного управления, имеющей оперативные средства управления, поле ручного набора кадра и экран цифровой индикации (алфавитно-цифровой дисплей).
Контроль ввода программы необходим для выявления ошибок, внесенных при записи программы на перфоленту или допущенных фотосчитывающим устройством. Обычно дешифратор адресов и специальная логическая схема контроля выполняют контроль структуры слова, контроль на четность и контроль появления адреса, который не входит в состав кода ISO-7 bit. Такой контроль ввода программы существенно повышает надежность передачи информации. При обнаружении ошибки формируется сигнал «Ошибка ввода», который прекращает дальнейшую отработку программы.
Наличие в системе числового управления узла буферной памяти (промежуточной) предотвращает перерывы в процессе работы при-
водов подач станка во время ввода в интерполятор очередного кадра программы. Если очередной кадр программы вводить в интерполятор непосредственно из фотосчитывающего устройства, то время чтения и ввода кадра составляет около 0,1 с, что нарушает непрерывность интерполирования. Время же ввода информации в интерполятор из буферной памяти определяется только быстродействием электродных схем и поэтому настолько мало, что практически не ощущается приводами подач.
Функциональная схема одной ячейки буферной памяти для хранения информации в двоично-десятичном коде приведена на рис. 22.5. Такая ячейка предназначена для хранения цифровых кодов, поступивших с соответствующим адресом. Число ячеек в буферной памяти определятся набором используемых в конкретной системе числового управления адресов кода ISO-7 bit. Ячейка памяти состоит из четырех регистров сдвига Р1, Р2, Р4, Р8, число разрядов которых равно числу десятичных разрядов цифрового кода за соответствующим адресом. Например, скорость подачи F17 имеет цифровой код, ' задаваемый двумя десятичными разрядами, поэтому на перфоленте за адресом F всегда расположены две строки, и каждый регистр ячейки памяти адреса F — двухразрядный.
При чтении любого слова на перфоленте дешифратор адресов ; (см. рис. 22.4) выделяет ячейку памяти, соответствующую расшифро- ; ванному адресу (в данном случае адресу F), и устанавливает триггер Т (см. рис. 22.5) в состояние «1». В результате этого импульсы j от кодовых дорожек могут записываться через открытые схемы И ; в регистры. Импульсы от синхродорожки подаются на входы сдвига регистров, и каждая новая строка перфоленты производит сдвиг i цифровых кодов в регистрах на один разряд. Следующий адрес кадра ) устанавливает триггер Т в состояние 0. Введенная в ячейку памяти ] адреса F информация хранится в ней до момента появления в после- j дующих кадрах нового кода с тем же адресом.j
Узел корректирования (см. рис. 22.3) позволяет в процессе об- j работки на станке вводить по команде от управляющей программы! корректирование либо относительного положения инструмента и за-1 готовки, либо размеров инструмента, предусмотренных программой; | Например, при токарных операциях, несмотря на предварительную| настройку положения резцов в резцедержателях с помощью специаль-| ного высокоточного приспособления, в процессе резания появляются! отклонения положения центра инструмента от заданного программой,! и необходимо корректирование положения инструмента, т. е. допол-! нительное перемещение центра инструмента в точку, предусмотрен-! ную программой. При фрезерных операциях обычно выполняется^ корректирование радиуса концевых цилиндрических (при плоской! обработке) и шаровых (при объемной обработке) фрез, а также корректирование или полный расчет траектории движения центре инструмента, являющейся эквидистантой обрабатываемого контуре детали.Л
Необходимые величины корректирования оператор набирает ня панели ручного управления переключателями-корректорами. Но4^
мера используемых в программе корректоров задаются с адресом L. После ввода кадра, содержащего обращение к корректору, узел ввода опрашивает соответствующий корректор. Узел корректирования преобразует десятичное число, установленное на корректоре, в двоично-десятичное, осуществляет пересчет заданных программой перемещений по координатам и передает результаты пересчета в буферную память. Вычислительный узел реализует алгоритм интерполирования с учетом выполненного пересчета.
При наличии возможности корректирования эквидистанты обрабатываемого контура детали радиус используемой фрезы может отличаться от запрограммированного. Такая возможность может быть реализована с помощью специальной электронной схемы корректирования эквидистанты, выполняющей алгоритмы корректирования. Разность между диаметрами запрограммированной и используемой фрез со знаком оператор набирает переключателями на панели ручного управления. В результате пересчета, выполняемого схемой корректирования эквидистанты, центр фрезы будет перемещаться не по заложенной в программе эквидистантной траектории, а по скорректированной. Некоторые аппаратные системы числового управления позволяют задавать переключателями на панели управ- ления весь радиус фрезы. Тогда при программировании полностью упраздняется этап построения эквидистанты обрабатываемого профиля, который реализуется в этом случае автоматически узлом корректирования по соответствующим алгоритмам.
В контурных системах числового ' программного управления специализированный вычислительный узел выполняет следующие основные функции: интерполяцию, задание скорости подач и поддержание постоянной контурной скорости. Интерполятор является важнейшим узлом всей системы числового управления, остальные ее узлы подготавливают для интерполятора информацию и преобразуют выдаваемые интерполятором электрические импульсы в сигналы управления приводами подач станка. Интерполятор за время отработки одного кадра выдает по управляемым координатам определенное программой число импульсов. Другими словами, любой интерполятор интерполирует и обеспечивает взаимосвязь перемещений по координатам. На каждый импульс интерполятора привод соответствующей координаты осуществляет перемещение рабочего органа станка на величину одной дискреты. Для большинства станков дискретность равна 0,01 мм/импульс или 0,005 мм/импульс.
Исходная информация для контурных систем числового программного управления задается по чертежу детали только для конечного числа опорных точек на ее поверхности. Однако для осуществления на станке процесса формообразования необходимо, чтобы в каждый момент времени обеспечивалось согласованное движение рабочих органов станка по двум или большему числу координат, т. е. электрические импульсы на приводы должны поступать непрерывно в соответствии с требуемым законом движения. С помощью интерполятора заданный контур между опорными точками аппроксимируется отрезками прямых линий, дугами окружности, параболами, кривыми
второго порядка в общем виде, полиномами второго—четвертого порядков и т. д. Использование интерполяторов второго порядка сокращает объем расчетов при подготовке управляющих программ, увеличивает точность и чистоту обработки поверхностей. Унитарный код (последовательность импульсов) с выходов интерполятора подается при дискретном приводе подач на электронные коммутаторы, а при следящем приводе — на узел согласующего преобразователя.
Наибольшее применение находят линейно-круговые двух- и трехкоординатные интерполяторы, так как большинство машиностроительных деталей содержат контуры, составленные из прямолинейных
Рис. 22.6. Функциональная схема цифрового интегратора с параллельным (а) И последовательным (б) переносомРис. 22.6. Функциональная схема цифрового интегратора с параллельным (а) И последовательным (б) переносом
Рис. 22.6. Функциональная схема цифрового интегратора с параллельным (а) И последовательным (б) переносом
Рис. 22.6. Функциональная схема цифрового интегратора с параллельным (а) И последовательным (б) переносом
и круговых участков. При программировании более сложных криво
линейных участков контуров, в том числе точечно-заданных контуров, обычно используется линейное или круговое аппроксимирова
ние. Линейно-круговые интерполяторы реализуют алгоритм решения либо дифференциальных, либо алгебраических уравнений прямой
линии и окружности.
Дифференциальные уравнения прямой линии и окружности решаются методом интегрирования с помощью цифровых дифференциальных анализаторов. Обычно система дифференциальных уравнений приводится к виду, при котором выполняются только операции суммирования и умножения, что позволяет решать уравнения с использованием цифровых интеграторов и сумматоров. Сочетание нескольких интеграторов обеспечивает решение задачи интерполяции
отрезка прямой и окружности, произвольно расположенных в пространстве. Объемная линейная и плоскостная круговая интерполяции могут выполняться любой схемой, которая имеет устройство логического переключения, управляемое с помощью G-функций.
Трехкоординатная интерполяция окружности является частным слу чаем объемной сферической интерполяции.
. Цифровые интеграторы могут быть построены по схеме параллельного или последовательного переноса (рис. 22.6, а). В регистр вво-.
дится число АХ, характеризующее конкретное значение интегрируемой функции. Это число может быть передано в сумматор через элементы «И», управляемые генератором импульсов, которые представляют собой приращения независимой переменной tb При подаче
каждого импульса содержимое регистра суммируется с числом, находящимся в этот момент в сумматоре. Частота выходных импульсов переполнения сумматора X, пропорциональна числу, находящемуся в регистре. При полностью заполненном регистре частота выходных импульсов равна частоте импульсов генератора. Если в процессе подачи импульсов генератора число в регистре будет изменяться в соответствии с заданной функцией, то будет осуществляться интегрирование этой функции. Для изменения значений входной функции регистр обычно выполняется в виде реверсивного счетчика, на вход которого подаются приращения АХ.
В цифровом интеграторе с последовательным переносом (рис. 22.6, б), который часто называют двоичным умножителем, импульсы tt поступают на делитель; после первой ячейки делителя частота импульсов уменьшается в 2 раза, после второй — в 4 раза, после третьей — в 8 раз, после четвертой — в 16 раз. Сигналы с выхода каждой ячейки делителя поступают через элементы «И» на схему объединения. Элементы «И» открываются теми разрядами регистра, в которых записаны «1». На выходе интегратора частота следования импульсов пропорциональна числу, находящемуся в регистре. Так же как и в предыдущем случае, для интегрирования переменной функции регистр нужно выполнить в виде реверсивного счетчика.
Алгебраические уравнения прямой линии и окружности используются в линейно-круговых интерполяторах, реализующих интерполяцию методом оценочной функции. Если интерполируемые прямая линия или окружность представлены в виде F (X, У) = О, то они делят координатную плоскость на две области: для одной области F (X, У) > 0, а для другой F (X, У) < 0. При линейной двухкоординатной интерполяции оценочная функция имеет вид
F (X, У) = X - У,
где X, У — текущие значения координат,; Хк, Ук — координаты "точки конца прямолинейного отрезка при расположении точки начала отрезка в начале координат.
При линейной интерполяции с раздельными шагами по координатам знак оценочной функции в предыдущем шаге определяет перемещение на одну дискрету по одной из координат таким образом, чтобы в следующем шаге текущие значения координат приближались к точкам, расположенным на заданном прямолинейном отрезке. Если F (X, У) ^ 0, то перемещение на одну дискрету выдается по координате X, если F (X, У) < 0, то следующий шаг осуществляется по координате У. Этот процесс реализует схема интерполятора с частотой импульсов, определяемой блоком задания скорости, до тех пор, пока траектория интерполяции не достигнет конца интерполируемого отрезка.Один цикл алгоритма работы интерполятора составляют: выдача импульса на привод одной из координат в зависимости от знака оценочной функции в предыдущей точке траектории, вычисление координат новой точки, в которую выполнен шаг, вычисление величины оценочной функции со знаком в новой точке, сравнение
координат новой и конечной точек отрезка для установления окончания интерполяции в пределах отрабатываемого кадра.
Лучшее приближение к заданной траектории отработки дает интерполяция по методу оценочной функции с прогнозирующими шагами. При этом методе импульсы (шаги) на привод отстают от прогнозирующих шагов на один цикл расчетов: знак оценочной функции, полученной в результате прогнозирующего шага, определяет шаг перемещения приводов. Если для прогнозирующего шага F (X, У) > 0, то дается шаг по координате X, если F (X, У) < О, то даются одновременно шаги по координатам X и У.
Для круговой двухкоординатной интерполяции оценочная функция имеет вид
F (X, У) = X2 + У2 — R1,
где X, У — текущие значения координат при расположении центра окружности в начале координат; R — радиус окружности.
Алгоритмы круговой интерполяции как с раздельными шагами по координатам, так и с прогнозирующими шагами построены по аналогичным, рассмотренным выше для линейной интерполяции циклам. Принципиальное различие заключается лишь в реализуемых алгебраических выражениях для подсчета текущих значений координат и оценочной функции. Кроме того, алгоритм круговой интерполяции модифицируется для каждого из четырех квадрантов с учетом направления движения по окружности.
Трехкоординатные линейно-круговые интерполяторы, использующие метод оценочной функции, осуществляют линейную интерполяцию одновременно по трем координатам X, У, Z, а круговую интерполяцию — в одной из трех плоскостей обработки ХУ, XZ, YZ, назначаемых в программе. При линейной интерполяции автоматически выбирается в кадре ведущая координата с наибольшей величиной перемещения, относительно которой проводится интерполяция по двум другим координатам. Алгоритм вычислений использует проекции интерполируемого прямолинейного отрезка на координатные плоскости. Импульс на привод ведущей координаты выдается в каждом расчетном цикле, а импульсы на ведомые координаты — в зависимости от знака оценочной функции прогнозирующих шагов.
Более сложные математические, алгоритмические и аппаратные задачи интерполяции возникают при возрастании числа одновременно управляемых координат свыше трех, а также при управлении- приводами подач в неортогональной системе координат. В таких случаях общей тенденцией является переход от аппаратной реализации алгоритмов интерполяции к программной в системах числового; управления, построенных по типу ЭВМ.
Непрерывное перемещение режущего инструмента относительно' обрабатываемой заготовки по заданной траектории связано с требо-; ванием автоматического управления контурной скоростью. Решение этой задачи при многокоординатном управлении сводится к установлению такого соотношения между координатными составляющим» вектора скорости, чтобы он сохранял заданное значение независимо^
от направления. Характер технологического процесса обработки, уровень автоматизации ввода и переработки исходной информации, необходимая точность управления обусловливают возможность и целесообразность выполнения задачи управления контурной скоростью либо на этапе подготовки программы, либо устройством управления; применяют также и комбинированный вариант. Современные средства автоматизации программирования позволяют вносить изменения величины контурной скорости в соответствующих кадрах программы.
При выполнении интерполятора на основе цифрового дифференциального анализатора обеспечивается постоянство контурной скорости подачи независимо от числа одновременно управляемых координат. При интерполяции методом оценочной функции контурная скорость изменяется при переходе от одной координаты к двум и трем координатам соответственно в отношении 1 ly^H 1 : V3, поэтому для обеспечения ее постоянства необходимо специальное дополнительное устройство. К традиционным методам автоматического поддержания контурной скорости, которые используются в интерполяторах, работающих в прямоугольной системе координат, относятся метод определения угла наклона интерполируемого участка и метод шага. В первом случае реализуется функциональная зависимость между частотой импульсов, вырабатываемых генератором задания скорости, и углом наклона интерполируемого участка (или касательной к нему) к направлению ведущей координаты. Поддержание постоянства контурной скорости осуществляется за счет регулирования частоты импульсов генератора. Второй случай характеризуется тем, что период времени на выдачу очередного импульса на привод увеличивается в отношении 1 : ^2 или 1:^3 при наличии командных импульсов выполнения обработки по двум или трем координатам, что соответствует уменьшению мгновенной частоты импульсов.
Общим исходным условием выполнения многих технологических процессов обработки является необходимость поддержания заданного углового положения инструмента относительно нормали к контуру или поверхности обработки. Это относится, например, к торцовому контурному фрезерованию и шлифованию, к обработке линейчатых поверхностей, рисунков протектора на шинных пресс-формах и т. д. При обработке в полярной системе координат
а = arctg -^, р = /X2 4- У2.
В модификации метода оценочной функции для реализации указанных зависимостей в качестве величины, пропорциональной полярному углу а, принимается текущее значение длины дуги интерполируемой кривой. Это значение определяется таким образом, чтобы площадь кругового сектора была меньше площади ломаного, построенного на ломаной линии предыдущих шагов интерполяции. Преимущество алгоритма подсчета площадей заключается в том, что вычисление тригонометрических зависимостей заменяется операциями алгебраического сложения.
Задание посерхности в виде дискретного точечного каркаса является достаточно универсальным. При подготовке управляющих программ обработки таких поверхностей на станках с ЧПУ используют различные методы интерполяции как кривых линий на поверхностях, так и целых участков поверхностей. Такие методы интерполяции используют и при построении алгоритмов систем автоматизированного проектирования фасонных поверхностей с применением ЭВМ. Разработано много методов интерполяции сложных поверхностей, каждый из которых, однако, не обладает достаточной универсальностью. В качестве примера можно привести интерполирование точечно-заданных кривых методом сплайн-функций. При вычерчивании по точкам на плазе теоретических обводов летательных аппаратов, судов, автомобилей применяют гибкие плазовые рейки, представляющие собой планки прямоугольного сечения из балинита или плексигласа длиной 700—5000 мм. Для вычерчивания линий с резкими переходами кривизны применяют плазовые рейки переменного сечения. Такая физическая интерполяция точечно заданных кривых хорошо зарекомендовала себя на практике, поэтому были получены аналитическим путем аналогичные интерполяционные кривые. Метод сплайн-функций заключается в решении уравнений, описывающих условия равновесия плазовой рейки с учетом исходных данных й параметров сопряжения.
В многооперационных, координатно-расточных, шлифовальных и некоторых других станках применяют позиционные или позиционно-контурные (универсальные) системы числового программного управления, которые выполняют следующие режимы позиционного управления приводами подач: перемещение рабочих органов станка на ускоренном ходу в заданные координаты с заданной точностью либо их перемещение на скорости подачи при обработке поверхностей с образующими, параллельными осям координат. Обычно эти режимы осуществляются специализированным вычислительным узлом (см. рис. 22.3) без использования интерполятора, так как они не требуют взаимосвязи перемещений по координатам. Для позиционного управления рабочим органом станка программой задается его положение относительно начала отсчета и одна из подготовительных функций G, учитывающих требования по изменению скорости в различных точках перемещения от исходного до заданного положения. Эти требования заключаются в том, чтобы в различных технологических режимах обеспечить оптимальные по динамическим параметрам движение в заданную позицию и останов рабочего органа с необходимой точностью. Основная часть пути должна быть пройдена с наибольшей скоростью или со скоростью подачи, а в зоне торможения должен быть обеспечен оптимальный режим снижения скорости в функции от величины рассогласования действительного положения рабочего органа и заданного программой. Можно не задавать все значения скорости рабочего органа в зоне торможения, а ограничиться лишь несколькими промежуточными значениями (рис. 22.7). Выдача сигналов, которые задают скорость движения при рассогласованиях, определяемых уставками У4, УЗ, У2, У/, осуществляется
•автоматически. При рассогласовании, большем уставки У4, выдается сигнал ускоренного хода или скорости рабочей подачи F4, при меньшем У4 и большем УЗ — сигнал ступени скорости F3 и т. д. Величины уставок по пути У4—У1 и по скорости F3—F1 подбираются
в системе числового управления в процессе ее наладки.
Операции вычислений выполняются вычислительным узлом цик
органа станка при позиционированииоргана станка при позиционированиилически по следующим адресам: координатные перемещения, скорости перемещений по координатам, скорость главного движения, номер инструмента. Для координатных перемещений величина рассогласования по пути определяется алгоритмом (например, для координаты X):
органа станка при позиционировании
органа станка при позиционировании
' X = АХ + XI + Х2 + ХЗ, тде с учетом знака АХ — запрограммированное перемещение по координате; XI — положение рабочего органа относительно начала отсчета, Х2 — -величина смещения начала отсчета; ХЗ — величина корректирования перемещения.
После вычисления величины рассогласования осуществляется ее сравнение с вели
чинами уставок и передача ре
зультата в узел связи с приго-
дами подач, где формируются сигналы скорости и направления перемещения рабочего органа, которые выдаются либо командой на включение соответствующей ступени торможения, либо командой заданной скорости подачи. Функционирование узла связи с приво
дами подач как в режиме позиционного, так и в режиме контурного •управления определяется*типом приводов подач и типом датчиков положения рабочих органов.
Получение полного диапазона скорости вращения шпинделя 'станка достигается регулированием частоты вращения электродвигателя постоянного тока (уставки S3 электрических ступеней скорости) и изменением передаточного отношения автоматической коробки скоростей (уставки SM механических ступеней скорости). Весь диапазон скорости вращения шпинделя разбивается на геометрический ряд фиксированных значений со знаменателем ряда <р = = 1,12. Нужная скорость вращения шпинделя задается в программе адресом S с кодом скорости и вспомогательной функцией М направления вращения шпинделя. Вычислительный узел сравнивает заданный код скорости с кодами ступеней SM и S3. Управление главным -приводом осуществляется выдачей дешифратором узла связи с электроавтоматикой станка сигналов включения механических ступеней
скорости шпинделя и электрических ступеней внутри механических, причем явное большинство переключений относится к электрическим ступеням. Величины уставок SM и S9 набираются перемычками
в узле связи с электроавтоматикой. Когда в системе числового управления не предусмотрено вычисление SM и S3, их коды задаются в программе.
При. управлении магазином инструментов вычислительный узел производит вычисление разности между номером инструмента в носителе и номером ячейки магазина, находящейся против носителя, т. е. вычисление рассогласования между фактическим и заданным положениями магазина. Регистры узла памяти содержат коды номеров инструментов в шпинделе, в носителе (манипуляторе) и заданного в следующем кадре программы. Перезапись информации в этих регистрах при смене инструмента производится командами, поступающими от магазина. Все перемещения магазина инструментов целесообразно выполнять во время обработки детали предыдущим инструментом. В качестве датчика положения магазина применяют датчики с фазовым или кодовым выходом. При использовании датчика с фазовым выходом магазин перемещается в две ступени. На первой ступени управление приводом магазина выполняется аналогично позиционированию приводов подач. На второй ступени управление осуществляется схемой станка, которая производит окончательную доводку магазина до оси шпинделя. Позиционирование инструментального магазина возможно по кратчайшему пути. При использовании кодового (цифрового) датчика положения магазина число дискрет датчика должно соответствовать числу ячеек для инструментов. Для обеспечения перемещений магазина по кратчайшему пути рассогласование между фактическим и заданным положениями магазина сравнивается с величиной, равной половине числа ячеек для инструментов.
Вычислительный узел (рис. 22.8) выполняет последовательное сложение одноименных десятичных разрядов чисел в двоично-десятичном коде. Арифметическое устройство состоит из четырех одноразрядных двоичных сумматоров’ обеспечивающих параллельное сложение всех разрядов одной тетрады. Регистр знака слагаемого управляет входным преобразователем кода, с помощью которого отрицательные числа на входе арифметического устройства представляются в обратном коде. Регистр переносов служит для хранения разрядных - переносов частичных сумм и выдачи их на арифметическое устройство с задержкой на один такт синхросигналов. Обратный код отрицательного числа, полученный на выходе арифметического устройства, преобразуется в прямой выходным преобразователем кода. На входы схемы коммутации поступают выходные коды и сигналы коммутации от арифметического устройства и выходного преобразователя. По соответствующим сигналам йоммутации на выход схемы коммутации проходят либо код суммы до преобразования, либо код суммы после’ него. Код на выходе накапливающего регистра, работающего по двухтактной схеме, является вторым слагаемым реализуемого вы-j числения.j
Узел связи с электроавтоматикой станка (см. рис. 22.3) форми-" рует сигналы управления главным приводом по адресу S, магазинов инструментов по адресу Т и технологическими операциями по адресу!
М, принимает от датчиков состояния устройств электроавтоматики эхосигналы о выполнении сигналов управления, а также выполняет согласование уровней сигналов устройств системы числового управления и станочного электрооборудования.
Исполнительными устройствами электроавтоматики станка являются пускатели, электромагнитные муфты и тормоза, путевые выключатели, гидравлическая и пневматическая аппаратура с электроуправлением, -различные датчики. Можно выделить пять групп сигналов, поступающих в узел связи: командные входы, требующие
Кой слагаемого
Рис. 22.8. Функциональная схема вычислительного узла при позиционном управлении рабочими органамиJ 1
подтверждения, т. е. непрерывного опроса состояния в процессе выполнения команды; командные входы однократного действия; опрашиваемые входы состояния станка; инициативные входы состояния станка; инициативные командные входы.
На первые три вида входов поступают команды от управляющей программы, панели ручного управления и датчиков станка, определяющих положение исполнительных механизмов в процессе выполнения команд. Эти входы опрашиваются выборочно в заранее предусмотренных ситуациях в соответствии с программой или процедурой наладки. Последние два вида входов имеют приоритет перед остальными, и их команды должны исполняться сразу же после появления. К ним относятся прежде всего блокировочные и аварийные команды.
В зависимости от полученной команды объем логических задач, решаемых электроавтоматикой станка, может быть весьма различен: от включения единичного перемещения исполнительного механизма до реализации сложной последовательности операций с анализом промежуточных ситуаций и выбором решений. Так, по команде вклю-
чения механической ступени скорости шпинделя обычно выполняется в его приводе одна операция, а по команде смены инструмента —■ цикл операций, включающий освобождение находящегося в шпинделе инструмента, перенос инструмента в определенную ячейку магазина, поиск в магазине нового инструмента и т. д.
Всю управляющую часть электроавтоматики станка можно выполнить в виде автономного устройства, построенного на базе релейно-контактных элементов, интегральных логических схем или вычислительных комплектов. Такое устройство конструктивно выполнено в отдельном шкафу, а соответствующая коммутация с электрооборудованием станка и выходными модулями системы числового управления осуществляется непосредственным подключением к предусмотренным для этого зажимам и разъемам. Другим методом организации управляющей части электроавтоматики является ее конструктивное выполнение в виде модулей, входящих в состав системы числового управления и функционально ориентированных только на решение задач электроавтоматики; коммутация с модулями системы числового управления осуществляется при этом с помощью внутреннего монтажа системы. Такая организация характерна для систем, выполненных на базе интегральных схем большой степени интеграции.
Использование в составе системы числового управления ЭВМ позволяет решать логические задачи электроавтоматики средствами математического обеспечения. При этом вопросы взаимосвязи между числовым управлением и электроавтоматикой решаются на программном уровне. Применение микропроцессорных комплектов БИС позволяет перейти к методам многопроцессорной организации числового управления: каждый микропроцессорный модуль решает самостоятельный круг задач, в том числе и задачи электроавтоматики, а взаимосвязь между модулями осуществляется на уровне межсхемных соединений с использованием общей памяти. Во всех случаях совмещения управляющей части электроавтоматики с системой числового управления внешним монтажом осуществляется только связь станочного электрооборудования с системой, что существенно сокращает объем работ по монтажу и отладке станка.
Узел управления организует общий цикл взаимодействия всех узлов системы числового управления и выполняет контроль их исправности. Делители частоты, входящие в состав узла управления, формируют из импульсов кварцевого генератора (например, частотой 200 кГц) циклические двоично-десятичные времязадающие сигналы, необходимые для синхронной работы узлов и их компонентов системы, а также сигналы для синхронизации работы сдвиговых регистров и для питания обмоток датчиков обратной связи рабочих органов. Ряд фиксированных частот синхросигналов (например, в диапазоне от 50 Гц до 200 кГц) обычно называют циклами, подциклами, тактами, подтактами, стробами. Контрольные функции узла управления связаны с проверкой четности единиц в кодах, передаваемых по шинам системы, и с проверкой результатов тестовых вычислений.
434 М
Г Л А В A 23
СТРУКТУРЫ И УСТРОЙСТВА ЧИСЛОВОГО
ПРОГРАММНОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Под общим наименованием «микропроцессорные устройства ЧПУ» понимают широкий класс систем управления, построенных с использованием принципов организации ЭВМ. Подобные устройства имеют значительные преимущества перед аппаратными, поскольку располагают на порядок более мощными функциональными возможностями. Эти возможности обусловлены повышенным уровнем входных языковых средств: внутренней диагностикой, более высоким сервисом, предоставленным оператору; наличием средств адаптации к объекту (станку); наличием каналов связи с информационно-вычислительной сетью интегрированного производства; способностью хранить целые библиотеки управляющих программ и др. Все эти функциональные возможности поддерживаются специальным математическим обеспечением ЧПУ, которое поддается наращиванию и усовершенствованию. В этой связи микропроцессорные устройства ЧПУ обладают гибкостью и менее подвержены моральному старению, чем аппаратные устройства.
Схемотехнической! основой микропроцессорных устройств ЧПУ является микропроцессорная техника, использующая новейшие достижения интегральной микроэлектроники. Введем некоторые понятия, которые имеют непосредственное отношение к современной технике ЧПУ.
Микропроцессорный модуль представляет собой функционально законченное и конструктивно оформленное на одной плате изделие, состоящее из микропроцессора и других вспомогательных микросхем, входящих в состав микропроцессорного набора или в состав семейст- ства интегральных микросхем широкого назначения. Микропроцессорные модули предназначены для построения сложной системы, допускающей вариантное использование микропроцессорных модулей.
Универсальная микроЭВМ — конструктивно завершенное вычислительное устройство, приспособленное к самостоятельным действиям; реализованное на базе микропроцессорного набора; состоящее из одного или нескольких модулей; выполненное в виде автономного прибора, обычно со своим источником питания. МикроЭВМ может быть дополнена разнообразными аппаратными средствами: клавиатурой ввода-вывода, дисплеем, фотовводом, перфоратором, накопителем на гибких дисках, а также средствами математического обеспечения (операционной системой, трансляторами и пр.). Обычный состав микроЭВМ: один или несколько микропроцессоров, запоминающие устройства, устройства ввода-вывода.
Микропроцессорное устройство ЧПУ—автономное специализированное (проблемно-ориентированное) вычислительное устройство,
обрабатывающим элементом которого является микропроцессор; приспособленное к работе в производственных условиях в режиме управления в реальном времени; построенное на базе микропроцессорного набора и интегральных микросхем общего назначения, или микропроцессорных модулей, или универсальных микроЭВМ; имеющее развитую систему интерфейсов (т. е. модулей связи) для обмена сигналами с объектами управления.
СТРУКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Определение, данное микропроцессорному устройству ЧПУ, несет в себе возможность классификации. Из определения следует, что в устройстве может быть использован один или несколько микропроцессоров в составе микропроцессорных модулей, одна или несколько универсальных микроЭВМ. В качестве комментария можно заметить следующее. Мультипроцессорные структуры применяют для повышения вычислительных возможностей. Микропроцессорные модули предпочитают универсальным микроЭВМ для уменьшения избыточности, оптимизации аппаратной части и повышения
Рис. 23.1. Комплекс задач ЧПУ в видеРис. 23.1. Комплекс задач ЧПУ в видекомпозиции «черных ящиков»композиции «черных ящиков»
Рис. 23.1. Комплекс задач ЧПУ в виде
Рис. 23.1. Комплекс задач ЧПУ в виде
композиции «черных ящиков»
композиции «черных ящиков»
общей надежности устройства ЧПУ. Однако процессорный вариант во многих практически важных случаях достаточен; универсальная встроенная микроЭВМ привлекает тем, что является законченным агрегатным узлом и создает дополнительные удобства при программировании. Таким образом, в принципе все указанные варианты существуют.
Какою бы ни была структура устройства ЧПУ, в большинстве случаев приходится решать однотипный круг задач. В связи с этим устройство можно рассматривать как композицию вполне определенного набора «черных ящиков», упрощенно показанную на рис. 23.1. Реализация отдельных «черных ящиков» может быть аппаратной либо программной. Во всех случаях эта реализация будет тем более сложной, чем многообразнее функция каждого «черного ящика»; причем мера сложности определяется группой признаков, обозначающих архитектуру аппаратной части устройства. Упомянутые признаки могут также послужить основой для классификации, в рамках которой существуют четыре класса архитектурных построений микро-
процессорного устройства ЧПУ (под архитектурой понимают все то, что однозначно определяет принципы переработки информации). Особенности этих классов проиллюстрированы на рис. 23.2.
Простейший вариант (с одним микропроцессором) показан на рис. 23.2, а. Этот микропроцессор может входить в состав универсальной микроЭВМ либо служить центральной частью специализированного модуля (по сути, специализированной микроЭВМ), оптимизированного в соответствии с задачами ЧПУ. Различные по своей структуре каналы ЭВМ и ЧПУ связаны через адаптер, который предназначен для программно-настраиваемого соединения устройств
Рис. 23.2. Архитектурное построение микропроцессорных устройств ЧПУ:Рис. 23.2. Архитектурное построение микропроцессорных устройств ЧПУ:
Рис. 23.2. Архитектурное построение микропроцессорных устройств ЧПУ:
Рис. 23.2. Архитектурное построение микропроцессорных устройств ЧПУ:
а однопроцессорный вариант; б — повышение вычислительной мощности путем разгрузки центрального вычислителя от функции ввода-вывода; в — повышение вычислительной мощности за счет мультипроцессирования; а — агрегатизация и децентрализация устройства
с разным способом представления данных. Контроллеры (здесь это устройства, управляющие обменом данными) периферийных средств ЭВМ выполняют адресацию абонентов, прием и буферизацию сообщений, контроль передачи сообщений. Интерфейсные блоки осуществляют связь с объектом (приводами и автоматикой станка) и специальной периферией ЧПУ (дисплеем, панелью оператора и др.). Из-за ограниченных возможностей самой микроЭВМ нередко используют дополнительное расширение памяти, а ряд функций ЧПУ передают специальным аппаратным блокам ЧПУ, построенным на основе потребительских БИС. Все абоненты, связанные с устройством ЧПУ, пассивны. Подобное устройство отличается низкой стоимостью, малыми размерами благодаря использованию БИС и сверхбольших схем (СБИС), низким потреблением энергии; но в то же время — и определенным образом ограниченной функциональностью (под функциональностью понимаем возможности устройства с позиций потребителя, т. е. пользователя устройства). Последнее связано с ограни-
ченными вычислительными возможностями из-за конечной мощности процессора.
Наращивать вычислительные возможности, а следовательно, и функциональность устройства ЧПУ можно двумя способами (рис. 23.2, б и в). На рис. 23.2, б показана система, центральный вычислитель которой использует один микропроцессор. Однако устройства связи с периферией ЭВМ и ЧПУ, устройства связи с объектом также построены на микропроцессорной основе (подобные устройства иногда называют интеллектуальными устройствами ввода-вывода). Таким образом, наращивание вычислительной мощности обеспечено путем разгрузки центрального вычислителя ЧПУ от трудоемких (с позиций затрат процессорного времени) функций ввода-вывода. Другая возможность состоит в непосредственном увеличении мощности центрального вычислителя за счет мультипроцессирования (рис. 23.2, в).
Существует еще одна возможность развития (по сравнению с первым вариантом) структуры устройства ЧПУ для достижения заданного уровня функциональности. Эта возможность заключается в декомпозиции всей системы на структурно однородные и функционально законченные агрегаты, каждый из которых располагает вычислителем, некоторой группой интерфейсных блоков и средствами межагрегатной связи по последовательному (иногда называемому телеграфным) каналу (рис. 23.2, г). Функции агрегата формально определены направленностью интерфейсных схем. Например, можно сформировать агрегаты, ориентированные на ввод, редактирование управляющей информации и подготовку данных; на интерполяцию и управление приводами подачи; на управление автоматикой станка. Структура, приведенная на рис. 23.2, г, является своеобразным гибридом структур, показанных на рис. 23.2, б и в, но более удачно скомпонованным, поскольку отдельный агрегат автономен и может быть установлен на станке там, где это наиболее удобно по любым соображениям.
В рассмотренном варианте классификации имеет значение не столько способ реализации центральной вычислительной части (универсальная микроЭВМ либо специализированная микропроцессорная система, воспроизводящая специализированную микроЭВМ), сколько структурные возможности обеспечения заданного уровня функциональности.
Естественным способом повышения уровня функциональности является увеличение числа процессоров и построение распределенной вычислительной системы, в которой функции управления децентрализованы. Существуют различные варианты объединения процессоров в сеть ЧПУ (рис. 23.3).
На рис. 23.3, а приведена объединенная система типа «замкнутый контур». Передача информации осуществляется вдоль контура в одном направлении, до тех пор, пока эта информация не возвращается к своему источнику, после чего удаляется из контура. В передаваемом сообщении указан адрес процессора либо несколько адресов сразу. Гибкость такой системы высокая, поскольку контур легко нара- 488
щивается. Однако надежность может оказаться недостаточной, так как отказ одного узла выводит из строя весь контур.
В сети типа «полная связь» (рис. 23.3, б) информация поступает сразу по назначению. Система отличается высокой надежностью, вы-
Рис. 23.3. Варианты объединения микропроцессоров в сеть в мультипроцессорной структуре:Рис. 23.3. Варианты объединения микропроцессоров в сеть в мультипроцессорной структуре:
Рис. 23.3. Варианты объединения микропроцессоров в сеть в мультипроцессорной структуре:
Рис. 23.3. Варианты объединения микропроцессоров в сеть в мультипроцессорной структуре:
а — замкнутый контур; б — полная связь; в — звезда; г — общая шина; б — нерегулярная структура; е — Древовидная структура; П — процессорный блок; И — интерфейс
Рис. 23.4. Классификация микропроцессорных устройств ЧПУ по структурным признакам
ход из строя процессора не разрушает структуру сети; большое число связей усложняет систему.
Соединение процессоров в звезду показано на рис. 23.3, в. Центральный узел У может быть обще?! памятью либо переключающим устройством, которое связывает источник и потребитель информации. Переключающее устройство имеет столько портов (блоков обмена информацией), сколько процессоров в сети. Логика построения цен-
Рис. 23.5. Устройство ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60»Рис. 23.5. Устройство ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60»нала ЭВМ типа «общая шина», имеет специальную шину адресов блоков ЧПУ, что упрощает схему привязки этих блоков.В устройства, подключенные к каналу ЧПУ, входит дополнительный модуль внешней перепрограммируемой памяти объемом 16 К, который предназначен для хранения системного математического обеспечения ЧПУ. Микроинтерполятор обеспечивает преобразование координатных микроприращений, вычисляемых программой интерполяции на постоянной несущей частоте 125 Гц, в унитарные последовательности импульсов, поступающие в интерфейсный блок к модулям управления приводами подачи. Модуль связи с автоматикой станка имеет память емкостью 32 байта, сохраняющую информацию 256 входов-выходов. Выходные сигналы передаются в интерфейсный блок через систему оптрон- ной развязки. Осведомительные сигналы станка поступают в модуль связи с автоматикой через мультиплексорное устройство.Рассмотрим еще один пример, иллюстрирующий варианты структурных построений, а именно устройство ЧПУ на двух микропроцессорных модулях (рис. 23.6). Первый микропроцессорный модуль управляет процедурой ввода-вывода, автоматикой станка, осуществляет связь с пультом оператора и дисплеем.Управляющие программы (числом до нескольких десятков) сохраняются в энергонезависимой при выключений нах;нала ЭВМ типа «общая шина», имеет специальную шину адресов блоков ЧПУ, что упрощает схему привязки этих блоков.В устройства, подключенные к каналу ЧПУ, входит дополнительный модуль внешней перепрограммируемой памяти объемом 16 К, который предназначен для хранения системного математического обеспечения ЧПУ. Микроинтерполятор обеспечивает преобразование координатных микроприращений, вычисляемых программой интерполяции на постоянной несущей частоте 125 Гц, в унитарные последовательности импульсов, поступающие в интерфейсный блок к модулям управления приводами подачи. Модуль связи с автоматикой станка имеет память емкостью 32 байта, сохраняющую информацию 256 входов-выходов. Выходные сигналы передаются в интерфейсный блок через систему оптрон- ной развязки. Осведомительные сигналы станка поступают в модуль связи с автоматикой через мультиплексорное устройство.Рассмотрим еще один пример, иллюстрирующий варианты структурных построений, а именно устройство ЧПУ на двух микропроцессорных модулях (рис. 23.6). Первый микропроцессорный модуль управляет процедурой ввода-вывода, автоматикой станка, осуществляет связь с пультом оператора и дисплеем.Управляющие программы (числом до нескольких десятков) сохраняются в энергонезависимой при выключений нах;
Рис. 23.5. Устройство ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60»
Рис. 23.5. Устройство ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60»
нала ЭВМ типа «общая шина», имеет специальную шину адресов блоков ЧПУ, что упрощает схему привязки этих блоков.
В устройства, подключенные к каналу ЧПУ, входит дополнительный модуль внешней перепрограммируемой памяти объемом 16 К, который предназначен для хранения системного математического обеспечения ЧПУ. Микроинтерполятор обеспечивает преобразование координатных микроприращений, вычисляемых программой интерполяции на постоянной несущей частоте 125 Гц, в унитарные последовательности импульсов, поступающие в интерфейсный блок к модулям управления приводами подачи. Модуль связи с автоматикой станка имеет память емкостью 32 байта, сохраняющую информацию 256 входов-выходов. Выходные сигналы передаются в интерфейсный блок через систему оптрон- ной развязки. Осведомительные сигналы станка поступают в модуль связи с автоматикой через мультиплексорное устройство.
Рассмотрим еще один пример, иллюстрирующий варианты структурных построений, а именно устройство ЧПУ на двух микропроцессорных модулях (рис. 23.6). Первый микропроцессорный модуль управляет процедурой ввода-вывода, автоматикой станка, осуществляет связь с пультом оператора и дисплеем.
Управляющие программы (числом до нескольких десятков) сохраняются в энергонезависимой при выключений нах;
нала ЭВМ типа «общая шина», имеет специальную шину адресов блоков ЧПУ, что упрощает схему привязки этих блоков.
В устройства, подключенные к каналу ЧПУ, входит дополнительный модуль внешней перепрограммируемой памяти объемом 16 К, который предназначен для хранения системного математического обеспечения ЧПУ. Микроинтерполятор обеспечивает преобразование координатных микроприращений, вычисляемых программой интерполяции на постоянной несущей частоте 125 Гц, в унитарные последовательности импульсов, поступающие в интерфейсный блок к модулям управления приводами подачи. Модуль связи с автоматикой станка имеет память емкостью 32 байта, сохраняющую информацию 256 входов-выходов. Выходные сигналы передаются в интерфейсный блок через систему оптрон- ной развязки. Осведомительные сигналы станка поступают в модуль связи с автоматикой через мультиплексорное устройство.
Рассмотрим еще один пример, иллюстрирующий варианты структурных построений, а именно устройство ЧПУ на двух микропроцессорных модулях (рис. 23.6). Первый микропроцессорный модуль управляет процедурой ввода-вывода, автоматикой станка, осуществляет связь с пультом оператора и дисплеем.
Управляющие программы (числом до нескольких десятков) сохраняются в энергонезависимой при выключений нах;
трального узла достаточно сложна,, а выход узла из строя является полным отказом системы.
В структуре «общая шина» (рис. 23.3, г) сообщение поступает либо прямо по назначению, либо в промежуточную память. Полный отказ наступает при выходе из строя памяти или шины. Шина является узким местом в смысле быстродействия.
Во многих случаях предпочтение отдают нерегулярной структуре (рис. 23.3, д). Если информация поступила здесь в некоторый интерфейс, она немедленно передается во все остальные узлы структуры. Каждый процессор соединен по крайней мере с двумя другими, чтобы избежать изоляции; таким образом, между процессорами существуют альтернативные связи.
В древовидной структуре (рис. 23.3, е) организованы лишь те связи, которые необходимы по условиям работы.
На основе рассмотрения различных вариантов микропроцессорных устройств ЧПУ можно составить их классификацию (рис. 23.4).
ПРИМЕРЫ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
В качестве примера рассмотрим структуру устройства ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60». Конструктивно устройство выполнено в виде двух автономных блоков — блока вычислителя и интерфейсного (рис. 23.5). Блок вычислителя
(т. е. сохраняющей информацию питания) памяти на цилиндрических магнитных доме- при выключении питания записанная информация не разру-(т. е. сохраняющей информацию питания) памяти на цилиндрических магнитных доме- при выключении питания записанная информация не разру-размещен в подвесном пульте оператора. Центральную часть вычислителя составляет микроЭВМ, в числе блоков которой микропроцессор, модули оперативной памяти объемом 16 К (т. е. 16384 слова) для хранения управляющих программ и перепрограммируемой памяти объемом 4 К (для хранения математического обеспечения ЭВМ), модуль связи со стандартным считывающим устройством. Каналы ЭВМ и ЧПУ связаны через адаптер. Канал ЧПУ, в отличие от ка-
(т. е. сохраняющей информацию питания) памяти на цилиндрических магнитных доме- при выключении питания записанная информация не разру-
(т. е. сохраняющей информацию питания) памяти на цилиндрических магнитных доме- при выключении питания записанная информация не разру-
шается. Внешняя память используется для ввода и вывода управляющих программ и представляет собой, например, ленточный накопитель на магнитной кассете. Блок связи с пультом оператора (дополнительный пассивный модуль) кодирует каждую нажатую клавишу и посылает запрос в микропроцессор на чтение кода. Блок связи с дисплеем (тот же дополнительный модуль) имеет буферную память визуализируемой информации объемом в байтах, равным числу знакомест дисплея. В блоке связи с автоматикой (еще один дополнительный пассивный модуль) имеются ключи (маломощные 0,2 А, мощные 2 А) для управления исполнительными механизмами автоматики. Информация осведомительных сигналов автоматики поступает в устройство ЧПУ через тот же блок связи. Второй микропроцессорный модуль выполняет интерполяцию и осуществляет управление приводами подачи. Здесь от микропроцессора требуется выполнение операций с двойными словами, возможность операции умножения, наличие повышенного числа внутренних регистров (поскольку регистровые операции выполняются быстрее). Все это объясняется тем, что работа микропроцессора второго модуля требует больших затрат вычислительной мощности.
Связь между микропроцессорными модулями осуществляется путем объединения их каналов в режимах обмена информацией; например, в режиме прямого доступа к памяти.
В заключение рассмотрим структуру устройства ЧПУ на базе микропроцессорной универсальной вычислительной системы «Электроника НЦ-80-31». Микропроцессорная универсальная вычислительная система допускает чрезвычайно гибкую аппаратную комплектацию, каждый вариант которой без избыточности соответствует конкретным задачам, поставленным перед устройством ЧПУ. Комплектация обеспечена конструктивно и функционально законченными устройствами и состоит в объединении этих устройств в автономные агрегаты-блоки. Основой системы управления является блок, содержащий обычно до четырех устройств-модулей, и встроенный блок
питания.
Отдельными устройствами вычислительной системы являются: вычислитель; устройства связи с электроавтоматикой, с датчиками обратной связи следящих приводов подачи по положению, с приводами; устройства пультов управления и оператора; устройство клавиатуры и индикации; устройство отображения информации на плазменном дисплее; внешняя кассета памяти емкостью на 16 К слов на цилиндрических магнитных доменах, устройство сопряжения с внешней памятью; расширитель памяти; устройство программируемых временных задержек; устройства программного управления электроавтоматикой и управления исполнительными органами электроавтоматики; блок питания.
Устройство ЧПУ может в зависимости от сложности задач управления состоять из одного, двух, трех блоков, комплектуемых раз-, личным образом. Примеры комплектации отдельных блоков: 1) вычислитель, устройство пульта оператора, устройство клавиатуры и индикации, устройства связи с датчиками, приводами и электроав-
тематикой; 2) вычислитель, устройство сопряжения с внешней памятью, устройство пульта управления, устройство отображения информации; 3) устройство программного управления электроавтоматикой, устройство программируемых временных задержек, устройство связи с электроавтоматикой. Подобная компоновка означает, что блоку придают некоторый замкнутый круг задач, например, управление в реальном времени, пультовое управление и индикация, организация управления электроавтоматикой.
Связь между большинством отдельных устройств в блоках осуществляется по общей магистрали, и лишь в отдельных случаях используют специальные средства. Так, специальный канал применен для связи устройства сопряжения с внешней памятью и внешней кассетой памяти. Для связи устройства пульта управления и устройства отображения информации предусмотрен параллельный интерфейс, к которому можно при желании дополнительно подключить фотосчитыватель, перфоратор и др. Связь между блоками устройства ЧПУ осуществляется по последовательному каналу. Структурные построения устройств ЧПУ на базе микропроцессорной универсальной вычислительной системы приведены на рис. 23.7.
Основной частью каждого блока является вычислитель (рис. 23.8). Рассмотрим некоторые особенности отдельных компонентов вычислителя. Арифметико-логический блок содержит от одного до трех микропроцессоров, выполненных в виде СБИС. Каждая СБИС помимо процессорного узла содержит адресуемые по общей магистрали регистры (в числе которых регистры пользовательские, системные, управления). Имеется возможность установки приоритетного уровня процессора, т. е. программного управления приоритетом СБИС по отношению к внешней причине прерывания.
Блок памяти программ имеет до восьми БИС постоянной или перепрограммируемой памяти; общий объем блока 16 Кбайт.
Блок радиальных прерываний (на базе БИС) предназначен для организации безадресного (векторного) прерывания СБИС арифметико-логического блока. Радиальные запросы внешних прерываний поступают в виде импульсных сигналов, причем источники прерываний имеют различный приоритет. Структура блока прерываний такова, что имеется возможность индивидуального маскирования каждого запроса. Анализ наличия безадресного прерывания осуществляет наиболее приоритетный микропроцессор (соответствующие признаки в этом микропроцессоре неизменны) в конце выполнения каждой команды. Обработка микропроцессором безадресного прерывания заключается в записи состояний системных регистров в стек и в загрузке этих регистров новыми значениями.
Блок последовательного интерфейса (БИС телеграфного канала, организующая связь по трем дуплексным асинхронным каналам) предназначен для организации связи между блоками устройства ЧПУ на значительном расстоянии. Последовательный интерфейс позволяет резко сократить число связей, упростить разводку по станку и повысить надежность. В нем происходит преобразование параллельного кода в последовательный унитарный и передача последовательного
a)
кода в канал связи. Основную часть блока составляют три БИС приемопередатчика телеграфного (т. е. последовательного) канала и общий для всех каналов регистр состояния. В каждой БИС имеются два адресуемых регистра данных, один из которых используется при приеме, а другой — при передаче.
Рис. 23.8. Структурная схема вычислителя универсальной системы «Электроника
НЦ-80-ЗЬ
Блок оперативной памяти предназначен для хранения переменных частей программ, операндов, для организации стековой области. Объем памяти 8 Кбайт.
Блок умощнителя магистрали служит для развязки внутренней магистрали вычислителя с другими устройствами. Внутреняя магистраль имеет 33, а внешняя магистраль 32 линии.
АППАРАТНАЯ ОСНОВА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ ЧПУ
Рассмотрим аппаратную основу построения микропроцессорных устройств ЧПУ. Такую основу составляют микропроцессорная техника и специальные аппаратные решения, свойственные ЧПУ. В связи с этим обратимся к некоторым особенностям архитектуры и структуры микропроцессоров и микроЭВМ.
Структура микропроцессора или микроЭВМ — это совокупность функциональных узлов и связей между ними. Под архитектурой микропроцессора и микроЭВМ понимают конкретную логическую структуру отдельных устройств, их взаимосвязь, систему команд и взаимодействие между аппаратурой и программами обработки информации.
Организация микроЭВМ в большинстве случаев описывается известной моделью фон Неймана (рис. 23.9). В обобщенной структурной схеме такой микроЭВМ можно выделить операционное устройство, устройство управления, запоминающее устройство (ЗУ), интерфейс ввода-вывода и генератор. Устройства соединены между собой шинами.
Микропроцессор состоит из операционного устройства и устройства управления. В состав операционного устройства входит регистровая часть и арифметико-логический узел'(АЛУ). В числе регистров — буферные регистры адреса и данных, регистры общего назначения, специализированные регистры (индексные регистры; счетчик команд; регистр состояний микропроцессора; стек регистров; указатели стека, страницы, начала таблицы, начала передачи блоков данных; регистры настройки и др.). Регистры и АЛУ связаны внутренними шинами данных, адреса, операндов, результатов, команд. В устройство управления входит память микрокоманд и узел форми-
Рис. 23.9. Обобщенная структурная схема микроЭВМ
рования адресов микрокоманд. В зависимости от организации устройства управления микропроцессоры делят на микропрограмми- руемые и с жестким управлением.
Конкретные микропроцессоры различаются отсутствием или совмещением указанных выше структурных элементов и способом реализации устройства управления. Так, для передачи операндов может быть использована одна шина, а не две; между регистрами могут быть организованы прямые передачи; число регистров может не охватывать всех типов; функции отсутствующих специализированных регистров могут быть возложены на регистры общего назначения и т. д.
Обобщенная структура микропроцессора показана на рис. 23.10.
Рассмотрим функции отдельных узлов.
Арифметико-логическое устройство АЛУ предназначено для аппаратного исполнения простейших операций, таких, как сложение, вычитание, пересылка, логические операции И или ИЛИ, сложение по модулю два, сдвиг и т. д. Более сложные действия выполняются с помощью микропрограмм и подпрограмм. Признаки операций, выполняемых АЛУ, а также признаки состояния микропроцессора хра- = нятся в регистрах состояний.;
Рис. 23.10. Обобщенная структурная схема микропроцессора:
УУ — устройство управления; ШУ, ШД, ША — соответственно шины управления, данных, адресов
Число регистров общего назначения (РОН) обычно варьируется от 4 до 64, причем конкретное число регистров во многом определяется вычислительными ВОЗМОЖНОСТЯМИ микропроцессора. РОН используют как внутреннюю сверхоперативную память; это позволяет реже (в 1,5—3 раза) обращаться к внешней памяти через интерфейс, что увеличивает общее быстродействие.
Функции специализированных регистров чрезвычайно обширны. Счетчик
команд содержит адрес расположенной в памяти и выполняемой в данное время команды. Регистр адреса хранит адрес расположенного в памяти слова, к которому происходит обращение. Аккумулятор (накопительный регистр) предназначен для хранения промежуточных результатов арифметических или логических операций АЛУ. Чаще всего ввод и вывод данных АЛУ производится через аккумулятор. Регистр команд сохраняет на время дешифрации и исполнения код команды, адрес которой был определен счетчиком команд. Содержимое разрядов регистра состояния позволяет судить о результате вычислений (нулевой, положительный, переполнение и др.) с тем, чтобы организовать программные переходы по заданным признакам или условиям. Стековая память обычно используется для хранения состояний всех внутренних регистров при обработке прерываний, а также для запоминания адреса возврата при выходе из подпрограммы. Индексные регистры служат для формирования адресов ячеек памяти.
Устройство управления на основании кода операции команды формирует внутренние сигналы управления, привлекая отдельные части микропроцессора. Так, сигналы управления, используя адресную часть команды, организуют пересылки данных. Используя специализированные регистры и счетчик команд, устройство управления выбирает очередную команду из памяти.
Интерфейс — это аппаратура, с помощью которой отдельные устройства микропроцессора соединяются между собой (внутренний интерфейс), а также с памятью и периферийными средствами (внешний интерфейс). Внутренний интерфейс микропроцессора обеспечен внутренними шинами данных, разрядность которых может совпадать
или не совпадать с разрядностью внешних шин. Если число внешних выводов БИС микропроцессора ограничено, внешняя шина может передавать или получать информацию последовательно частями через специальную двунаправленную буферную схему — мультиплексор. К внешнему интерфейсу микропроцессора относятся шины данных, адресная, управления.
МикроЭВМ функционирует синхронно с генератором тактовых импульсов. Одна команда выполняется за несколько тактовых импульсов, и этот период времени называют циклом команды. В цикле команды один или несколько так называемых машинных циклов (рис. 23.11, а). В свою очередь, машинный цикл состоит из цикла выборки (обращение к памяти — адресация, считывание команды из памяти) и исполнительного цикла (выполнение команды микропроцессором). В течение цикла команды обрабатываются два типа слов — командные и информационные.
За время машинного цикла с командными словами выполняются такие операции (рис. 23.11, б): содержимое счетчика команд передается в регистр адреса памяти; адрес передается в память и дешифруется с тем, чтобы найти в памяти нужную команду; команда через шину данных памяти поступает в регистр данных памяти, а затем в регистр команд микропроцессора; команда дешифруется дешифратором команд; команда выполняется; содержимое счетчика команд увеличивается на единицу, либо в счетчик заносится адрес перехода; далее цикл повторяется.
Процесс обработки информационных слов в сильной степени зависит от конкретного микропроцессора. Упрощенно этот процесс может выглядеть следующим образом (рис. 23.11, в). Данные в АЛУ поступают из регистров микропроцессора, из памяти либо с внешних устройств. Во многих микропроцессорах данные поступают через аккумулятор, туда же передаются и результаты операций, выполненных АЛУ. После завершения операций информационные слова пересылаются во внутренние регистры, в память либо к внешним устройствам.
В качестве примера на рис. 23.12 показана структура распространенного варианта микропроцессора.
Завершив обзор структурных построений микропроцессоров, перейдем к характеристикам других компонентов микроЭВМ, и прежде всего — памяти.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) представляет собой матрицу памяти, содержимое которой не подлежит изменению и не зависит от состояния микропроцессора. Выключение питания не изменяет содержимого ПЗУ. Как правило, время доступа к ячейке ПЗУ не зависит от адреса, по которому осуществляется обращение. Существуют варианты исполнения ПЗУ, различающиеся способом программирования памяти. ПЗУ с масочным программированием изготовляют по заказу пользователя на основе его документации, причем последующее изменение содержимого памяти невозможно. Программируемые ПЗУ программируются пользователем (а не изготовителем, как в предыдущем случае); однако после программирования содержи- 498
мое памяти остается неизменным. Перепрограммируемые (стираемые) ПЗУ можно программировать повторно, стерев старую информацию, например, с помощью ультрафиолетового излучения. Программи-
8)8)Рис. 23,11, Структурная схема машинного цикла микропроцессора: а — циклограмма машинного цикла; б — обработка командных слов; в — обработка информационных словРис. 23,11, Структурная схема машинного цикла микропроцессора: а — циклограмма машинного цикла; б — обработка командных слов; в — обработка информационных слов
8)
8)
Рис. 23,11, Структурная схема машинного цикла микропроцессора: а — циклограмма машинного цикла; б — обработка командных слов; в — обработка информационных слов
Рис. 23,11, Структурная схема машинного цикла микропроцессора: а — циклограмма машинного цикла; б — обработка командных слов; в — обработка информационных слов
руемые ПЗУ широко применяют в устройствах ЧПУ для хранения функционального программно-математического обеспечения ЧПУ.
Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) по способу организации хранения информации делят на две категории — динамические и статические. В динамических устройствах чаще всего запоминающим элементом является емкость, объединенная с затвором МОП- транзистора. В статических устройствах запоминающим элементом
является триггер. Таким образом, динамические ОЗУ обеспечивают более высокую информационную плотность; однако требуют периодической регенерации с помощью дополнительных, часто внешних технических средств.
В классе ОЗУ перспективна память высокой емкости на цилиндрических магнитных доменах. В устройствах ЧПУ подобная память применяется для хранения управляющих программ с эквивалентной длиной перфоленты, исчисляемой многими сотнями метров.
В регистрах сдвига, составляющих основу памяти, под действием тактовых магнитных сигналов осуществляется вращение миниатюрных магнитов-доменов, в результате намагниченность передается
Внутренняя информационная шина
Рис. 23.12. Структурная схема микропроцессора Intel 8080
соседним участкам — разрядам регистра сдвига. При отключении питания циркуляция информации прекращается, однако сама информация не разрушается и может быть использована при включении питания. Следовательно, память на цилиндрических магнитных доменах является энергонезависимой.
Каждому хранимому в памяти байту (слову) соответствует адрес, определяющий место хранения байта. Сведения об адресе или его составных частях содержатся в команде. Эта информация используется для выбора требуемых программой данных. Но и сами адреса могут подвергаться обработке и формироваться путем вычислений.
Всякая команда содержит код операции и адрес ячейки памяти или регистра, где находятся нужные для операции данные.
Обычно команду разбивают на три поля: код операции, способ адресации, адрес операнда. Однако из-за ограниченного числа разрядов шины данных часто используют всего два поля; при этом ука^ зание на способ адресации приводится в неявном виде в коде операции. Наиболее важными для микропроцессорной 'техники способами адресации являются: прямая, непосредственная, косвенная, относительная, индексная.
При прямой адресации адрес операнда содержится в самой команде. Поскольку для адреса может быть выделено ограниченное число разрядов, этот способ подходит для малых объемов адресуемой памяти.
Непосредственная адресация состоит в том, что в команде присутствует сам операнд, и не требуются затраты времени на поиск операнда в памяти. Способ применяют для задания констант.
Косвенная адресация заключается в указании в команде адреса (посредника), по которому хранится адрес операнда. Разновидностью способа является косвенная адресация по регистру, когда адрес операнда содержится в регистре микропроцессора. Цель косвенной адресации — увеличить объем адресуемой памяти.
Относительная адресация означает, что исполнительный адрес определяется в результате суммирования адреса команды (называемого смещением) и некоторого опорного адреса (называемого базой). База обычно содержится в счетчике команд. Часто пользуются страничной относительной адресацией, при которой память разбивается на страницы. Страница может содержать, к примеру^ 256 слов, размещенных в одной интегральной схеме. В этом случае базой является начальный адрес страницы, а смещением — внутристраничный адрес.
Для индексной адресации исполнительный адрес образуется путем суммирования смещения, указанного в команде, с содержимым индексного регистра. Изменение значения индекса производится отдельными командами. Иногда роль индексных регистров выполняют регистры PQH. Такая адресация удобна для организации циклов, составления таблиц и др.
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В МИКРОЭВМ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Память, микропроцессор и устройство ввода-вывода связаны между собой системой шин. Для этой системы существуют два основных способа организации. В первом решении одна совокупность шин (адресная, управляющая и информационная) используется как для соединения микропроцессора с памятью, так и для подключения к внешним устройствам (рис. 23.13, а, б). Этот вариант выглядит проще с точки зрения организации ввода-вывода: к внешним устройствам можно обращаться как к ячейкам памяти, используя любой метод адресации; не требуются специальные команды ввода-вывода и специальные входные и выходные управляющие сигналы; число регистров ввода-вывода внешних устройств практически не ограничено.
Второй вариант организации шин (рис. 23.13, в, г) состоит в том, что применяются две совокупности шин —, для связи микропроцессора с памятью и для связи микропроцессора с внешними устройствами. Здесь можно использовать меньшее число регистров ввода- вывода внешних устройств, так как адресация к этим регистрам требует резервирования выводов микропроцессора, число которых всегда ограничено. Доступ к внешним устройствам осуществляется
с помощью специальных команд ввода-вывода. В числе достоинств такой структуры можно отметить помехозащищенность вычислителя, простоту схем согласования с внешними устройствами и более быстрый обмен информацией с этими устройствами.
Интерфейсные схемы могут быть различного уровня сложности. Простейшим вариантом является буферный регистр. Если интерфейс выполнен в виде простой логической схемы и соединение от микро» процессора к внешнему устройству имеет столько линий, сколько
Рис. 23.13. Способы организации внешнего интерфейса микропроцессора: а, 6 — общая шина; е, г — двухшнниая структура
разрядов в слове данных, то такую интерфейсную схему часто называют портом. Интерфейсные устройства ввода-вывода в микропроцессорных системах сложной конфигурации выполняются по типу программируемых микроконтроллеров или жестких непрограммируемых контроллеров (адаптеров].?
Раскрывая структуру шин связи микропроцессора с памятью, от- ’ метим, что для организации этой связи необходимы адресная шина, входная и выходная шины данных, а кроме того, должны вырабаты- ? ваться сигналы записи и чтения, сигнал готовности памяти. При ? программно-управляемой передаче данных между микропроцессором ] и устройством ввода-вывода требуются: адресная информация, дан- 1 ные для программно-управляемой передачи, а также управляющая I информация (код выборки устройства ввода-вывода, управление | записью и чтением, сигналы готовности, признаки окончания работы | устройства ввода-вывода и др.).I
Прямой доступ к памяти,предполагает использование входной и выходной шин данных, адресной шины для передачи адреса в интер- : 502I
фейс прямого доступа к памяти; при этом должны формироваться определенные управляющие сигналы (запросы устройства ввода- вывода, разрешение на передачу, код выборки устройства ввода-вывода, признак окончания обмена и др.). Ряд управляющих линий использован микропроцессором для синхронизации других устройств и обозначения собственного состояния (останов, ожидание, работа в режиме прямого доступа к памяти). Это необходимо, поскольку работа всех устройств носит асинхронный характер, и одни и те же шины
Выбор устройства ввода-вывода (2-8)~Ввод ванных (8-16)Выбор устройства ввода-вывода (2-8)~Ввод ванных (8-16)Вывод данных (8-16)Вывод данных (8-16)Ввод/выводВвод/выводСигнал готовностиСигнал готовностиЗапросы на прерываниеЗапросы на прерываниеСостояние микропроцессораTFT)Разрешение прерыванияСостояние микропроцессораTFT)Разрешение прерыванияАдрес (12-16)Чтение данных (8-16)Запись данных (8-16)Запись/чтениеСигнал готовностиАдрес (12-16)Чтение данных (8-16)Запись данных (8-16)Запись/чтениеСигнал готовностиОкончание работыОкончание работыЗапрос прямого доступа к памятиРазрешение пряного доступа к памяти СинхронизацияЗапрос прямого доступа к памятиРазрешение пряного доступа к памяти СинхронизацияКоманды (8-26)Состояние микропроцессора (2-8) СинхронизацияКоманды (8-26)Состояние микропроцессора (2-8) Синхронизация
Выбор устройства ввода-вывода (2-8)~
Ввод ванных (8-16)
Выбор устройства ввода-вывода (2-8)~
Ввод ванных (8-16)
Вывод данных (8-16)
Вывод данных (8-16)
Ввод/вывод
Ввод/вывод
Сигнал готовности
Сигнал готовности
Запросы на прерывание
Запросы на прерывание
Состояние микропроцессора
TFT)
Разрешение прерывания
Состояние микропроцессора
TFT)
Разрешение прерывания
Адрес (12-16)
Чтение данных (8-16)
Запись данных (8-16)
Запись/чтение
Сигнал готовности
Адрес (12-16)
Чтение данных (8-16)
Запись данных (8-16)
Запись/чтение
Сигнал готовности
Окончание работы
Окончание работы
Запрос прямого доступа к памяти
Разрешение пряного доступа к памяти Синхронизация
Запрос прямого доступа к памяти
Разрешение пряного доступа к памяти Синхронизация
Команды (8-26)
Состояние микропроцессора (2-8) Синхронизация
Команды (8-26)
Состояние микропроцессора (2-8) Синхронизация
г Адрес (12-16)
.Запись/чтение
Ввод данных (8-16)
,Вывод данных (8-16)
Рис. 23.14. Шины связи микропроцессора, памяти и устройства ввода-вывода
используются несколькими устройствами. Дополнительные управляющие входы и выходы необходимо использовать в микропроцессоре в том числе, если он должен реагировать на произвольно возникающие внешние сигналы, — это работа в режиме прерывания, которая предполагает использование входов запросов, выходов разрешения и некоторых других сигналов.
Структура шин связи микропроцессора, памяти и устройства ввода-вывода показана в качестве примера на рис. 23.14. В скобках указана наиболее часто встречающаяся разрядность шин. Ограничения на эту разрядность, связанные с нехваткой внешних выводов БИС микропроцессора, влекут за собой большие сложности. Дело в том, что уменьшение разрядности влечет за собой ограничение функциональных возможностей либо снижение быстродействия. При ограниченной разрядности применяют параллельно-последовательную пере-
дачу информации (т. е. передачу слова по шине частями, в различные моменты времени) и мультиплексирование (т. е. использование одной и той же шины в различных моментах времени для передачи функционально различной информации). Примером мультиплексирования является передача адресов и данных по одной шине. Двунаправленные шины данных по существу также являются мультиплексированными, поскольку по ним осуществляется ввод и вывод информации.
Но периферийные устройстваНо периферийные устройстваРис. 23.15. Программно-управляемая передача данныхРис. 23.15. Программно-управляемая передача данныхОстановимся далее на способах обмена информацией с внешними устройствами. Эти способы (программно-управляемый, по прерыванию, по каналу прямого доступа к памяти) только что упоминались в связи со структурой шин, соединяющих микропроцессор, память и устройство ввода-вывода.
Но периферийные устройства
Но периферийные устройства
Рис. 23.15. Программно-управляемая передача данных
Рис. 23.15. Программно-управляемая передача данных
Программно - управляемая передача данных приведена на рис. 23.15 на примере связи микроЭВМ с периферийными средствами по мультиплексорному каналу. Для осуществления ввода (опроса) данных от одного из периферийных устройств команда программы ввода посылает соответствующее указание в дешифратор, который выбирает определенный канал мультиплек-
сора. Мультиплексор позволяет работать нескольким внешним устройствам с одной шиной данных. Данные передаются в микропроцессор только в том случае, если периферийное устройство готово, т. е. не занято обработкой предыдущей команды.
При передаче данных от микропроцессора к периферийному устройству по команде программы вывода на дешифратор поступает указание выбрать соответствующий канал демультиплексора. Если периферийное устройство готово, данные к нему передаются через группы фиксаторов (запоминающих устройств) демультиплексорного
канала.
Передача данных по прерыванию осуществляется в виде такой последовательности действий: внешнее устройство запрашивает прерывание; микропроцессор, завершив выполнение очередной команды, подтверждает готовность к прерыванию; микропроцессор обеспечи-; вает сохранность своего текущего состояния путем передачи в стек; информации собственных внутренних регистров; осуществляется! переход по адресу подпрограммы обработки прерывания; по команду возврата из прерывания происходит возвращение 4 продолжению] выполнения прерванной программы.]
Указанная последовательность может быть реализована на основе; одного из двух методов: прерывания с опросом и прерывания noi
вектору. В первом случае для обнаружения источника прерывания производится последовательный опрос внешних устройств, пока не будет обнаружено нужное. Очередность опроса задает приоритет возможных источников прерывания. Прерывание по вектору производится непосредственно от внешнего источника без опроса всех других внешних устройств. Каждому обслуживаемому по прерыванию устройству соответствует свой вектор прерывания, в котором содержится начальный адрес программы обработки прерывания. Другой способ, разгружающий микропроцессор, состоит в том, что используется специальный блок обработки прерываний. Этот блок определяет адрес устройства, запрос которого должен быть обслужен, сообщает адрес микропроцессору, выбирает необходимую подпрограмму обработки прерывания.
Особенность передачи данных по каналу прямого доступа к памяти состоит в том, что внешнее устройство связывается с памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Выполнение основной программы при этом откладывается. Передача данных происходит по мере выполнения такой последовательности действий: внешнее устройство формирует запрос на предоставление канала и передачу данных; микропроцессор вырабатывает подтверждающий сигнал; с помощью внешних логических устройств осуществляется адресация памяти; происходит один цикл обмена данными (т. е. записывается или читается одно слово); передача завершается, а микропроцессор возобновляет выполнение основной программы.
СИСТЕМЫ КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА
Завершая краткий обзор структурных и архитектурных признаков микропроцессоров и микроЭВМ, остановимся на понятии о системе команд, имеющем к архитектуре непосредственное отношение. Системы команд большинства микропроцессоров содержат от 20 до 150 команд. В команде указано, какая операция и над какими данными должна выполняться, а также куда должен быть помещен результат. Обычными для микропроцессоров являются одноадресные команды с адресом одного операнда. Местонахождение второго операнда и результата определяется в этом случае кодом операции. Кроме того, используются безадресные команды, работающие с теми регистрами, которые определены кодом операции. Применяют также двухадресные команды с укороченными адресами, служащими для выборки регистра микропроцесора.
В системе команд микропроцессора могут быть выделены условные группы: арифметические команды (сложение, вычитание и др.); логические команды (конъюнкция, дизъюнкция, неравнозначность и и др.); команды пересылки (обмен информацией между регистрами микропроцессора или между регистрами и памятью); команды управления (условные и безусловные переходы, вызов подпрограммы, возврат в основную программу, определение текущего состояния микропроцессора, команды работы со стеком, команды управления вводом-выводом).
Большинство команд выполняются как последовательность микрокоманд, которые, в свою очередь, состоят из одной или несколь- : ких микроопераций. Микрооперация является элементарной и выполняется за один такт работы микропроцессора. Последовательность микрокоманд, реализующих заданную команду, называют i микропрограммой. Время, затрачиваемое на выполнение микропрограммы, составляет машинный цикл (см. рис. 23.11).
Программа, написанная в командах, т. е. на машинном языке, занимает минимальный объем памяти, не требует дополнительных аппаратных средств и машинного времени для трансляции.
Рассмотренные выше микропроцессорные средства, дополненные системой команд, относятся к универсальным схемотехническим | решениям. Подобные средства далеко не достаточны для построения | устройства ЧПУ, использующего широкий набор специальных ре- i шений.I
4
Г Л А В А 24(
СИСТЕМНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ1
ЧИСЛОВОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГОj
УПРАВЛЕНИЯj
НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯI
УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯI
Математическое обеспечение управляющих микроЭВМ 1 (как универсальных, так и специализированных) состоит из двух ча- J стей. Одну часть составляет прикладная компонента, осуществляю- 1 щая выполнение в режиме реального времени поставленных перед 4 вычислительной системой задач (в данном случае задач ЧПУ). Ко i второй части относится системное математическое обеспечение, кото- | рое формирует среду для проектирования и выполнения прикладных J программ. Остановимся на системной части математического обеспе- ] чения.I
Системное математическое обеспечение микроЭВМ призвано обес- 1 печить решение двух принципиально различных - классов задач: J автоматизацию разработки прикладных программ и выполнение го-1 товых программ. На начальном этапе развития микропроцессорной а техники при решении задач обоих классов основные функции управ- J ления ресурсами микроЭВМ обеспечивались программами, написан-1 ными самими пользователями. Со временем сформировалась концепт| ция операционной системы микроЭВМ как среды для проектирования | и выполнения прикладных программ. Операционную систему микро-il ЭВМ можно определить как совокупность программ, назначение кото-1 рых в эффективном управлении четырьмя основными типами ресур-| сов (процессором, памятью, устройствами и данными), а также в осу-1 ществлении взаимодействия между прикладными программами в ходе ■ 506|
их выполнения. Функции операционной системы при разработке прикладных программ (первый класс задач) и их выполнении (второй класс задач) существенно отличаются.В связи с этим для микроЭВМ можно выделить два класса операционных систем — технологические (инструментальные) и исполнительные.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Технологические операционные системы могут быть кроссовыми либо резидентными. Используемые при разработке прикладного математического обеспечения кроссовые системы располагают развитыми аппаратными и программными средствами ЭВМ общего назначения, на которой моделируется архитектура управляющей микроЭВМ, непосредственно интересующей разработчика. Резидентные операционные системы реализованы на самой управляющей микроЭВМ или на некотором однотипном расширенном (в основном за счет памяти и периферии) устройстве, относящемся к категории отладочных средств. Кроссовые системы, как правило, предоставляют разработчику прикладного математического обеспечения широкий спектр сервисных функций и возможность выбора языковых средств, в то время как аналогичные возможности резидентных средств обычно ограничены.
Понятие «операционная система» трактуют по-разному. Иногда к операционной системе относят весь комплекс программного обеспечения, который не только помогает управлять производительностью системы, но и облегчает программирование. Согласно подобной точке зрения в операционной системе имеются две составляющие — управляющая программа и набор обрабатывающих программ. Управляющая программа осуществляет планирование и управление выполнением всех программ, распределение аппаратных ресурсов, предоставление программных ресурсов и данных. Обрабатывающие программы облегчают подготовку программ, предлагая различные языковые средства; позволяют использовать отладочные средства и обращаться к разнообразным подпрограммам служебного назначения.
В комплекс управляющих программ входят программы управления заданиями, программы управления задачами, программы управления данными. Управление заданиями относят к числу основных функций операционной системы, которые заключаются в чтении и интерпретации определений задания, в планировании работ, в инициировании и завершении заданий, в выводе результатов. Таким образом, задание можно определить как максимальную единицу измерения работы микроЭВМ, состоящей из одного или более шагов задания, которые определяются посредством языка управления заданиями.
Управление задачами поддерживается совокупностью средств, обеспечивающих одновременное выполнение нескольких задач в системе (путем планирования задач, распределения памяти и т. д.). Саму задачу можно определить как основной объект выполнения ра-
бот в микроЭВМ, требующий выделения ресурсов: памяти для раз- j мещения задачи; устройств ввода-вывода для перемещения задачи; 1 времени процессора для выполнения операций обработки данной за- I дачи. Задача является независимым программным сегментом. С точки J зрения программы, которая представляет задачу, — ее выполнение 1 происходит так, как будто других задач не существует. С точки зре- ] ния программ управления задачами, задача может находиться в со- ( стоянии выполнения, готовности, ожидания.:
Программы управления данными осуществляют: ввод и вывод данных на внешние устройства и с внешних устройств; объединение i записей в блоки и разделение блоков на записи; анализ и обработку ошибок; перевод условных символьных наименований внешних устройств в их физические адреса; каталогизацию информации, ее * поиск и редактирование.]
Управляющие программы операционной системы содержат не- ч сколько компонент, наименования которых общеприняты, хотя и i функциональные задачи трактуются разработчиками операционных i систем не всегда однозначно. К таким компонентам относятся мони- ] тор, супервизор, диспетчер и др.:
Монитор интерпретирует указания языка управления заданиями ) и осуществляет контроль за выполнением заданий. Супервизор — ( это компонента системы управления задачами, обрабатывающая все > ситуации, которые стали причинами возникновения прерываний. 1 Диспетчер — это программа управления задачами, организующая , совместное использование задачами ресурсов микроЭВМ. Так, диспет- j чер обслуживает очередь запросов на использование памяти, про- цессора, внешних устройств.j
Напомним, что мы отметили в рамках технологической опера- | ционной системы существование управляющих программ и обраба- | тывающих программ. Перейдем к характеристике набора обрабаты- 1 вающих программ, который включает редактор текстовой информа- | ции, ассемблер, отладочную программу, библиотеку стандартных 1 подпрограмм, загрузчик, текстовые и диагностические программы и др. 1
Редактор текстовой информации, или просто редактор текстов, | позволяет вводить программы через устройство ввода в некоторую 1 область оперативной памяти, вызывать любую запись из памяти, мо- 1 дифицировать ее и вновь возвращать в память. Команды редак- '■ тора текста делятся на четыре группы: ввода (ввод текста в рабочую j область), манипуляции указателем буфера (размещение указателей j в рабочей зоне для последующего редактирования некоторого фраг- 1 мента), вывода (вывод текста на внешнее устройство), манипуляции ] данными (собственно редактирование).|
Программа-ассемблер презназначена для обработки исходного ] текста прикладной программы, написанной с помощью мнемониче»! ских обозначений входного языка ассемблера, для щ^еобразованияЗ этого текста в объектный код, загружаемый в память микроЭВМ;! для последующего выполнения программы. Программа-ассемблер! осуществляет ввод и вывод исходного текста, вывод объектного кода. 1 В типичной ассемблерной программе встречаются три вида предло-| 5081
жений: символические команды для микроЭВМ, которые транслируется в команды на соответствующем языке машины в объектной программе; директивы самого ассемблера, управляющие процессом трансляции; комментарии, которые воспроизводятся в листинге программы для документирования, но не влияют на процесс трансляции.
Если система команд микропроцессора точно соответствует входному языку ассмеблера, то программа-ассемблер вырабатывает на один оператор языка по одному машинному коду (трансляция «один к одному»). На практике некоторые операторы языка развертываются
Прикладные программы
Рис. 24.1. Состав технологической операционной системы микроЭВМ
в несколько машинных команд. Некоторые последовательности команд ассемблера могут быть обозначены как микрокоманды и впоследствии вызваны по имени в любом месте программы. В этом случае макрогенератор ассемблера сформирует таблицу макроопределений и, используя содержащуюся в ней информацию, построит по макровызовам макрорасширения.
Отладочная программа, или просто отладчик, упрощает отладку на микроЭВМ объектной программы, выполняя индикацию или модификацию содержимого памяти или регистров микропроцессора, программу с указанного адреса или заданную команду при соблюдении определенного условия, трассировку команд, т. е. вывод каждой команды и результата ее выполнения, трассировку групп команд. Отладочная программа работает обычно в интерактивном (диалого- вом) режиме и интерпретирует команды программиста.
Библиотека стандартных подпрограмм содержит подпрограммы наиболее часто используемых процедур, таких как арифметические операции над числами в форме с плавающей запятой, вычисление функций, работа с многоразрядными числами и др.
Загрузчик — это программа, которая помещает объектную программу в определенную зону оперативной памяти, присваивая командам программ абсолютные адреса. На загрузчик могут быть также возложены функции установления связей между объектными программами путем использования в них взаимных ссылок (этот процесс называют редактированием внешних связей). Загрузчик использует управляющую информацию языкового транслятора (например, ас- семблера) и указания программиста.
Тестовые и диагностические программы предназначены для оценки работоспособности аппаратной части микроЭВМ. Объектами в данном случае являются блоки памяти, микропроцессор, внешние устройства.
Условная структура технологической операционной системы и ее «расположение» относительно аппаратной части микроЭВМ и прикладного математического обеспечения показаны на рис. 24.1. - В состав операционкой системы не включены компиляторы с язьг ков высокого уровня, которые в перспективе найдут широкое приме- ; нение, например, для разработки прикладного математического обеспечения управления с помощью таких языков, как Паскаль, Ада.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Исполнительные операционные системы, как уже отмечалось выше, создают среду для выполнения прикладных программ. ; Они должны обеспечивать параллельное выполнение нескольких фик- J сированных задач, синхронизированное с внешними событиями, обусловленными поведением объекта управления. В минимальном варианте исполнительная операционная система обеспечивает работу ^ с одним заданием в режиме мультипрограммирования на уровне : задач. При этом выполняются две основные функции: распределение g времени микропроцессора, синхронизация и связь между задачами Время процессора распределяется на основе фиксированных или i динамических приоритетов, присваиваемых задачам. Диспетчеризация задач с фиксированными приоритетами целиком осуществляется операционной системой. Динамические приоритеты задач изменяются в ходе вычислительного процесса, причем это изменение производится соответственно некоторому алгоритму. Для этого создается специальный монитор, действующий внутри задания на правах задачи и сообщающий исполнительной операционной системе текущие , значения приоритетов.
Синхронизация задач проявляется таким образом, что некоторая ф. задача может запускать или останавливать другие задачи в зависимости от определенных условий. Связь задач состоит в том, что они обмениваются между собой сообщениями. Синхронизация и связь осуществляются через операционную систему, которая выполняет роль посредника между асинхронно выполняемыми Задачами; причем для обращения к операционной системе используется аппарат < прерываний.
Исполнительная операционная система сама забирает процесс ж сорное время, «отнимая» это время у задач. По этой причине важное А 510I
значение приобретает-минимизация «накладных расходов» на работу операционной системы. Кардинальным решением проблемы ускорения работы исполнительной операционной системы является микропрограммная реализация ее отдельных функций.
Анализируя структуру исполнительной операционной системы реального времени, можно обнаружить те же две части, что и в технологической, а именно управляющие (называемые иногда ядром операционной системы) и обрабатывающие (называемые также утилитами) программы.
Основные функции ядра операционной системы реального времени можно определить следующим образом.
Управление задачами. Ядро должно предоставлять некоторой задаче, работающей под его управлением, возможность активизировать или деактивизировать другую задачу, приостанавливать свое выполнение на определенный срок, запускать некоторую задачу циклически и т. д.
Управление приоритетами. Как уже отмечалось, все задачи в системе должны иметь определенный приоритет, и должна существовать возможность изменять его. Задачи получают доступ к ресурсам в соответствии со своим приоритетом и избранной для этого ресурса дисциплиной обслуживания. Например, процессор может быть предоставлен наиболее приоритетной из готовых к выполнению программ. Другой вариант — процессор получает первая программа из стоящих к нему на очереди. В некоторых случаях задача кроме программного может еще располагать и аппаратным приоритетом, т. е. приоритетом, которым при выполнении этой задачи наделяется процессор относительно других устройств системы.
Обмен информацией между задачами. Здесь возможно несколько вариантов. Во-первых, ядро может поддерживать глобальные области, доступные всем задачам. Во-вторых, задача, активизи- руядругую, может передавать ей данные и в свою очередь получать их по завершении созданной задачи. В-третьих, обмен сообщениями возможен с помощью так называемых обменников, т. е. объектов специальной природы,' к которой система организует очередь задач, ждущих сообщения.
Защита от тупиков, т. е. предотвращение ситуаций, в которых одна задача ожидает события, связанного с работой другой задачи, которая в свою очередь ожидает первую.
Динамическое распределение памяти. Необходимость этих функций связана со все растущим объемом математического обеспечения и необходимостью сделать всю систему резидентной, что оставляет для прикладных задач все меньше и меньше адресного пространства (объем памяти, как правило, ограничен из-за 16-разрядной размерности слова микропроцессора).
Инициация системы, т. е. установка всех начальных значений.
Функции утилит операционных систем реального времени таковы.
Осуществление ввода-вывода. Здесь можно упомянуть два класса процессов. Первые некритичны ко^времени; это обмен с опе-
раторской консолью, скорость и приоритет которых определяются реакцией оператора. Ко второму классу относятся обмен и обработка прерывания со стороны интерфейсов оборудования. Подобные процессы относятся к высокоскоростным и высокоприоритетным.
Компилирование, в том числе и с языков высокого уровня. Включение компиляторов в состав исполнительных операционных систем реального времени весьма желательно, хотя и не всегда выполнимо (из-за ограниченных вычислительной мощности и памяти).
Редактирование текстов прикладных программ, например, редактирование файлов управляющих ЧПУ. По-видимому, функции редактора текстов управляющих программ не зависят от типа устройства ЧПУ, и такой редактор можно вывести из состава прикладной компоненты математического обеспечения.
Важнейшим ресурсом вычислительной системы реального времени является процессор. В системах реального времени без разделения времени передача этого ресурса от задачи к задаче может произойти лишь в двух случаях: при выдаче программой запроса системе, в результате которого текущая задача может быть приостановлена; или при появлении внешнего требования на прерывание при условии, что задача разрешает процессору такое прерывание. Разделение времени, т. е. Деление всего процессорного времени на кванты определенной длины и выдача этих квантов разным задачам по нередко весьма сложным правилам, требует усложнения операционной системы и увеличения доли времени, занимаемого собственной работой ее.
§ 4. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Рассмотрим пример операционной системы реального времени с точки зрения возможностей, которые она предоставляет разработчику математического обеспечения. Речь пойдет об операционной системе реального времени, разработанной на базе микроЭВМ «Электроника-60», ориентированной на взаимодействие с прикладными задачами ЧПУ.
Система полностью резидентна (объем занимаемой памяти 4 К слов) и не предоставляет возможности управления внешними запоминающими устройствами. Для собственной работы операционная система использует менее 10 % процессорного времени. При ее применении трудоемкость проектирования математического обеспечения ЧПУ снижается в 2—3 раза за счет сокращения объема специально разрабатываемого математического обеспечения в рамках прикладной компоненты, а также в результате улучшения общей организации взаимодействия задач.
Обращение прикладных задач к операционной системе осуществляется с помощью специальных инструкций. Центральной частью Операционной системы является модуль обработки этих инструкций, который, кроме того, обеспечивает сохранение и последующее восстановление информации о прерванной задаче. Обработка инструкции состоит в передаче управления тому модулю системы, кото- 512
^йЫй ответственен за исполнение соответствующей функции. Подоб- . цые модули, в свою очередь, используют для своей работы значительное количество универсальных подпрограмм: обработки списков, управления памятью, драйверов стандартных устройств ввода-вывода и т. п. Таким образом, универсальные обрабатывающие подпрограммы оказались по существу включенными в ядро операционной системы. Это характерно для многих экономичных операционных систем реального времени, поставленных на микроЭВМ, по- . скольку точное местоположение ряда обрабатывающих программ в иерархии ядро — утилиты — прикладные программы определить - бывает трудно.
Задачи в системе могут быть активными и неактивными. Не- . активные задачи не принимают участия в конкуренции за ресурсы; активные же могут находиться в трех состояниях: выполнения, готовности к выполнению, ожидания (события, освобождения ресурса, истечения времени). В любой момент выполняется лишь одна про- грамма, и процессор может быть передан в двух случаях: при выдаче . выполняемой программой соответствующего запроса или при внешнем прерывании. Дисциплина обслуживания строго на приоритетной . основе, любой освободившийся ресурс выдается программе с наи- -большим приоритетом. Кроме понятия «задача» существует понятие «подзадача». Подзадачи отличаются от задач тем, что являются определенным образом зависимыми от создавших их задач (передают и -получают от них некоторые данные и т. п.). В дальнейшем под созданием задачи понимается ее активизация, а под уничтожением —- деактивизация.
Функциональные возможности операционной системы выявляются при анализе следующих вариантов запросов (со стороны прикладной компоненты) к ядру.. w
Инициировать систему. Этот запрос очищает таблицы ядра и создает задачу нулевого приоритета, необходимую для дредотвраще- ..н]ия сбоев в отсутствии готовых к выполнению задач. Задача нулевого приоритета в свою очередь создает задачу, написанную в рамках прикладной компоненты для инициации этой компоненты.
Создать подзадачу, создать подзадачу с ожиданием, создать задачу, безусловное создание подзадачи, безусловное создание задачи. • Эти запросы в общих чертах аналогичны; они предназначены для активизации указанной задачи или подзадачи и отличаются поведением в случае невозможности выполнить требуемую функцию.
Ожидать подзадачу, ожидать задачу. Программы, выдавшие такие запросы, переводятся в ожидание до окончания указанной подзадачи или задачи.•)
Занять устройство, освободить устройство. По этим запросам ^названное устройство закрепляется за задачей или освобождается.
Объявить устройство доступным, объявить устройство недо- -ступным. Соответствующее устройство включается или исключается из системы.
Инициировать ввод, инициировать вывод. Подобные задачи запускают процедуру ввода или вывода.
П/р В. Э. Пуша513
Ожидать завершения ввода-в'ывода, ожидать прерывания ^ устройства, ожидать истечения временного интервала, ожидать прерывания от устройства с контролем по времени. Программы, выдавшие эти запросы, переходят в ожидание соответствующего события.
Выделить блок памяти, освободить блок памяти, безусловное выделение памяти. Такие запросы относятся к динамическому управлению памятью.
Пауза, продолжить подзадачу, продолжить задачу. Первый из этих запросов переводит задачу или подзадачу в состояние ожидания на неопределенный срок. Другие два запроса переводят приостановленную программу в состояние готовности.
Уничтожить задачу, уничтожить подзадачу. Указанные запросы относятся к деактивизации программы.
Изменить приоритет программы.
Конец программы, конец программы с сохранением памяти.
Эти запросы деактивируют выдавшую их программу, причем во втором случае память, выделенная задачей, не возвращается в пул свободной памяти.
Завершив рассмотрение примера исполнительной операционной системы реального времени, вновь обратимся одновременно к технологическим и исполнительным классам операционных систем.
Выделение двух указанных классов операционных систем порождает две проблемы: проблему совместимости этих систем при их раздельном использовании и проблему совместимости тех же систем при их одновременном использовании в режиме мультипрограммирова- нпя. Первая проблема означает, что прикладные объектные программы, полученные в среде технологической операционной системы, должны без всяких изменений выполняться в среде исполнительной операционной системы. Это требует унификации обращений к операционным системам как со стороны готовых, так и разрабатываемых программ. Вторая проблема актуальна, естественно, лишь в тех случаях, когда отладка и выполнение осуществляются на одних и тех же вычислительных средствах. Подобная ситуация представляется пока в отношении ЧПУ несколько искусственной, однако пренебрегать ею не следует, имея в виду непрерывное увеличение вычислительной мощности устройств ЧПУ. Одновременное использование технологической и исполнительной операционных систем возможно лишь в том случае, если обеспечены прямые и обратные динамические переходы от одной системы к другой.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ УСТРОЙСТВЕ ЧПУ КАК ВИРТУАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ
Продолжим анализ системных математАиеских средств. Микропроцессорное устройство ЧПУ является проблемно-ориентированной вычислительной машиной реального времени и, как любое вычислительное устройство, может быть определено в виде интегрированного набора алгоритмов и структур данных. Как вычислитель-
пая машина, устройство ЧПУ способно хранить и выполнять в реальном масштабе времени управляющие программы ЧПУ. Существует несколько способов построения требуемой вычислительной машины, в том числе и устройства ЧПУ.
При аппаратной реализации структуры данных и алгоритмы представлены непосредственно физическими устройствами — электронными блоками с фиксированными функциями (такая возможность была рассмотрена в отношении аппаратных устройств ЧПУ). При программно-аппаратной реализации структуры данных и алгоритмы обеспечены микропрограммами, выполняемыми на соответствующей микропрограммнруемой аппаратной машине. При про- граммно-моделируемой реализации структуры данных и алгоритмы представлены программами, написанными на языке опорной машины (аппаратной или программно-аппаратной) таким образом, что язык управляющих программ для моделируемой машины является машинным. При комбинированной реализации одна часть вычислительной машины обеспечивается аппаратурой, другая — микропрограммами, третья — с помощью программного моделирования.
Аппаратную вычислительную машину называют реальной. Машину, которая частично или полностью моделируется программами нли микропрограммами, называют виртуальной. Машинным языком виртуальной вычислительной машины является выполняемая форма программы, выдаваемая транслятором.
Для микропроцессорных устройств ЧПУ структуры данных и алгоритмы, используемые при обработке управляющих программ, написанных на входном языке устройств (например, в коде ISO-7bit), также определяют некоторую вычислительную машину. Эта машина в значительной степени смоделирована программно, например, на базе некоторой микроЭВМ. В силу этого микропроцессорное устройство ЧПУ становится виртуальной вычислительной машиной, определяемой реализацией входного языка управляющих программ. Следовательно, входной язык управляющих программ можно полагать машинным для виртуального вычислителя, в качестве которого выступает микропроцессорное устройство ЧПУ.
17*17*Виртуальный вычислитель (микропроцессорное устройство ЧПУ) является на самом деле иерархической системой виртуальных машин, в основании которой лежит аппаратная микропроцессорная структура (рис. 24.2). Аппаратная структура оснащена несколькими слоями математического обеспечения, что обращает ее в конечную виртуальную машину, существенно отличающуюся от исходной. Каждая промежуточная виртуальная машина располагает собственными языковыми средствами, которые воспринимаются на своем иерархическом уровне как машинный код и в то же время могут послужить основой для построения виртуальной машины более высокого иерархического уровня. Таким образом, помимо иерархии виртуальных машин (средняя колонка на рис. 24.2) существует иерархия языковых средств (правая колонка) и иерархия слоев математического обеспечения (левая колонка).
17*
17*
515
Первый слой, обращающий исходную микропроцессорную структуру устройства ЧПУ в виртуальную машину первого уровня — это совокупность микропрограмм. Второй уровень виртуальной машины определяется сложным набором программ, написанных на языке микрокоманд и составляющих операционную систему базового вычислителя устройства ЧПУ. Конкретно речь идет об исполнительной операционной системе реального времени, особенности которой
Рйс. 24.2. Микропроцессорное устройство ЧПУ как виртуальная вычислительная машина
были рассмотрены выше. В состав операционной системы входит ассемблер, а быть может, и транслятор с языка высокого уровня; Таким образом, ассемблер или язык высокого уровня являются на данном уровне виртуальности входными машинными языками, которые могут быть использованы для программного моделирования очередной виртуальной машины. Этой очередной (третьей) виртуальной машиной является уже само устройство ЧПУ, причем данный урог вень виртуальности определяется сложным набором прикладных программ ЧПУ в составе проблемно-ориентированной (технологически ориентированной) операционной системы ЧПУ.
На третьем уровне виртуальности решается Основная задача ЧПУ — отработка управляющих программ, заданных на входном языке ЧПУ обычно в коде ISO-7bit; однако этот уровень не предоставляет современного сервиса при подготовке управляющей программы. Особенности подобного сервиса таковы: стандартные циклы,
параметрические подпрограммы, макроязык пользователя, диалог, автоматизированная подготовка программ и т. д. Все эти особенности, будучи реализованными, фактически превращают устройство ЧПУ в автоматизированное рабочее место АРМ—ЧПУ — виртуальную машину четвертого иерархического уровня. Для указанной реализации необходим еще один слой математического обеспечения, который может быть оформлен в виде операционной системы АРМ— ЧПУ.
Представление об устройстве ЧПУ как виртуальном вычислителе (см. рис. 24.2) полезно с нескольких точек зрения.
Модель устанавливает отношение каждого последующего слоя математического обеспечения к предыдущему. Становится очевидным, что особенности и степень сложности проблемно-ориентированной операционной систему ЧПУ в значительной степени определяются особенностями и степенью сложности операционной системы общего назначения базового вычислителя. Чем более богатой операционной системой располагает базовая микроЭВМ, тем более просто дается переход к тому уровню виртуальности, на котором решаются задачи обработки (отработки) управляющих программ. Операционная система общего назначения может отсутствовать вообще; но в этом случае на долю разработчиков операционной системы ЧПУ выпадет чрезвычайно сложная работа, в рамках которой придется создавать не только прикладные программы ЧПУ, но и среду для квазипараллельного функционирования этих программ.
Модель позволяет поставить проблему оптимизации границ между отдельными операционными системами. Оптимизация должна быть подчинена целям эффективной разработки множества комплектов математического обеспечения ЧПУ, целям эффективного расширения некоторого конкретного комплекта, повышения возможностей для пользователя создавать собственные версии математического обеспечения. Оптимизация должна исходить также из целесообразности автоматизированного проектирования математического обеспечения ЧПУ в соответствии с конкретным техническим заданием.
Модель подсказывает, что каждый слой математического обеспечения, поднимающий систему на очередной уровень виртуальности, может быть организован по типу операционной системы, поскольку такое решение может быть наиболее гибким. В частности, именно таким образом целесообразно строить математическое обеспечение ЧПУ. Подобный вывод достаточно продуктивен для разработчиков прикладного математического обеспечения ЧПУ, которые не в должной мере используют богатый опыт системного программирования. Этот опыт свидетельствует о том, что специальные решения и чрезмерно сложные структуры, введенные с намерением сэкономить место в памяти или повысить быстродействие, не всегда оправданы. Причина состоит в том, что истинные затраты, связанные с длительностью разработки и конечной надежностью, часто перекрывают реальную экономию памяти и процессорного времени.
Модель демонстрирует различные возможности построения конечной виртуальной машины. Так, могут независимо существовать
все уровни виртуальности (и при этом будет достигнута наибольшая декомпозиция), либо смежные уровни могут образовывать еднноё целое. Это объясняет существование большого числа вариантов структурной организации математического обеспечения микропроцессорных устройств ЧПУ. Выбирая вариант, естественно отдать предпочтение более надежному математическому обеспечению, которое будет наиболее структурированным и логически стройным.
Модель является «открытой» сверху, что позволяет предположить существование еще более высоких уровней виртуальности,
6)
которые могут появиться по мере увеличения функциональных возможностей ЧПУ. Так, помимо автоматизированной подготовки управляющих программ возможно представить в перспективе и какой-то вариант автоматизированного конструирования, по крайней мере, по отношению к некоторому классу деталей (например, шестерням).
«Взаимоотношение» отдельных уровней иерархии виртуальных машин можно проиллюстрировать. На рис. 24.3 показано, что структуры отдельных уровней, по сути дела, одинаковы, и отдельные блоки каждого варианта структуры несут одинаковую по смыслу нагрузку.
На рис. 24.3, а представлена структура физической машины (см. также рис. 23.12), связь основных аппаратных блоков внутренней структуры в которой осуществляется с помощью аппаратной шины, а связь с внешним миром производится через аппаратный интерфейс. На рис. 24.3, б показано, что сама физическая 518
фашина может служить программно-аппаратным средством связи блоков виртуальной машины — базового вычислителя, т. е. физическая машина становится программно-аппаратно-реалнзованной шиной. Внешним входом для этого уровня виртуальности являются программы, роль интерфейса для которых выполняет транслятор с ассемблера или языка высокого уровня. Путь к внешнему выходу управления лежит через физическую машину предыдущего иерархического уровня. Структура устройства ЧПУ, приведенная на рис. 24.3, в, идентична. Роль системы связи специфических блоков
Рис. 24.4. Операционная система ЧПУ и входные языковые средства ЧПУ
данного уровня выполняет программно-реализованный базовый вычислитель более низкого иерархического уровня, т. е. на этот раз базовый вычислитель выступает в качестве программно-реализованной шины. Внешним входом для этого уровня виртуальности являются управляющие программы ЧПУ, интерфейсом для которых служит транслятор с языка управляющих программ. Путь к внешнему выходу управления лежит через нижние иерархии машин.
Операционная система ЧПУ, представленная на рис. 24.3, в в составе блоков устройства ЧПУ, имеет структуру, свойственную всем операционным системам. В ее составе можно выделить обрабатывающие программы (рис. 24.4). В комплексе управляющих программ различимы подсистемы управления заданиями, управления задачами, управления данными, причем программы управления задачами представляют собой то, что на уровне базовой операционной системы мы называли прикладным пакетом. В числе обрабатывающих программ — интерпретатор языка панели оператора, компилятор языка программ ЧПУ, редактор текста программ ЧПУ. Язык панели оператора устройства ЧПУ — это директивный язык для связи с операционной системой ЧПУ.
По своему смыслу клавишные указания панели оператора предназначены для настройки операционной системы ЧПУ на выполне-
ние определенного рода работ и являются, следовательно, элемент тами языка управления заданиями ЧПУ. Входной текст управляющей программы, содержащий геометрические, технологические и вспомогательные описания, относится к языку задач. Таким образом, устройство ЧПУ располагает теми же классами входных языковых средств, что и ЭВМ общего назначения, а кроме того, и дополнительным классом, который охватывает сигналы, поступающие со станка. К этому классу относится язык станка, т. е. язык объекта управления.
ГЛАВА 25
СТРАТЕГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧПУ
1. СОДЕРЖАНИЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Проблема разработки математического обеспечения ЧПУ имеет две составляющие. Содержанием первой является тщательная отработка отдельных, в принципе известных алгоритмов ЧПУ и создание новых частных алгоритмов. Накопленный фонд алгоритмов ЧПУ достаточно велик, тем не менее, он непрерывно пополняется. Широким фронтом продолжаются, например, разработки и уточнения алгоритмов многокоординатной интерполяции, реализация которых требует больших затрат вычислительной мощности, а потому нередко определяет саму архитектуру устройства ЧПУ. Вторая составляющая проблемы математического обеспечения ЧПУ — это координация всех алгоритмов ЧПУ, конкурирующих в запросах к ресурсам устройств ЧПУ. Сложность этой части проблемы в том, что общее число алгоритмов в системе ЧПУ исчисляется сотнями, и организация их взаимодействия является стратегической задачей, определяющей в конечном счете надежность математического обеспечения.
Обращаясь к организации математического обеспечения ЧПУ, охарактеризуем функциональные проблемы, которые находятся в центре внимания разработчиков математического обеспечения: выделение процессов реального времени; структуризация математического обеспечения; организация базы данных; использование в проекте математического обеспечения принципов построения однородных вычислительных сетей, идей теории трансляции, принципов построения операционных систем.
. ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
В составе математического обеспечения ЧПУ обнаруживаются две группы процессов — подготовка данных в машинном масштабе времени и управление задачами реального времени 620
(рис. 25.1). Эти процессы существенно различаются; при этом они должны быть синхронизированы между собой. Первую группу нередко называют «медленной», а вторую — «быстрой», что определяется как допустимой задержкой в исполнении процедур, так и временем исполнения процедур. Примерами медленных процессов могут послужить ввод и размещение программы, трансляция программы, внецикловые подготовительные расчеты для интерполяции и др. В качестве примеров быстрых процессов можно указать интерполяцию, управление разгонами и торможениями, управление
Рис. 25.1. Две группы процессов в микропроцессорном устройстве ЧПУ
приводами, компенсацию ошибок, .слежение за границами допустимого рабочего пространства и т. д.
Синхронизация подготовки данных и управления задачами может быть выполнена на уровне базовой операционной системы реального времени, которая «прикрывает» от разработчика математического обеспечения ЧПУ необходимость детального распределения процессорного времени. Если операционная система реального времени не применяется, разработчик математического обеспечения ЧПУ сам создает те или иные механизмы взаимодействия указанных групп задач, как правило, на основе специальных программ-диспетчеров. Некоторые особенности механизмов взаимодействия поясним на примере.
Пример — организация работы на постоянной несущей частоте, заданной цикличностью интерполяционных расчетов либо цикличностью управления приводами подачи. .
Принципы пошаговой интерполяции, разработанной для аппаратных устройств ЧПУ (на основе метода оценочной функции, цифровых дифференциальных анализаторов и др.), неприемлемы для микропроцессорных систем ЧПУ из-за ограниченного быстродействия процессора. Элементарные расчеты показывают, что длительность интерполяционного вычислительного цикла, привязанного к каждому унитарному импульсу, выдаваемому в привод, должна в этом случае (исходя из максимальной требуемой частоты импульсов) исчисляться единицами микросекунд, а это .невозможно. Не следует также забывать, что процессор должен обрабатывать и другие многочисленные задачи. По этой причине получил распространение так называемый метод работы «на постоянной несущей частоте», организуемой таймером. Интерполяционный расчет в этом случае состоит не в определении необходимости выдачи унитарного импульса в привод той илн иной координаты, а в вычислении
торыми другими задачами реального времени (адаптивное управление и др.). Небольшое время занимают фоновые программы связи и обмена информацией.
Второй микропроцессор (ведомый) формирует управляющие команды на основе интерполяционных расчетов соответственно управляющей программе. Необходимые
■Обнаружение задания на круговую интерполяцию, передача микропроцессору 2
Возврат к исполнению отставленных задач-.
Рис. 25.2. Циклограмма взаимодействия быстрых и медленных процессов
•Передача первого приращения
Передача второго приращения и т.д.
кодовых приращений для каждого привода на предстоящий период постоянной несущей частоты. Эту частоту выбирают в диапазоне 100—400 Гц, руководствуясь определенными, хотя и противоречивыми соображениями. С одной стороны, эту частоту хотелось бы уменьшить для того, чтобы в оставшееся от интерполяционного цикла время (в каждом периоде постоянной несущей частоты) могли быть обслужены и другие задачи. С другой стороны, эту частоту необходимо увеличивать, чтобы наи- лучшнм образом воспользоваться фильтрующими способностями следящих приводов подачи (дискретность кодовых посылок не должна оказывать влияние на контурную точность).
Теперь возникает возможность дать более точное определение быстрым н медленным процессам. К быстрым относятся те процессы, которые начинаются н завершаются в рамках одного периода постоянно несущей частоты и не прерываются таймером. В число медленных могут быть включены процессы, которые не успевают закончиться н одном периоде постоянной частоты н прерынаются таймером, причем прерывание процесса до его полного завершения может быть многократным. Эти прерываемые процессы называют также фоновыми.
Циклограмма взаимодействия быстрых и медленных процессов представлена на рис. 25.2. Здесь показан пример распределения процессорного времени в рамках одного периода постоянной несущей частоты. В различных устройствах ЧПУ быстрые процессы обслуживаются либо соответственно их приоритетам, либо в жесткой последовательности. То же относится и к медленным процессам, занимающим фоновое время.
Подобная организация управления может быть использовав и в однопроцессорных, и в мультипроцессорных устройствах ЧПУ. Рассмотрим, например, построение управляющего процесса в устройстве с четырьмя микропроцессорами, функции которых распределены следующим образом.
Первый микропроцессор (ведомый) занимаетси обслуживанием приводов, вычислениями, связанными с замыканием контуров следящих систем, а также и неко-
Ведущий микропроцессор
Внецикловые расчеты, необходимые
Микропроцессор 2
Управление приводам
Микропроцессор /
<0
Новые внецикловые расчеты
Ожидание свободного места
"перемещения,;
рЧтение датчика обратной связи, выдача управляющих сигналов
/-- Предварительные (опережающие) расчеты, адаптивное управление
/\ V Фоновые задачи- обмен данными и связь с ведущим микропроцессором
"Т"
1-я координата
2-я координата
3-я координата
Период постоянной несущей частоты
6)
Рис. 25.3. Циклограмма совместной работы микропроцессоров устройства ЧПУ ‘при круговой интерполяции:
° — упрощенная циклограмма, не отражающая миогокоордйнатного управления; б =• уточнение применительно к многокоордннатному управлению
для этого данные поступают от ведущего микропроцессора. Здесь нет основной и фоновой секций, нет необходимости в прерываниях, выполняемые задачи носят чисто вычислительный характер. Эти вычисления создают определенный задел в интерполяционных циклах и прекращаются только тогда, когда заполняется собственная
обменная память микропроцессора типа «почтовый ящик» (точно такой же обменной памятью располагают и все другие микропроцессоры).
Третий микропроцессор (ведомый) обслуживает станочную автоматику и играет роль программируемого контроллера. Команды поступают из ведущего микропроцессора соответственно управляющей программе.
Четвертый микропроцессор (ведущий) опрашивает пульт оператора и выполняет вводимые команды, при загрузке перфоленты читает и запоминает данные, при отработке программы выдает управляющие сигналы ведомым микропроцессорам. Он играет роль связующего звена между ведомыми микропроцессорами.
Циклограмма совместной работы микропроцессоров (исключая микропроцессор станочной автоматики) показана на рис. 25.3 на примере круговой интерполяции. Управление следящими приводами осуществляется на постоянной несущей частоте, и интерполятор предоставляет первому микропроцессору расчеты в виде кодовых приращений на предстоящий период. После заполнения обменной памяти интерполяционными расчетами и приостановки своей работы второй микропроцессор ожидает свободное место в памяти, и при его появлении интерполяционные расчеты возобновляются. Циклограмма на рис. 25. 3, а упрощена, на ней не показано одновременное управление несколькими приводами подачи; на рис. 25. 3,6 работа первого микропроцессора показана подробнее, в более «растянутом» временном масштабе.
СТРУКТУРИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧПУ
При разработке математического обеспечения ЧПУ целесообразно использовать приемы структурного программирования. Один из приемов состоит в том, что система строится по иерархическому принципу, причем:
ца каждом иерархическом уровне не известно о свойствах (и даже о существовании) более высоких уровней;
на каждом уровне ничего не известно о внутреннем строении других уровней;
каждый уровень представляет собой группу модулей; на более высоком уровне известны имена этих модулей, которые и являются средством сопряжения с этим уровнем;
каждый уровень располагает определенными ресурсами и либо скрывает их от других уровней, либо предоставляет другим уровням некоторые их абстракции;
предположения, которые на каждом уровне делаются относительно других уровней, должны быть минимальными; эти предположения могут принимать вид условий, которые должны сообщаться перед выполнением функций, либо они могут относиться к предоставлению данных.
Приведем пример такой организации математического обеспечения ЧПУ, которая в определенной степени следует указанным принципам.
Пример — структурированная организация математического обеспечения ЧПУ» В общей структуре математического обеспечения (МО) ЧПУ выделены три уровня (рис. 25.4): уровень диспетчера (на этом уровне разрешены передачи управления по прерыванию), уровень функциональных программ Фп, уровень элементарных функциональных программ ЭФП.
К нижнему уровню ЭФП относятся следующие процедуры: организация информационного обмена со станком (задание скоростей подачн и быстрого хода, включение-выключение станка, обработка осведомительных сигналов и сигналов обратной связи)? интерполяция, определение квадрантов, расчет приращений, чтение реги- 524.
&гров, разделение припуска на проходы, коррекция программы и др. Другие ЭФП связаны с выполнением логических (обработка изменений в «слове состояния станка
и системы управления», связанных с ходом технологического процесса или вмешательством в процессе управления с пульта оператора) или вычислительных (например, подготовка интерполяции) операций.
В задачу среднего уровня ФП входит последовательный вызов необходимых программ ЭФП. Каждая программа ФП выполняет кадр или часть кадра управляющей программы ЧПУ. Поскольку кадр содержит геометрическую и технологическую информацию, целесообразно иметь отдельные программы ФП для обработки информации этих двух видов. Для токарного станка к первой группе программ ФП могут быть отнесены: позиционное управление по прямой, интерполяция и управление перемещением по контуру, резьбонарезание, торможение, ручной ввод данных. Во вторую группу программ ФП войдут: смена и -коррекция инструмента, установка частоты вращения шпинделя, управление подачей смазочно-охлаждающей жидкости.
Рис. 25.4. Трехуровневая структурная схема математического обеспечения микропроцессорного устройства ЧПУРис. 25.4. Трехуровневая структурная схема математического обеспечения микропроцессорного устройства ЧПУНа верхнем уровне диспетчера осуществляется ввод управляющей программы, выполняется передача управления по прерываниям, организуется вызов программ ФП соответственно содержимому одного кадра управляющей программы. Одна из задач, решаемых диспетчером, состоит н вводе и размещении данных; причем различаются
Рис. 25.4. Трехуровневая структурная схема математического обеспечения микропроцессорного устройства ЧПУ
Рис. 25.4. Трехуровневая структурная схема математического обеспечения микропроцессорного устройства ЧПУ
ДаДаУправление станочной автоматикойУправление станочной автоматикойДа АДет—^Прямоугольное управление)-Да АДет—^Прямоугольное управление)-Функциональная программа прямоугольного управленияФункциональная программа прямоугольного управленияНетНетНетНетНетНетВызов соответствующей•ФПВызов соответствующей•ФПВызов соответствующей ФПВызов соответствующей ФПНетНетТТДаДаДаДаДа •Да •ДаДаФункциональная программа позиционного управленияФункциональная программа позиционного управления——-—।Вет| Ошибка | -— «——-—।Вет| Ошибка | -— «интерполяцияинтерполяцияДаВызов ФП контурного управленияДаВызов ФП контурного управления/ Линейная^интерполяция Нет/ Линейная^интерполяция НетВызов СоответствующейФПВызов СоответствующейФПЗагрузочный регистр
Да
Да
Управление станочной автоматикой
Управление станочной автоматикой
Да АДет
—^Прямоугольное управление)-
Да АДет
—^Прямоугольное управление)-
Функциональная программа прямоугольного управления
Функциональная программа прямоугольного управления
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Вызов соответствующей
•ФП
Вызов соответствующей
•ФП
Вызов соответствующей ФП
Вызов соответствующей ФП
Нет
Нет
Т
Т
Да
Да
Да
Да
Да •
Да •
Да
Да
Функциональная программа позиционного управления
Функциональная программа позиционного управления
——-—।Вет
| Ошибка | -— «
——-—।Вет
| Ошибка | -— «
интерполяция
интерполяция
Да
Вызов ФП контурного управления
Да
Вызов ФП контурного управления
/ Линейная
^интерполяция Нет
/ Линейная
^интерполяция Нет
Вызов СоответствующейФП
Вызов СоответствующейФП
Вызов ФП контурногоуправления
Рис. 25.5. Алгоритм диспетчирования при выполнении управляющей программ^
52^
данные, зависящие и не зависящие от формы детали. Первые (директивы языка задач) поступают с управляющей программой в общую рабочую зону; вторые (директивы языка заданий) приходят с панели оператора и со станка и заполняют «слово состояния». Управление выполнением программы происходит соответственно алгоритму диспетчирования (рис. 25.5).
Прерывания обслуживаются в рамках диспетчера (таймерные, прерывания с панели оператора и др.). Заявки на обслуживание заносятся в список, а обслуживание заявок выполняется соответственно приоритету. Программы выполняются с открытым или запрещенным прерыванием, что устанавливается диспетчером.
ОРГАНИЗАЦИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ЧПУ
Как отмечалось ранее, устройство ЧПУ может быть задано совокупностью алгоритмов и структур данных. Упорядоченные структуры данных в устройстве ЧПУ представляют собой некоторую базу данных, которая подлежит проектированию наряду с проектированием собственно математического обеспечения.
В состав базы данных входят упорядоченные массивы хранимых управляющих программ, различного рода таблицы, специальным образом организованные кадры управляющей программы, отображающие различные стадии подготовки к отработке, векторы управления, информационные векторы для индикации и визуализации и т. д. Некоторые вопросы организации базы данных станут предметом рассмотрения в очередном примере.
Пример — организация базы данных в устройстве ЧПУ, построенном на двух мнкроЭВМ.
Структура базы данных определяется задачами устройства ЧПУ и распределением функций между отдельными вычислителями. В рассматриваемом примере каждая микроЭВМ располагает операционной системой ЧПУ. В составе первой операционной системы — диспетчер, а также подсистемы управления индикацией, преобразованием информации, записью кадров в память программ и чтением кадров из памяти, выводом информации на перфоленту, вводом информации с пульта, исполнением программы, диагностикой. В составе второй операционной системы — диспетчер, а также подсистемы интерполяции и управления контурной скоростью, управления приводами подач.
Соответственно указанному распределению функций общая структура базы данных выглядит так, как это показано на рис. 25.6, где кроме структурных, компонентов базы данных показаны еще и важнейшие программно-математические модули, взаимодействующие с этими компонентами.
От общего структурного задания базы данных необходимо перейти к детализированному описанию всех ее составляющих. Далее рассмотрим в качестве примера способ организации хранения управляющих программ. В рассматриваемой системе предусмотрено хранение нескольких управляющих программ, которым предпосылается оглавление следующей формы:
Адрес первого кадра первой программы
Адрес последнего кадра первой программы
Страницы памяти первого и последнего кадров
Номер программы (заводской)
Количество отработок ^
Адрес первого кадра п-й программы
Рис. 25.6. База данных микропроцессорного устройства ЧПУРис. 25.6. База данных микропроцессорного устройства ЧПУ
Рис. 25.6. База данных микропроцессорного устройства ЧПУ
Рис. 25.6. База данных микропроцессорного устройства ЧПУ
Собственно программа составлена из кадров, каждый из которых связан1 с последующим и предыдущим (двухсвязная структура). При этом кадры не обязательно должны следовать один за другим в порядке возрастания их номеров. Структура каждого отдельного кадра выглядит так:
Адрес следующего кадра
Адрес предыдущего кадра
Страница следующего и предыдущего кадров.
Счетчик длины кадра
Номер кадра
Собственно кадр
Контрольная сумма
Подобная организация удобна при поиске и редактировании любого информационного фрагмента.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЕКТЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Некоторые исследователи считают, что методология проектирования математического обеспечения мультипроцессорных устройств ЧПУ должна быть принципиально иной, нежели при проектировании однопроцессорных устройств. Один из продуктивных подходов к проектированию мультипроцессорных систем состоит в использовании принципов децентрализации и однородности. В таких системах интерактивность процессов минимальна, а надежность высокая, поскольку вероятность отказа более чем одного микропроцессора ничтожна. Однородная структура позволяет перерабатывать большие суммарные объемы информации, осуществлять взаимную диагностику микропроцессоров, передавать задачи отказавшего микропроцессора другому микропроцессору.
Устройства ЧПУ, которые в полной мере использовали бы идеи децентрализации и однородности связей, пока не нашли широкого распространения. Однако можно привести пример промежуточного удачного решения, которое может подсказать дальнейшую направленность работ.
Пример — децентрализованное мультипроцессорное устройство с ЧПУ с однородными связями. Использованы четыре микропроцессорныАмодуля, соединенных в нерегулярную структуру через интерфейсные микропроцессорные узлы. Подобная структура в качестве одного из вариантов показана на рис. 23.3, д.
В каждом микропроцессорном модуле всегда активен резидентный системный процесс, который отвечает за распределение ресурсов микропроцессора. Все другие (рабочие) процессы, активные или пассивные, также заранее имеются в памяти, 528
причем каждому процессу придается информация о необходимых ему ресурсах. Любой активный процесс может активизировать пассивный в рамках всей сети. Если запрос на активизацию получен, системный процесс проверяет, имеется ли
запрашиваемый процесс в микропроцессорном модуле. При положительном результате запрашивающему процессу посылается ответ. Запрашиваемый процесс может одновременно находиться в нескольких микропроцессорных модулях. Поэтому запрашивающий процесс может сделать выбор между полученными ответами.
Все рабочие процессы делятся на две категории: быстрые (критичные ко времени исполнения) и медленные (время исполнения жестко не лимитировано). Быстрые процессы управляются внешними прерываниями в рамках обслуживания прерывания (рис. 25.7).
Подпрограммы системного процесса позволяют обращаться с рабочими процессами, сообщениями, таймерами, как с данными: выбрать сообщение из процесса для передачи в сеть; привести процесс в состояние ожидания, пока сообщение не будет передано в сеть; перевести процесс в состояние ожидания, пока сообщение ие будет получено из сети; перевести процесс в состояние ожидания, пока он не будет активизирован другим процессом либо прерыванием.
Связи основных рабочих процессов (для трех координат) показаны на рис. 25.8. Подобная декомпозиция математического обеспечения ЧПУ не является иерархической, поскольку взаимодействие осуществляется не на основе «ведущий—ведомый».
Процесс «управляющая программа» вырабатывает
Рис. 25.7 Обслуживание быстрых и медленных процессов в микропроцессорном модулеРис. 25.7 Обслуживание быстрых и медленных процессов в микропроцессорном модулекоманды соответственно тексту управляющей про
Рис. 25.7 Обслуживание быстрых и медленных процессов в микропроцессорном модуле
Рис. 25.7 Обслуживание быстрых и медленных процессов в микропроцессорном модуле
От ЭВМ верхнего рангаК ЭВМ верхнего рангаОт ЭВМ верхнего рангаК ЭВМ верхнего рангаРис. 25.8. Взаимодействие основных рабочих процессов устройства ЧПУРис. 25.8. Взаимодействие основных рабочих процессов устройства ЧПУграммы, принимает управляющие программы от ЭВМ верхнего ранга, посылает команды на движение процессам «приводы подачн», посылает команды для управления автоматикой станка. Процесс «привод подачи» получает команды на движение, принимает сигналы обратной связи по положению приводов, формирует сигналы управления регулируемым приводом, передает информацию процессу
От ЭВМ верхнего рангаК ЭВМ верхнего ранга
От ЭВМ верхнего рангаК ЭВМ верхнего ранга
Рис. 25.8. Взаимодействие основных рабочих процессов устройства ЧПУ
Рис. 25.8. Взаимодействие основных рабочих процессов устройства ЧПУ
«диагностика». Процесс «автоматика станка» получает команды со стороны процесса «управляющая программа», принимает осведомительные сигналы со станка, взаимодействует с панелью оператора, выдает управляющие сигналы на станок, передает информацию о станке процессу «диагностика». Процесс «диагностика» получает информацию о приводах подачи и состоянии станка, обрабатывает информацию о качестве н условиях обработки, направляет сообщения об ошибках процессу «управляющая программа», передает информацию о качестве и условиях обработки к- ЭВМ верхнего ранга.
Принято, что каждый микропроцессорный модуль должен вести два рабочих процесса. Далее принято, что при отказе одного микропроцессорного модуля система должна продолжать работать, а при выходе из строя двух модулей должна быть осуществлена безопасная остановка и установлена причина отказа. Один из вариантов раскрепления функций выглядит так. Модуль 1: «управляющая программа» и «привод подачи»; модуль 2: «привод подачи» и «диагностика»; модуль 3: «привод подачи»; модуль 4: «автоматика станка».
При выходе из строя модуля 1 потребуется реконфигурация системы путем передачи «привода подачи» и «управляющей программы» соответственно модулям 3 и 4. Интерфейсы должны быть соответственно автоматически переключены. Об отказе информируются ЭВМ и оператор.
При выходе из строя модуля 2 целесообразно останавливать станок и для этого иметь все процессы «привод подачи» и процесс «автоматика станка» с тем, чтобы остановка была безопасной. После такой остановки должен быть возобновлен процесс «диагностика» для тщательной оценки ситуации.
ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТА ТРАНСЛЯЦИИ К РАЗРАБОТКЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧПУ
Ранее было отмечено, что микропроцессорное устройство ЧПУ является виртуальной вычислительной машиной со структурами данных и алгоритмами, реализованными главным образом программным путем. Отдельные уровни виртуальности обозначены различными операционными средствами, функции которых состоят в трансляции вычислительной машины данного уровня на уровень
Рис. 25.9. Модель устройства ЧПУ в виде транслятора
более низкий. Отсюда можно сделать предположение в возможности использования аппарата теории трансляции при разработке математического обеспечения того уровня виртуальности, который определяет проблемную ориентацию устройства ЧПУ.
Подобная возможность следует и из соображений самого общего характера. В самом деле, числовое управление можно рассматривать как процесс перевода некоторых исходных указаний в выходной объектный код. При этом исходные указания Сформулированы на языке задач (управляющая программа) и на языке заданий (директивы панели оператора), а объектным кодом являются сигналы управления приводами подачи и электроавтоматикой, информационные блоки индикации и тексты визуализации (рис. 25.9, а также 530
Рис. 25.10. Алгоритмы и структуры данных в аппаратном устройстве ЧПУ
см. рис. 24.4). Определив формальным образом входные и выходные языковые средства, тем самым зададим условия для синтеза транслятора. Такая перспектива привлекает прежде всего возможностью построения (в том числе и автоматизированного) регулярной структуры математического обеспечения на основе однообразной, высокоэффективной и хорошо разработанной теории трансляции языков ЭВМ.
Трансляторы, выполненные на основе специальных схемных решений, можно обнаружить и в аппаратном устройстве ЧПУ (рис. 25.10). Структуры данных организованы в виде специально выделенных регистров (регистры буферной и рабочей памяти, входные и выходные), а аппаратно- реализованные модули посредни
чают между регистрами, выполняя
функции перевода внешних представлений на язык внутренних регистров, функции перевода с языка одних регистров на язык других.
Для микропроцессорного устройства ЧПУ структура данных выглядит значительно сложнее и может быть задана информационным графом (рис. 25.11), Узлы графа являются зонами специально организованной памяти или векторами состояния и принадлежат структуре данных, а дуги должны быть нагружены процедурами (на рисунке не показаны), осуществляющими передачу и преобразование йнформации от одного узла к другому. Эти узлы сгруппированы по переходам (источники информации, информационные массивы источников, входные массивы и др.) таким образом, что переходы, расположенные левее, соответствуют более ранним этапам переработки информации. Охарактеризуем отдельные переходы подробнее.
Источники информации. По своему происхождению входная информация отличается тем, что поступает в устройство ЧПУ с панели оператора с внешнего носителя по каналам обратной связи. По своему назначению эта информация может быть ориентирована на технологический объект (например, коррекции инструмента станка, константы станка, описанные функций электроавтоматики), на рабочий процесс (например, управляющая программа обработки деталей на станке, директивы с панели оператора), на множество рабочих процессов (типовые подпрограммы).
По своей семантике входная информация отображает задачи (в составе управляющей программы в коде ISO-7bit), задания (с помощью некоторого подмножества директив о панели оператора), протекание процесса управления (в виде совокупности сигналов
ИсточникиИндюрпаиирн- ные нассидыинтарнаиииисточниковИсточникиИндюрпаиирн- ные нассидыинтарнаиииисточниковВходной текст канет оператора ни языке заданияВходной текст канет оператора ни языке задания| БЛ.РУ| БЛ.РУВходные иоссидыВходные иоссидыВходнойтекст Внешнего носите- ля не языке задачВходнойтекст Внешнего носите- ля не языке задачГладные пассидыГладные пассидыВходнойтекст пенени-задоная для энектро- абтоиатикиВходнойтекст пенени-задоная для энектро- абтоиатикиВходнойтекст панели-задачи для злоктро- обтонатихиВходнойтекст панели-задачи для злоктро- обтонатихиПропежуточ- ные пассидыПропежуточ- ные пассидыВходной текст яонели оператора на языке задачВходной текст яонели оператора на языке задачВходнойтекст на языке станхо- обретная.сбязь яриВодадВходнойтекст на языке станхо- обретная.сбязь яриВодадВыходные **№ДЖ Вотредителн "«=*««»!»«*"Выходные **№ДЖ Вотредителн "«=*««»!»«*"Входнойтекст не языке ста та- осбедопителеные сигналыВходнойтекст не языке ста та- осбедопителеные сигналыРис. 25.11. Структура данных микропроцессорного устройства ЧПУ:Рис. 25.11. Структура данных микропроцессорного устройства ЧПУ:| БП,ЗЗА| БП,ЗЗА
Источники
Индюрпаиирн- ные нассиды
интарнаиии
источников
Источники
Индюрпаиирн- ные нассиды
интарнаиии
источников
Входной текст канет оператора ни языке задания
Входной текст канет оператора ни языке задания
| БЛ.РУ
| БЛ.РУ
Входные иоссиды
Входные иоссиды
Входнойтекст Внешнего носите- ля не языке задач
Входнойтекст Внешнего носите- ля не языке задач
Гладные пассиды
Гладные пассиды
Входнойтекст пенени-задоная для энектро- абтоиатики
Входнойтекст пенени-задоная для энектро- абтоиатики
Входнойтекст панели-задачи для злоктро- обтонатихи
Входнойтекст панели-задачи для злоктро- обтонатихи
Пропежуточ- ные пассиды
Пропежуточ- ные пассиды
Входной текст яонели оператора на языке задач
Входной текст яонели оператора на языке задач
Входнойтекст на языке станхо- обретная.сбязь яриВодад
Входнойтекст на языке станхо- обретная.сбязь яриВодад
Выходные **№ДЖ Вотредителн "«=*««»!»«*"
Выходные **№ДЖ Вотредителн "«=*««»!»«*"
Входнойтекст не языке ста та- осбедопителеные сигналы
Входнойтекст не языке ста та- осбедопителеные сигналы
Рис. 25.11. Структура данных микропроцессорного устройства ЧПУ:
Рис. 25.11. Структура данных микропроцессорного устройства ЧПУ:
| БП,ЗЗА
| БП,ЗЗА
П — память; БП — буферная память; В — вектор; Б — буфер; ВУЗ — вектор управления заданиями; ПоС — поиск слова; ПрС — преднабор слова; ВЗ — ввод задач; СОС — сигналы обратной связи приводов подачи; ЗЭА -7- задания для электроавтоматики; РУ — ручное управление; ОС — осведомительные сигналы; УП — управляющие программы; КК — косвенная коррекция; 77я — подпрограммы; КИ -г коррекция инструмента; ПС — параметра станка; ПД — программа диагностики; ВЗЭА — вектор заданий для электроавтоматики; ВРУ — вектор ручного управления; ВОСЭ — вектор осведомительных сигналов электроавтоматики; ВБ К — вектор буферного кадра; BQU — вектор операций цикла; ВОСЦ — вектор осведомительных сигналов; ВРК — вектор рабочего кадра; ВОС — вектор обратной связи; ВСЭА — вектор состряний электроавтоматики станка; ВИ — вектор индикации; ВК — вывод кадра; ВУП — вектор управления приводами; ВВСЭ — вектор выходных сигналов электроавтоматики станка; Д — дисплей^ СИ — световая индикация; ВС — вывод символа; ВПО — вывод признаков отказов; УП — управление приводами; ВСиЭ — выходные сигналы электроавтоматики
обратной связи приводов подачи и осведомительных сигналов электроавтоматики). По частоте входа входная информация подразделяется на однократно вводимую при стыковке с объектом (константы станка, описание функций электроавтоматики); вводимую периодически по мере надобности (коррекции инструмента); вводимую с каждым очередным заданием на исполнение рабочего процесса (задачи, задания); вводимую с высокой частотой в ходе исполнения рабочего процесса (сигналы обратной связи и осведомительные). По возможности редактирования информация может быть непосредственно редактируемой (задачи, задания, описание электроавтоматики), косвенно редактируемой (задачи), нередактируемой (сигналы обратной связи и осведомительные).
iu Информационные массивы источников. Эти массивы служат для приема внешней информации в определенном формате и заполняются аппаратно или программно. Структура вектора управления заданиями определяется множеством клавиш и переключателей, имена которых являются элементами словаря языка панели оператора.
Команды кода ISO-7bit, если они вводятся для описания задач вручную с панели, поступают в память преднабора слова. Память преднабора используется при ручном вводе информации или редактировании, а память поиска слова — при редактировании. При вводе задач с внешнего носителя символы кода ISO-7bit попадают в буферную память ввода задач. Структура буферной памяти сигналов обратной связи определяется особенностями следящих приводов подачи у объекта (станка) и общим числом этих приводов. Буферная память электроавтоматики содержит описания заданий, задач, вводимых вручную при наладке (отдельные операции электроавтоматики, входящие в состав сложного цикла, задаваемого командой в коде lSO-7bit), осведомительных сигналов в унитарном представлении.
Входные массивы. Центральную часть входных массивов занимают три зоны, отведенные управляющей программе, подпрограммам и корректуре программ. Программа косвенной коррекции загружается, наряду с основной управляющей программой, через фотоввод, с клавиатуры панели оператора или смешанным образом. В дальнейшем обе программы вступают во ‘взаимодействие, в результате чего формируется скорректированная и оптимизированная рабочая программа; при этом, однако, исходные тексты сохраняются в памяти в неизменном виде. Память коррекций инструмента, память параметров станка заполнены константами.
Программы диагностики относятся к специальному резидентному математическому обеспечению и предназначены для обнаружения отказов в аппаратной части при исполнении логических и вычислительных процедур, а также на уровне ввода информации. Задания и осведомительные сигналы электроавтоматики преобразованы из битного в байтное представление для более удобного обращения с информацией. Память вектора ручного управления является своеобразным буферным кадром электроавтоматики, вводимым с панели для ручного воспроизведения отдельных операций сложного цикла, имя которого определяется командой ISO-7bit.
Промежуточные массивы. Целью формирования промежуточных массивов является предварительная подготовка управляющей информации, предшествующая команде начала ее отработки. Вектор буферного кадра является подготовительным фрагментом управляющей программы. Память вектора операций цикла электроавтоматики станка содержит имена отдельных операций сложных циклов электроавтоматики, задаваемых в кадре управляющей программы. В памяти вектора осведомительных сигналов цикла находятся адреса тех ячеек памяти вектора осведомительных сигналов электроавтоматики, в которых хранятся текущие состояния осведомительных сигналов, приданных данному циклу.
Главные массивы содержат рабочую управляющую информацию, обработка которой ведется в целях исполнения предусмотренных в управляющей программе задач. Вектор рабочего кадра сформирован к.началу его отработки, однако некоторые коррективы допустимы и в процессе отработки кадра. Вектор обратной связи служит для организации оперативного управления координатными следящими приводами подачи.Вектор состояния электроавтоматики отображает текущие положение или состояние всех механизмов электроавтоматики станка.
Выходные массивы. Здесь складываются результаты вычислений и информационных преобразований, которые послужат в дальнейшем источником управляющих воздействий на объект (станок). Вектор управления приводами формируется по результатм интерполяционных расчетов и расчетов скорости подачи. Вектор выходных сигналов электроавтоматики содержит текущий набор управляющих команд, которые должны быть выданы объекту до прихода очередной серии осведомительных сигналов. Векторы индикации составлены из всех компонентов, которые необходимы оператору станка постоянно или могут заинтересовать его выборочно.
Информационные массивы потребителей составлены из групп выходных буферных регистров, предназначенных для передачи информации внешним потребителям. Передача может быть организована аппаратно или программно.
Потребители информации. Основным потребителем информации является объект управления (станок). Совокупность управляющих s команд может быть квалифицирована как объектный код управления. Другими потребителями информации являются средства визуализации — дисплей и световая индикацияя. Эти средства находятся на панели оператора устройства ЧПУ.
Как уже отмечалось, переходы от одного вектора состояния к другому осуществляются под действием процедур, которые обращаются к векторам состояния для чтения или записи. Программный модуль, соответствующий той или иной процедуре, можно рассматривать в качестве посредника между векторами либо между вектором и некоторым языковым представлением во внешнем ка.- нале. Это и позволяет конструировать модуль по типу транслятора, формализовать процесс конструирования, а во многих случаях и автоматизировать этот процесс. Отдельные программные модули- трансляторы могут быть объединены в крупные программно-математические блоки, которые организационно также могут быть построены по типу трансляторов. Примером подобного объединения может послужить приведенная ниже совокупность блоков.
Блок диспетчера операционной системы ЧПУ объединяет логические связи, вытекающие из синтаксиса языка управления заданиями. Этот блок читает директивы панели оператора в векторе управления заданиями и организует автоматические циклы одного ; из режимов работы микропроцессорного устройства ЧПУ.
Блок ввода-вывода управляющих программ и директив панели оператора формирует вектор управления заданиями, необходимый 534
для работы диспетчера. Через специальные интерфейсные узлы блок связывается с периферийными устройствами. С помощью драйверов ввода блок вводит управляющую программу либо в память управляющих программ, либо в память косвенной коррекции, либо в память подпрограмм. Те же драйверы могут вводить числовые массивы в память коррекций инструментов или память параметров станка с перфоленты или панели оператора. Блок может также осуществлять запись информации в память вектора индикации или вывода кадра.
Блок управления и подготовки памяти управляющих программ состоит из двух частей с разделением по основным и дополнительным функциям. Модуль основных функций выбирает текущий кадр из памяти управляющих программ, памяти косвенной коррекции или памяти подпрограмм с учетом признака пропуска кадра и записывает его информацию в память буферного кадра. Модуль дополнительных функций на стыке векторов буферного и рабочего ка'дров выполняет коррекцию на длину инструмента или на радиус инструмента (или с вводом переходных окружностей, или с учетом пересечения эквидистант), осуществляет программируемые циклы и зеркальное отображение. Таким образом, кадр прежде чем попасть в память вектора рабочего кадра для исполнения, обрабатывается несколько раз, всякий раз подвергаясь трансляции.
Блок интерполяции и управления приводами подачи осуществляет очередную трансляцию геометрической информации из вектора рабочего кадра, буферной памяти состояния обратной связи приводов в память вектора управления приводами с учетом параметров станка (например, корректур накопленных погрешностей ходового винта и т. д.).
Блок технологических функций электроавтоматики транслирует технологическую информацию из памяти вектора рабочего кадра, буферной памяти осведомительных сигналов электроавтоматики в выходной вектор электроавтоматики.
ГЛАВА 26
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ возможности МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ ЧПУ
ВАРИАНТЫ УСТРОЙСТВ ЧПУ С позиций ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
Спектр функциональных возможностей современных устройств ЧПУ чрезвычайно разнообразен. С позиций «функциональности» все устройства можно укрупненно разбить на пять групп: устройства со стандартными фиксированными функциями; устройства с гибкими возможностями, устройства повышенной сложности на базе мини-процессора; массовый недорогой вариант; устройства с явно выраженной ориентацией на ручной ввод данных.
Устройства ЧПУ со стандартными фиксированными функциями выпускают большими сериями, главным образом для токарной или
фрезерной обработки. Функциональные возможности таких ycj; ройств имеют математическое обеспечение в постоянной памяти. В них имеются дисплеи и внешние накопители программ; конструктивное исполнение, по большей части, модульное; для управления автоматикой станка предусмотрена связь с программируемым контроллером; в число стандартных функций могут входить макроязык пользователя, программирование с десятичной точкой; в распоряжении программиста развитой набор G-функций и т. д. Критерием оптимальности для таких систем определяют минимум стоимости при четко очерченных станкостроителями функциональных возможностях.
Устройства ЧПУ с гибкими возможностями используют для станков повышенной точности и сложности. Эти устройства, в отличие от предыдущей группы, имеют мультипроцессорную структуру, .большую главную память, обширную память программ (полупроводниковую и дисковую), развитую систему интерфейсов для внешних связей, число управляемых координат до шестнадцати, цену дискреты 1 мкм или менее, коррекцию шага винта, например, в 1000 точках для каждой координатной оси, и т. д. Многие функции для такйх устройств указывают как сводобно выбираемые, например, возможен выбор типа датчика обратной связи, тогда как для предыдущей группы предполагают один определенный.В этих устройствах широко используется перепрограммируемая память, поддерживающая тот или иной вариант из числа допустимых; память на цилиндрических магнитных доменах. Существует возможность создания параметрических подпрограмм, специфических для пользователя. Обычно критерием оптимальности для подобных систем является максимальный спектр функциональных возможностей при некоторых ограничениях на стоимость.
Вычислительные возможности устройств ЧПУ на базе мини- процессора выше, чем микропроцессорных, поэтому и функциональные возможности таких устройств выше, чем у предыдущих групп, но они дороже. Их используют для управления особо сложными и уникальными станками, гибкими производственными модулями (ячейками), станками с адаптивным управлением, станками для безлюдной технологии. Накоплен опыт создания математического обеспечения для устройств ЧПУ с мини-процессорами, в том числе на основе языков высокого уровня, и этим отчасти объясняется живучесть таких систем.
Ориентация мощных устройств ЧПУ с мини-процессорами на безлюдную технологию определяет специфические черты и дополнительные функции таких устройств. В частности, предусматривают: автоматическое изменение таблиц коррекций инструмента, базовых смещений и исходных координат по результатам измерения инструмента, детали, базовой поверхности; автоматическою компенсацию температурных смещений шпиндельной бабки; автоматическое определение поломок инструмента, идентификацию этих поломок и выбор стратегии выхода из аварийной ситуации; контроль за непревыше- нием стойкости инструмента, автоматическую замену инструмента, 536
Йзторый исчерпал свой ресурс; автоматическое центрирование (совмещение оси шпинделя с осями отверстий деталей). Указанное расширение функций изменяет привычную структуру управляющей программы и даже сам стиль программирования, который в значительной степени напоминает стиль программирования ЭВМ.
Продолжим характеристику функциональных групп устройств ЧПУ. Рассмотренные ранее устройства ЧПУ со стандартными фиксированными функциями оказываются избыточными при позиционном управлении либо управлении несложными технологическими процессами. Именно для таких случаев за последние годы разработаны массовые недорогие варианты устройства ЧПУ, ориентированные на управление чрезвычайно разнообразным оборудованием и на модернизацию универсальных станков. В простейшем случае в составе устройства—цифровая индикация и блок управления приводом, последовательно подключаемый к каждой координатной оси. Память устройства ограничена заранее обусловленным числом кадров управляющей программы. Обычно программу вводят с панели оператора либо с помощью кассеты. В более сложных случаях предусмотрена линейная двухкоординатная интерполяция. Формат данных обычно фиксирован.
Этот вариант устройства ЧПУ вовсе не является простой системой, и в этом смысле не удивительно, что такие системы появились позднее других. Тщательно отобранные функции (в том числе мощная диагностика, развитая система параметров для адаптации к объекту), самая современная и высоконадежная схемотехника, доступность для программирования на «цеховом уровне» — все эти качества (при невысокой стоимости) позволяют подобные устройства ЧПУ использовать для несложного оборудования, несмотря на то, что такому оборудованию доступны и привычные традиционные способы управления. Таким оборудованием могут быть несложные токарные, сверлильные и шлифовальные станки, механические ножницы, гибочные станки и листоштамповочные прессы, механические пилы, резательные машины, деревообрабатывающие станки, сборочные машины, подъемники автоматизированных складов, конвейеры, поворотные столы, механизмы автоматической смены инструмента и др.
Высокая значимость массовых недорогих устройств ЧПУ в том, что по мере их широкого и повсеместного внедрения в существующем производстве в целом произойдут кардинальные изменения, ощутимые в общегосударственном масштабе.
К последней группе, очерченной с позиции функциональности, были отнесены так называемые оперативные устройства ЧПУ, ориентированные на ручной ввод управляющей информации. В принципе, все современные устройства ЧПУ приспособлены к ручному вводу. Отличием же устройств рассматриваемого вида является то, что значительная часть расчетов, связанных с подготовкой управляющей программы, осуществляется в самом устройстве ЧПУ на основе специальных резидентных средств математического обеспечения. Эти средства поднимают языковый уровень управляющей программы
за счет широкого применения разнообразных макроопределений;# благодаря которым оказывается возможным готовить управляющую программу прямо у станка, например, лишь на основе данных чертежа. Детали процедуры ввода управляющей информации у разных систем различны и зависят от входного языкового уровня. Так, производители универсальных оперативных систем используют G-функции для определения видов контура и циклов. Станкостроители, занимающиеся выпуском собственных систем применительно к своим станкам либо оснащающие свои станки специально заказанными системами, в одних случаях используют на панелях управления специальные клавиши для специальных функций, а в других случаях — н специальные клавиши, и G-функции. Спецификой рассматриваемой группы является диалоговый ввод с помощью дисплея. Некоторое распространение получает голосовой ввод управляющей программы, который ускоряет процедуру ввода программы примерно в 20 раз.
ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЪЕКТА
НА СИСТЕМУ УПРАВЛЕНИЯ
Обзор и анализ функциональных групп устройств ЧПУ убеждает в том, что концепция современной системы числового управления складывается под влиянием объекта (станка), но в свою очередь влияет на концепцию конструкции объекта (станка). Характерной особенностью современного металлорежущего оборудования является то, что станки оснащают все более развитой «станочной периферией», которая служит для связи и интеграции с внешней производственной средой. Можно выделить одиннадцать групп станочной периферии: 1) роботы, погрузчики; 2) подающие и транспортирующие устройства; 3) устройства управления точностью обработки; 4) устройства управления инструментом; 5) контролирующие устройства; 6) устройства для обработки результатов контроля; 7) зажимные и удерживающие устройства; 8) устройства управления стружкообразованием и удалением стружки; 9) устройства для обнаружения бракованных изделий; 10) устройства для идентификации заготовок и вызова соответствующих управляющих программ; 11) устройства, управляющие режимом обработки. Не вызывает сомнения, что в будущем беспериферийная работа станков станет столь же неестественной, сколь и беспериферийная работа ЭВМ.
Таким образом, базовым компонентом автоматизироввного производства станет со временем гибкий производственный модуль. В подобный модуль войдет многооперационный станок (возможно, два станка) с одним или двумя магазинами сменных инструментов (сами магазины также могут быть сменными), возможно, с прямым доступом к магазину со стороны инструментального потока; со средствами загрузки деталей или спутников либо непосредственно- со стороны транспортного потока, либо через накопитель деталей или спутников; со средствами контроля инструментов в процессе реза- 538
нйя либо путем эпизодического автоматического их осмотра, либо путем слежения за параметрами процесса обработки; со средствами контроля, измерения и первоначальной настройки, информация которых служит целям автоматической коррекции; со средствами управления всеми основными и вспомогательными процессами. Развитие станочной периферий серьезно усложняет и без того сложные функции управления, которые все чаще приобретают черты вычислительной сети. На рис. 26.1 в качестве примера показана структурная схема системы управления токарным станком.
Рис. 26.1. Станочная конфигурация и конфигурация системы управления
Определяя круг функциональных возможностей системы числового управления, следует иметь в виду ее связи со своим оборудованием (например, в составе гибкого производственного модуля), а также с другими компонентами производственной среды (например, в составе гибкой производственной системы). Если воспользоваться терминологией из вычислительной техники, то гибкая производственная система строится путем комплексирования гибких производственных модулей и всякого рода дополнительных средств (рис. 26.2). Такое комплексирование организуется по принципу сети. В самом деле, транспортная подсистема, подключенная к отдельным станкам и автоматизированному складу, есть не что иное, как «транспортный канал типа общая транспортная шина». Комплексирование Объектов с помощью такого канала осуществляется по типу «общая память», в качестве которой выступает автоматизированный склад деталей и заготовок. Точно так же инструментальная подсистема,
подключенная к отдельным станкам и складу инструментов или инструментальных магазинов, представляет собой «инструментальный канал типа общая инструментальная шина».
Комплексирование станков на основе такого канала и здесь осуществляется по типу «общая память», физической реализацией которой является инструментальный склад. Информационно-вычислительная подсистема пронизывает всю гибкую производственную систему и осуществляет комплексирование систем управления отдельными объектами по типу «процесс—процесс». По мере совершенствования информационно-вычислительной подсистемы станет возможным:
Рис. 26.2. Комплексирование оборудования в гибкой производственной системе
обращение к банку всех управляющих программ, когда-либо использованных иа предприятии, или к центральному банку управляющих программ;
полная автоматическая подготовка управляющей программы непосредственно на рабочем месте на основе упрощенных описаний деталей и заготовки;
адаптивное управление с использованием любых критериев (в том числе и нескольких в рамках обработки на черновых и чистовых режимах) на основе полной информации о ходе процесса обработки и опережающего моделирования этого процесса;
автоматическое формирование текущих статической, динамической и термической моделей станка и учет этих данных при обработке;
полная диагностика всех механизмов станка и настройка условий работы механизмов на оптимальные условия; управление «самовосстановлением станка»; определение гарантированного (с отсчетом от данного момента) времени безотказной работы;
в полное исключение брака путем приостановки процесса при появлении вероятности брака с выдачей всех рекомендаций на последующее;
подготовка либо корректировка управляющих программ для других станков, на которые передается деталь, с полным учетом всех промежуточных результатов;
оценка «цеховой ситуации» и определение обрабатывающей ячейкой своей роли;
«подчиняющее» управление другим станком;
повышенный сервис оператору на рабочем месте, включая трехмерную графику, т. е. изображение наладок и вектора формообразования и др.
Следовательно, функциональные возможности некоторого устройства ЧПУ укрупненно определяются принадлежностью этого устройства к одной из пяти функциональных групп, а детально проявляются на фоне разнообразных связей устройства с объектом, с другими устройствами и системами, с оператором.
Остановимся подробнее на таких важнейших функциональных возможностях микропроцессорных устройств ЧПУ, как повышенный языковый уровень управляющих программ, а также способность' адаптации к объекту и потребителю.
ЯЗЫКОВЫЙ УРОВЕНЬ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Мощным средством увеличения функциональности микропроцессорного устройства ЧПУ является повышение языкового уровня управляющих программ. Такое повышение осуществляется на основе включения в текст программ различного рода макроопределений (стандартных циклов, готовых форм); обычных подпрограмм и подпрограмм, составленных на основе «макроязыка пользователя», упрощенных (в сравнении с обычным стандартом ISO) описаний контура. Повышению языкового уровня способствует безэквиди- стантное программирование. Наиболее высок языковый уровень тех устройств, которые располагают встроенными средствами автоматизированной (в диалоге с оператором) подготовки управляющих программ, в том числе и в процессе обработки предыдущей управляющей программы («параллельное программирование»). Рассмотрим указанные возможности подробнее.
Стандартный цикл устанавливает строго определенную последовательность движений, параметры которых заданы вне цикла в тексте управляющей программы либо фиксированы. Фиксация некоторых параметров может быть выполнена разработчиком системы управления или станкостроителем при стыковке системы управления с объектом. Иногда циклы трактуют как обычные подпрограммы, но постоянно хранимые в памяти устройства ЧПУ, в отличие от пользовательских подпрограмм, свободно вводимых и свободно уничтожаемых.
Набор стандартных циклов определен технологическим назначением станка. Например, широкое распространение получили свер-
лильные циклы и цикл «схема сверления», циклы резьбонарезания, циклы многопроходной токарной обработки, циклы фрезерования карманов и цикл «схема фрезерования» и др.
Рис. 26.3. МодификацииРис. 26.3. Модификациицикла глубокого сверленияцикла глубокого сверления
Рис. 26.3. Модификации
Рис. 26.3. Модификации
цикла глубокого сверления
цикла глубокого сверления
Рис. 26.4. Стандартный цикл «схема сверления»Рис. 26.4. Стандартный цикл «схема сверления»
Рис. 26.4. Стандартный цикл «схема сверления»
Рис. 26.4. Стандартный цикл «схема сверления»
В качестве примера на рис. 26.3 показаны две модификации цикла
глубокого сверления (незаштрихованная и заштрихованная стрелки означают соответственно ускоренное перемещение и рабочую по-
дачу). Компоненты любого цикла определены абстрактными параметрами, численные значения которых должны быть заданы в тексте управляющей программы. •
Стандартный цикл «схема сверления» показан на рис. 26.4. Цикл может быть задан, например, таким набором параметров (<параметр> -> R < номер параметра >); R22, R23 — координаты центра схемы сверления; R24 — радиус окружности, на которой расположены отверстия; R25 — начальный угол расположения первого отверстия; R26 — угловой шаг расположения отверстия; R27 — число отверстий; R28 — номер выбранного стандартного сверлильнуо цикла. Цикл
обеспечивает последовательное автоматическое позиционирование в центрах отверстий, переход к сверлильному циклу после каждого очередного позиционирования; возврат к переходам схемы сверления по завершении цикла. «Схема сверления» совместно
•е атрибутами некоторого сверлильного цикла позволяет лаконично Описать законченный сложный технологический процесс обработки группы отверстий.
Циклы нарезания резьбы являются непременной принадлежностью устройства ЧПУ, ориентированного на токарную обработку. В рамках этих циклов возможность автоматического многопроходного резьбонарезания распространяется на цилиндрическую наружную и внутреннюю резьбу, а также на конической поверхности. За циклами закрепляют определенную группу параметров, задавая
Рис. 26.5. Стандартный цикл резьбонарезания:
о — пример задания параметров цикла; б — варианты формирования профиля резьбы
которые, определяют цикл в конкретных размерах. Форма задания численного значения параметра обычно такова: <форма задания численного значения параметра > -> R < номер параметра > с численное значение параметра >. За циклом резьбонарезания может быть закреплена, например, такая группа параметров: R20 — шаг резьбы; R21, R22 — координаты начальной точки; R23 — число чистовых проходов; R24 — глубина резьбы (<+» для внутренней резьбы и «—» для наружной); R25 — глубина последнего прохода; R26 — участок врезания; R27 — участок выбега; R28 — число черновых проходов; R29 — угол наклона профиля; R31, R32 — координаты конечной точки. Пример реализации цикла резьбонарезания представлен на рис. 26.5, причем на рис. 26.5, б показана двоякая возможность формирования профиля резьбы от одного хода к другому.
ботки произвольного профиляботки произвольного профиляИз числа токарных циклов выделяется, как наиболее «мощный», цикл многопроходной (с автоматическим распределением припуска) обработки произвольного контура. Формальное описание цикла может быть составлено так (используем в описании форму Бэкуса— Наура): Сописание цикла > -* N < номер кадра > < список параметров>
ботки произвольного профиля
ботки произвольного профиля
вызов цикла > LF; < список параметров >R20 < но
R26 < глубина черновойR26 < глубина черновоймер подпрограммы, описывающей обрабатываемый профиль >R21 < исходная точка по координате X > R22 ■< исходная точка по координате Z > R24 <припуск на чистовую обработку по оси X > R25 < припуск на чистовую обработку по оси Z> обработки > R27 < коррекция ра-
R26 < глубина черновой
R26 < глубина черновой
диуса инструмента > R29 <технологические указания >; <; вызов цикла >-* L95. Построение цикла пояснено на рис. 26.6.
контураконтуравая цифра которого определяет условия получениявая цифра которого определяет условия полученияРис. 26.7. Технологические условия образования Контура:а -т- движение инструмента параллельно координатной осн; 6 —- форма профиля перед последним черновым рабочим ходом (зачернен припуск под чистовую обработку); в — движение Инструмента параллельно окончательному контуру; г т- припуск, снимаемый во время последнего чистового рабочего ходаРис. 26.7. Технологические условия образования Контура:а -т- движение инструмента параллельно координатной осн; 6 —- форма профиля перед последним черновым рабочим ходом (зачернен припуск под чистовую обработку); в — движение Инструмента параллельно окончательному контуру; г т- припуск, снимаемый во время последнего чистового рабочего ходаТехнологические указания представлены двузначным кодом, пер-
контура
контура
вая цифра которого определяет условия получения
вая цифра которого определяет условия получения
Рис. 26.7. Технологические условия образования Контура:
а -т- движение инструмента параллельно координатной осн; 6 —- форма профиля перед последним черновым рабочим ходом (зачернен припуск под чистовую обработку); в — движение Инструмента параллельно окончательному контуру; г т- припуск, снимаемый во время последнего чистового рабочего хода
Рис. 26.7. Технологические условия образования Контура:
а -т- движение инструмента параллельно координатной осн; 6 —- форма профиля перед последним черновым рабочим ходом (зачернен припуск под чистовую обработку); в — движение Инструмента параллельно окончательному контуру; г т- припуск, снимаемый во время последнего чистового рабочего хода
(рис. 26.7), а вторая свидетельствует о расположении зоны обработки и направлении движения инструмента внутри этой зоны (рис. 26.8).
Перейдем далее к пояснению сущности «готовых форм». Готовые формы, в отличие от стандартных циклов, полностью заданы в конкретных размерах и являются стандартизованными компонентами контура детали. Два примера «готовых форм» доя токарной обработки показаны на рис. 26.9. Задание «готовой формы» состоит лишь в ее привязке к контуру детали, а вызов осуществляется путем обращения к подпрограмме с помощью G-функции или специально выделенной клавиши.
L Использование подпрограмм является удобным средством сокращения объема основной управляющей программы. Особенно резкого сокращения удается достичь при многократном вызове одной и той же подпрограммы, многократного повторения подпро
граммы, многократного вложения подпрограммы.
Рис. 26.8. Расположения обрабатываемой зоны и траектории инструментаРис. 26.8. Расположения обрабатываемой зоны и траектории инструментаРнс. 26.9. Примеры «готовых форм» Для токарной обработки: а — стандартная канавка DIN 76; б *— стандартная канавка DIN 509Рнс. 26.9. Примеры «готовых форм» Для токарной обработки: а — стандартная канавка DIN 76; б *— стандартная канавка DIN 509
Рис. 26.8. Расположения обрабатываемой зоны и траектории инструмента
Рис. 26.8. Расположения обрабатываемой зоны и траектории инструмента
Рнс. 26.9. Примеры «готовых форм» Для токарной обработки: а — стандартная канавка DIN 76; б *— стандартная канавка DIN 509
Рнс. 26.9. Примеры «готовых форм» Для токарной обработки: а — стандартная канавка DIN 76; б *— стандартная канавка DIN 509
Пример организации программирования с использованием подпрограмм показан на рис. 26.10. Вызов подпрограммы здесь осу- Ществляют командой L < трехразрядный номер подпрограммы > << двухразрядное число, указывающее количество повторений под- ■программы>.
Обычно подпрограмму разрабатывают таким образом, что место числовых значений занимают пронумерованные параметры. Так, может быть предусмотрено сто параметров R00—R99; если они ис-
пользованы в подпрограмме, то их значения должны быть заданы в тексте основной программы.В современных устройствах ЧПУ допустимы различные операции над параметрами, которые могут быть использованы для организации переходов. Поясним параметрическое построение подпрограмм на некоторых конкретных примерах.Пример задания значений параметров в тексте основной управляющей программы: N37 R01 10. R49—20.05 R05 500 LF. Здесь в кадре N37 определены параметры R01, R49, R05; причем продемонстрирована возможность программирования с десятичной точкой.Пример вызова подпрограммы: N38 L51002 LF. В тридцать восьмом кадре вызвана подпрограмма номер 510, которая должна быть повторена дважды.Пример параметрического построения фрагмента простейшей подпрограммы: L51000 LF N1 Y—R49 SR05LF N2 ХЗОО—R01 LF ... N50 М17 LF. Адресам поста- ,,„0 влены в соответствие параметры, численные значения которых определены ранее, чем осуществлен вызов подпрограммы. Обратим здесь внимание на способ формирования числовой части команды X: эго разность между конкретной и параметрической величинами.пользованы в подпрограмме, то их значения должны быть заданы в тексте основной программы.В современных устройствах ЧПУ допустимы различные операции над параметрами, которые могут быть использованы для организации переходов. Поясним параметрическое построение подпрограмм на некоторых конкретных примерах.Пример задания значений параметров в тексте основной управляющей программы: N37 R01 10. R49—20.05 R05 500 LF. Здесь в кадре N37 определены параметры R01, R49, R05; причем продемонстрирована возможность программирования с десятичной точкой.Пример вызова подпрограммы: N38 L51002 LF. В тридцать восьмом кадре вызвана подпрограмма номер 510, которая должна быть повторена дважды.Пример параметрического построения фрагмента простейшей подпрограммы: L51000 LF N1 Y—R49 SR05LF N2 ХЗОО—R01 LF ... N50 М17 LF. Адресам поста- ,,„0 влены в соответствие параметры, численные значения которых определены ранее, чем осуществлен вызов подпрограммы. Обратим здесь внимание на способ формирования числовой части команды X: эго разность между конкретной и параметрической величинами.°^534LF°^534LF/игзя/игзяL11300L11300111400111400^.ЛП503\^.ЛП503\/411401/411401\ \М17\'\ \М17\'
пользованы в подпрограмме, то их значения должны быть заданы в тексте основной программы.
В современных устройствах ЧПУ допустимы различные операции над параметрами, которые могут быть использованы для организации переходов. Поясним параметрическое построение подпрограмм на некоторых конкретных примерах.
Пример задания значений параметров в тексте основной управляющей программы: N37 R01 10. R49—20.05 R05 500 LF. Здесь в кадре N37 определены параметры R01, R49, R05; причем продемонстрирована возможность программирования с десятичной точкой.
Пример вызова подпрограммы: N38 L51002 LF. В тридцать восьмом кадре вызвана подпрограмма номер 510, которая должна быть повторена дважды.
Пример параметрического построения фрагмента простейшей подпрограммы: L51000 LF N1 Y—R49 SR05LF N2 ХЗОО—R01 LF ... N50 М17 LF. Адресам поста- ,,„0 влены в соответствие параметры, численные значения которых определены ранее, чем осуществлен вызов подпрограммы. Обратим здесь внимание на способ формирования числовой части команды X: эго разность между конкретной и параметрической величинами.
пользованы в подпрограмме, то их значения должны быть заданы в тексте основной программы.
В современных устройствах ЧПУ допустимы различные операции над параметрами, которые могут быть использованы для организации переходов. Поясним параметрическое построение подпрограмм на некоторых конкретных примерах.
Пример задания значений параметров в тексте основной управляющей программы: N37 R01 10. R49—20.05 R05 500 LF. Здесь в кадре N37 определены параметры R01, R49, R05; причем продемонстрирована возможность программирования с десятичной точкой.
Пример вызова подпрограммы: N38 L51002 LF. В тридцать восьмом кадре вызвана подпрограмма номер 510, которая должна быть повторена дважды.
Пример параметрического построения фрагмента простейшей подпрограммы: L51000 LF N1 Y—R49 SR05LF N2 ХЗОО—R01 LF ... N50 М17 LF. Адресам поста- ,,„0 влены в соответствие параметры, численные значения которых определены ранее, чем осуществлен вызов подпрограммы. Обратим здесь внимание на способ формирования числовой части команды X: эго разность между конкретной и параметрической величинами.
°^534LF
°^534LF
/игзя
/игзя
L11300
L11300
111400
111400
^.ЛП503\
^.ЛП503\
/411401
/411401
\ \
М17\'
\ \
М17\'
мзо(мог4. Пример операций над пара-
„„метрами в тексте подпрограммы:
Рис. 26.10. Структурная организация про- R01+R02,R01 — R02,R01.R02,
граммирования с использованием подпро- R01/R02 (сложить, вычесть, умпо- гРаммжить, разделить; результат приписы
вается первому операнду); @ 10R01 (извлечение квадратного корня, параметр приобретает значение результата операции); @15R01 (выполняется операция sin R01, параметр приобретает значение результата операции) и т. д.
Примеры организации переходов: N115@00+180 LF (безусловный переход вперед по тексту подпрограммы к кадру N180); N205@00—98 LF (безусловный переход назад по тексту подпрограммы к кадру N98); N117@O1—98 R02 R03 LF (условный переход назад по тексту подпрограммы к кадру N98, если R02=R03); N117@02+180R02 R03 LF ^условный переход вперед по тексту подпрограммы к кадру N180, если R02=R03); N117@03+180 R02 R03 LF (условный переход вперед по тексту подпрограммы к кадру N180, если R02>R03) й т. д. Как видим, команда @ < двухразрядное число > имеет смысл кода операции.
Пример параметрического задания самого адреса, что полезно в тех случаях, когда необходимо осуществить смену координатных осей: N ...@20@99 R49 LF. Команда @20 означает, что введен некоторый переменный адрес; пусть в данном случае это адрес Z (для этого заранее @99 закреплено именно за этим адресом). Числовая часть команды определена параметром R49. Далее по тексту программы адрес Z может быть изменен на другой, т. е. параметр R49 «передан» другому адресу.
Примеры использования параметров для задания номера подпрограммы и числа ее повторений: N12 R01 12365 LF N13 LR01 (в тринадцатом кадре будет вызвана подпрограмма 123 и повторена 65 раз); N12 R01 99 LF N13 L123 R01 (в тринадцатом кадре будет вызвана подпрограмма 123 н повторена 99 раз).
Разработка эффективных подпрограмм невозмккна без широкого набора операций над переменными подпрограммы. Развитие подобного набора привело к выделению и обособлению так называемого «макроязыка пользователя». Рассмотрим одну из версий подобного языка.
Макроязык дает пользователю широкие возможности создавать технологически ориентированные фрагменты математического обеспечения ЧПУ. С формальной точки зрения, язык представлен макрокомандами, включенными в основную управляющую программу. Каждой макрокоманде соответствует подпрограмма, хранимая в памяти устройства ЧПУ, как и обычная подпрограмма. Отличительными особенностями подобной подпрограммы, однако, являются: использование переменных и выполнение широкого класса операций над этими переменными; использование условных, безусловных переходов и циклов; задание значений «выходных» переменных в исходной макрокоманде.
Есть несколько способов обращения к подпрограмме с помощью макрокоманд. Простой (однократный) вызов осуществляют по типу: G65 Р <номер подпрограммы> L <число повторений^» Ссписок значений аргументов>. Модальный вызов подпрограммы предполагает многократное к ней обращение после очередного движения в исходном кадре управляющей программы. Примером здесь может послужить операция сверления, которая чередуется с выходами (с помощью подпрограммы) в новое положение. Форма модального вызова такая же, как и у простого, но с помощью функции G66; отмена модального вызова выполняется функцией G67. Мультиплексный вызов применяют тогда, когда в теле подпрограммы предусмотрено обращение к другой подпрограмме, которая выполняется многократно всякий раз по завершении движения в первой подпрограмме. Наконец, существует возможность вызова подпрограммы с помощью G-функции, код которой не использован по основному назначению. В этом случае заранее путем настройки параметров устройства ЧПУ должно быть указано соответствие между кодом G-функции н номером подпрограммы. Форма вызова подпрограммы станет наиболее простой: G <заранее зарезервированный код> <список значений ар- гументов>.
Обращение к подпрограмме осуществляют под адресом Р, а их хранение в памяти устройства ЧПУ организовано под адресом О. Таким образом, структура отдельной подпрограммы подчинена формуле: О <номер подпрограммы> Споследовательность команд> М99. Общее число подпрограмм может достигать 9999.
Теперь поясним, как выглядит список значений аргументов в теле макрокоманды: <список значение аргументов> -♦ А <значение> В <значение> ... Z <значение>. В качестве самих аргументов могут быть использованы любые адреса (кроме G, L, М, N, О, Р), причем алфавитный порядок не обязателен. Значения могут быть отрицательными и с десятичной точкой, однако формат значений жестко определен для каждого адреса так же, как и в основной управляющей программе. Далее, определенным адресам-аргументам соответствуют в подпрограмме совершенно определенные «выходные» переменные, которые, таким образом, сразу же оказываются заданными. Вот фрагмент подобного списка соответствий: А-*#1; В -♦ * 2; С -> # 3R -♦ # 18, S -♦ # 19, ... (символ # есть признак переменной, а сама переменная в подпрограмме обозначается номером).
Переменные, используемые в подпрограмме, принадлежат одному из трех переменных классов: локальные, общие и системные. Принадлежность переменной тому или иному классу определяется ее номером. Например, переменные от # 1 до # 33 принадлежат классу локальных. Эти переменные соответствуют определенным адресам-аргументам в макрокоманде, и, следовательно, их значения действуют на период вызова подпрограмм. При следующем вызове их значения могут быть иными. Взаимное влияние различных макрокоманд через указанные переменные отсутствует.
Для общих переменных выделены номера от #100 до #149 и от #500 до #509. Эти переменные сохраняют свои значения (если они не будут изменены) в пределах основной управляющей программы. Значения общих переменных могут быть стерты нажатием клавиши «Исходное».
Принадлежность системных переменных в устройстве ЧПУ зафиксирована. Этот класс заслуживает более подробного рассмотрения.
Подкласс от #1000 до #1015 принадлежит входному шестнадцатибитному регистру, т. е. значения переменных определены соответствующими внешними двоичными сигналами. Переменная #1032 определена кодом входного регистра, т. е. читает все его разряды одновременно. Подкласс от #1100 до #1115 принадлежит выходному шестнадцатибитному регистру, т. е. значения переменных задают состояния соответствующих двоичных разрядов этого регистра. Переменная #1132 определяет код выходного регистра, т. е. задает состояния всех разрядов сразу.
Подкласс от #2000 до #2099 принадлежит корректурам инструмента. Прочитав значения этих переменных, можно установить значения корректур. Приравнивая эти переменные другим, можно модифицировать корректуры. Переменные от #2500 до #2806 принадлежат корректурам заготовок, и использовать их можно точно так же, как и корректуры инструментов.
Переменной #3000 придается номер i лампочки аварийной сигнализации, которая должна быть включена. Одновременно может быть запрограммирована генерация соответствующего аварийного сообщения на дисплее.
Переменные #3001 и #3002 содержат накопленные результаты работы двух таймеров с ценой временной дискреты 1 мс и 1 ч соответственно. Показания таймеров сбрасываются при приравнивании переменных нулю.
Рассмотрев классы переменных, перейдем к изложению правил их использования.
Переменные используют либо непосредственно (например, #5, #109, #1005 и т. д.), либо в рамках сложных форм, таких, как # [<формула> ] (например, # I# 1001, # [#10(Ц— 1],#[#6/2] и т. д.). Численное значение, следующее за адресом, можно заменить переменной: F # 33, Z — # 18, G # 130 ... Такая замена возможна и на базе более сложной структуры: X [#24 + #18 * [cos 1#1П, Z — 1#18 + #261 и т. д.
Из немногих приведенных примеров видно, что над переменными можно выполнять различные операции, в том числе одноместные двухместные, комбинированные (многоместные), операции типа (условие), операции управления.
Пример одноместной операции: #i = SIN [#jj. Другие функции, используемые в одноместных операциях: COS, TAN, ATAN. (arctg), SQRT (квадратный корень), ABS (абсолютное значение),' BIN (преобразование из двоично-десятичного в двоичное представление), BCD (преобразование из двоичного в двоично-десятичное представление), ROUND (отбрасывание разрядов после запятой), FIX (уничтожение дроби, меньшей единицы), FUP (округление до единицы дроби, меньшей единицы).
Пример двухместной операции: #i = #j + #k. Другие функции, используемые в двухместных операциях: —, *, /, OR (ИЛИ для каждого бита переменных), XOR (исключительное ИЛИ), AND (операция И).
Комбинированные операции дополнительных пояснений, по-ви- димому, не требуют; достаточно привести такой пример: #i = = SIN [ [ [#j + #k j * #1 + #m J * #п]. Последовательность действий здесь соответствует общепринятой. К операциям типа <усло- вие> относятся EQ (равно), NE (не равно), GT (больше), LT (меньше), GE (больше или равно), ЕЕ (меньше или равно).
К операциям управления относятся условный переход, безусловный переход, условная итерация (цикл), безусловная итерация.
Конструкция условного перехода имеет вид: IF [(условие)! GOTO (адрес перехода), причем в качестве (адреса перехода) может выступать номер кадра подпрограммы, переменная или (формула). Конструкция безусловного перехода еще более проста: GOTO (адрес перехода).
Конструкция условной итерации такова: WHILE [(условие)! DO (индекс итерации) (тело итерации) END (индекс итерации). Предусмотрены три (индекса итерации): 1, 2, 3; из этого следует, что допустимая глубина вложения итераций равна трем. Исполнение фрагмента (тело итерации) повторяется многократно циклически до тех пор, пока не будет выполнено условие. Конструкция безусловной итерации еще более проста: DO (индекс итерации) (тело итерации) END (индекс итерации).
В качестве примера рассмотрим специальный цикл последовательного выхода в позицию сверления отверстий под болты в круглом фланце. Полагаем, что в исходном положении ось шпинделя совмещена с осью первого отверстия, координаты X, Y которого относительно центра известны и зафиксированы в качестве значений переменных #101 и #102. В исходной макрокоманде необходимо задать R (радиус), А (величину начального угла), Н (число отверстий) (рис. 26.11). Таким образом, форма макрокоманды может быть такой: G65 Р9207 R (величина радиуса) А (начальный угол) Н (число отверстий).
Приступая к разработке подпрограммы, зарезервируем необходимые переменные. Адресам R, А, Н в подпрограмме соответствуют
переменные #18, #1, #11, которые автоматически принимают значения, указанные в макрокоманде. Выделим дополнительные переменные: #100 — счетчик общего числа обработанных отверстий для всех деталей; #101 — координата X оси текущего отверстия относительно центра; #102 — координата Y оси текущего отверстия относительно центра; #30 — координата X оси первого отверстия относительно центра; #3.1 — координата Y оси первого отверстия относительно центра; #32 — переменная, указывающая на номер обрабатываемого отверстия в рамках одной детали; #33 —
Рис. 26.11. Использование макроязыка для организации цикла последовательного выхода в позиции сверленияРис. 26.11. Использование макроязыка для организации цикла последовательного выхода в позиции сверленияугол текущего отверстия.
Рис. 26.11. Использование макроязыка для организации цикла последовательного выхода в позиции сверления
Рис. 26.11. Использование макроязыка для организации цикла последовательного выхода в позиции сверления
Текст подпрограммы принимает следующий вид: 0 9207 (номер подпрограммы); #30 = = #101; #31 = #102 (запоминание координат первого отверстия); #32 = 1 (обрабатывается первое отверстие); WHILE [#32LE ABS [#1111 D01 (начало итерации,цель которой — последовательный обход отверстий; число отверстий соответствует значению переменной #1); #33 = #1 + 360 * [#
32 — 1 ]/# 11 (угол текущего отверстия); #101 = #30 + + #18* COS [#33] (координата X оси текущего отверстия); #102 = #31 + #18 * S1N |#33) (координата Y оси текущего отверстия); X #101; Y # 102 (выход в заданные координаты; здесь должно быть организовано
прерывание для выполнения стандартного сверлильного цикла, •который не рассматриваем); #32 = #32 + 1 (подсчет отверстий в цикле итерации); END1 (конец итерации); #101 = #30; #102 = #31 (возврат к исходным значениям переменных #101 и #102); М99 (конец подпрограммы).
Вернемся к проблеме повышения языкового уровня управляющей программы..Из уже сказанного на эту тему следует: повышение языкового уровня, с формальной точки зрения, состоит в том, что детализированные описания многих действий вынесены из текста основной управляющей программы, а сами действия представлены в тексте лишь своими наименованиями или макроопределениями. Это позволяет во многих случаях резко упростить процедуру подготовки управляющей программы. Одновременно нужно сознавать, что программирование на языке повышенного уровня предполагает макрорасширение в процессе обработки исходного текста в самом устройстве ЧПУ, и это требует дополнительного математического обеспечения.
Очередным средством повышения языкового уровня является упрощение описания контура. Такое упрощение позволяет сосредоточить в одном кадре описание двух-трех и даже большего числа
Д
X2?VZz?
ХЙ5°\
•XnZf
Хз*?Г^№1№.
Хрг>ад
n
jpvz2?
x,.z,
В I
‘N-A-Xz... (или Z2)
z
Н...А...Х2... (или Z2) 8...
N... Х3... Z3
Z
, г
М... G02 (или G03)I...Kw
В,., Х2— (или Z2)
Ц X.,7,
Д Х3Д3
Аг
••^X2?VZ2*> в
Xz-AZzTXx-sAXf.Z^j-
s-
*n
ад
Х„ X3l23
N... А...Х2.,.(или22)В.
В... x3... z3...
ХА ‘8- x„z3 „
ад
z
NmAp.«A2*..X3... Z^
xa
Az
4
X3IZ3
I
z
Xk X3,Z3 4?
ад
В
If " XbZ,
z
N-.Xz0.Z4.uB-,.. в... x3...z3.„ , Хц-Х» Xu
43 Хз.
N...Al...A2...X3.„ Z3... b...
z
z
Zj»»
Xk
'll
/Xs
у 7 b 77
A
Xt.Zi
X4.Z4
Д ?? Bz”
Хз>Хз/>1
x)tz, z
N...Ab..Az...X3™Z3...B,-.„B...
N... X^.u Zt....
Хн хад
A
в 77о'‘
ад
кГ™6О2(или6ОЗ)А...В„.Х3 z3<«
XkX*,Z*
Z •
XhZf. Z
К.,-.СО2(или6ОЗ)в...А...Х3 Х3-
Xk 4X»>Z* ^7
A
— ад 7
x3,z3
B-
N... Арн Д2.„ Nm Xp— Z^...
HltlAjm Д2*о X3««<Z3*et Bj^m B^'ell N»h X^t«« ^*«#
B2...
Xk x3,z3
4/k
К, г. ад
К»! б02(или G03)TpuK3uiIji«»
K2utX3ui Z3"
Рис. 26.12. Способы упрощенного задания контура детали иа основе данных чертежа ■
Рис. 26.13. Сравнение контуров обрабатываемых деталей с программируемой траекторией центра фрезыРис. 26.13. Сравнение контуров обрабатываемых деталей с программируемой траекторией центра фрезы
Рис. 26.13. Сравнение контуров обрабатываемых деталей с программируемой траекторией центра фрезы
Рис. 26.13. Сравнение контуров обрабатываемых деталей с программируемой траекторией центра фрезы
смежных участков. Наиболее важным здесь является то, что удается избежать расчетов тех размеров, относящихся к точкам сопряжения, которые не проставлены на чертеже (т. е. заданы косвенно). При
этом возникает возможность вводить описание контура непосредственно с чертежа через клавиатуру панели управления. Как правило, подобная процедура вполне доступна оператору станка с ЧПУ.
’гНа рис. 26.12 показаны неко
торые способы упрощенного задания фрагментов контура. Точки пересечения прямолинейных участков контура могут быть заданы либо координатами (в абсолютных или от
носительных размерах), либо
посредством угла. Точки сопряжения прямой с окружностью, двух окружностей могут быть определены самой системой управления. Расчеты, относящиеся к участкам сопряжения (фаски, скругления), выполняются автоматически. Таким образом, устройство ЧПУ взамен одного блока упрощенного задания фрагмента контура должно сгенерировать несколько кадров программы на языке ISO прежде, чем начнется воспроизведение управляющей информации.
Дополнительным средством повыщения языкового уровня управляющих программ может послужить так называемое безэквидистантное программи
рование, позволяющее описывать лишь требуемый контур, а параметры инструмента вводить в качестве корректирующих. Подобная проблема не так проста, как это может показаться на первый взгляд; и это проиллюстрировано с помощью рис. 26.13, на котором показаны контуры плоских деталей и траектории центра фрезы, причем контуры и траектории не эквивалентны. При безэквидистантном программировании в некоторые кадры приходится вставлять дополнительные кадры (от одного до трех) на основе анализа двух смежных участков.
Некоторые вычислительные задачи, который необходимо решать при безэквидистантном программировании, рассмотрены на рис. 26.14. Коррекция на радиус фрезы может быть включена в начале программы (функцией G42 на рис. 26.14, а—в) или выключена при завершении программы (функцией G40 на рис. 26.14, г—з);
причем движение в этом случае начинается и заканчивается в запрограммированной точке. Изменения в траекторию движения (по отношению к запрограммированному контуру) могут быть внесены на основе автоматического определения точки пересечения эквидистант (рис. 26.14, и—л) либо путем принудительного автоматического формирования дополнительных участков (рис. 26.14, м—о).
Наиболее высоким языковым уровнем (из известных) располагают устройства ЧПУ, ориентированные на диалоговую автоматизированную подготовку управляющих программ непосредственно на рабочем месте. Как правило, диалог организован через графический дисплей. Процедура подготовки управляющей программы использует обычно так называемую «технику меню», когда оператору предлагается на выбор несколько вариантов. Сделав определенный выбор, оператор получает очередной набор запросов. По мере того как информация накапливается в системе управления, на экране графического дисплея возникают контуры заготовки и детали, разрабатываются технологические переходы, проектируются траектории инструмента, а нередко определяются и режимы резания. После того как информация становится исчерпывающей, она транслируется в код ISO-7bit и может быть скорректирована или отредактирована.
АДАПТАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ К ОБЪЕКТУ (СТАНКУ) И ПОТРЕБИТЕЛЮ
Перейдем к оценке функциональных возможностей микропроцессорных устройств ЧПУ, которые определены способностью этих устройств адаптироваться к объекту (станку) и потребителю. Наибольшую долю в объеме производства устройств ЧПУ составляет массовый выпуск безадресных систем управления, ориентированных лишь на вид обработки, при максимальной степени унификации между отдельными системами общей гаммы. В подобных условиях возникает необходимость в параметрическом, статическом и динамическом согласовании системы управления и конкретного объекта помимо элементарной электрической стыковки. Такое согласование может быть выполнено на основе предварительных исследований и измерений, априорного представления об объекте либо на основе активной информации со стороны объекта, поступающей в рабочем режиме: осведомительных сигналов станочной автоматики и информации с позиционных, техометрических и адаптивных датчиков приводов подачи и главного движения.
Запросы различных потребителей по отношению к одним и тем же системам управления неоднозначны, что определяется особенностями производства или производственными традициями. В подобной ситуации изготовители устройств ЧПУ предоставляют потребителям некоторые возможности по уточнению или ^граничению функций ЧПУ, уточнению или ограничению входных языковых средств.
Таким образом, микропроцессорные устройства ЧПУ способны в определенной степени адаптироваться к объекту (станку) и потребителю. Для обеспечения указанной адаптации в устройствах ЧПУ 554
выделяют специальные области памяти, закрепляемый ч» Уконстян- тами системы управления» и «станочными параметрами», которые служат для введения коррекций или компенсаций, уточнения или ограничения функций ЧПУ, уточнения или ограничения языка управляющих программ, контроля, визуализации, диагностики и оптимизации связи устройства ЧПУ со станком. В дальнейшем будем называть «параметрами» и константы системы управления, и станочные параметры.
Охарактеризуем назначение параметров, собранных в однородные по назначению группы (деление параметров на группы, конечно, носит условный характер).
К первой группе параметров отнесем признаки и указания, уточняющие синтаксис управляющей программы, семантику адресов ISO, реакцию управления на те или иные команды. В числе таких признаков и указаний могут быть, например:
задание желаемых форматов слов для всех адресов; блокировка или разрешение ввода любых адресов; назначение адресов координатных осей, уточнение типов координатных осей (линейная, круговая);
выбор адреса дополнительной вспомогательной функции; назначение последовательности исполнения вспомогательных функций для той ситуации, когда в одном кадре присутствуют основная и дополнительная вспомогательные функции;
уточнение направления вращения шпинделя, задаваемого функциями МОЗ и МО4;
задание вспомогательной функции, сопутствующей смене инструмента; вспомогательной функции для внешней коррекции инструмента;
изменения компенсации параметров инструмента вступают в силу со следующего кадра либо немедленно при появлении соответствующих указаний;
программирование и визуализация размеров с десятичной точкой не используются (либо используются);
уточнение, возможно ли перемещение по координатам одновременно с исполнением команд, заданных вспомогательными функциями;
указания относительно использования тех или иных адресов в стандартных циклах;
резервирование определенных М-функций, которые при своем появлении стирают буферную память;
по команде прерывания линейной интерполяции подача либо остается той, которая установлена кодом F, либо становится той, которая задана соответствующим параметром, и др.
Во вторую группу параметров включим признаки, определяющие начальное состояние памяти. Сюда прежде всего относятся коды G-функций, действующих по умо/ танию каждая в своей группе G-функций. Кроме того, сюда относится указание, сохраняются ли в памяти ранее введенные управляющие программы при вводе новой или нет.
В третьей группе параметров объединим признаки, уточняющие структуру стандартных циклов:
в стандартных циклах генерируются разнообразные М-функции либо только «ОСТАНОВ ШПИНДЕЛЯ», «РЕВЕРС ШПИНДЕЛЯ»;
после позиционирования в стандартном цикле выдается (или не выдается) команда на включение вращения шпинделя;
характер движения по осям X и Y в стандартном цикле определяется конкретной G-функцией, либо это движение всегда осуществляется на ускоренном ходу;
положение начальной точки сверлильного цикла может (или не может) быть изменено при помощи клавиатуры панели;
указания относительно того, нужна ли выдержка времени в циклах нарезания резьбы метчиком;
команды управления остановом или вращением шпинделя входят в состав стандартных циклов либо должны быть предусмотрены вне цикла.
Четвертую группу параметров составим из признаков, относящихся к использованию макроязыка пользователя:
использованы (либо не использованы) специальные G-функции, вызывающие подпрограммы пользователя;
подпрограммы пользователя имеют (либо не имеют) доступ к входным регистрам устройства ЧП У;
если в аргументе макрокоманды нет десятичной точки, то аргумент полагается целым либо трактуется соответственно принятым для адресов форматам;
указание: подпрограммы (раздельно по диапазонам номеров) редактируются (либо нет);
указание: покадровая отработка при исполнении подпрограмм (раздельно по диапазонам номеров) возможна (или нет); содержимое подпрограмм выводится на дисплей (либо нет);
резервирование кодов М-функций для вызова подпрограмм;
резервирование кодов G-функций для вызова подпрограмм.
К пятой группе параметров отнесем признаки, блокирующие функции клавиатуры панели оператора, уточняющие функции клавиатуры и реакцию системы управления на клавишные команды;
блокировка следящего привода возможна или невозможна;
при нажатии клавиши «ИСХОДНОЕ» устройство ЧПУ переходит в начальное состояние либо в исходное для данной программы состояние;
ручное управление процентным изменением частоты вращения шпинделя возможно или невозможно;
при нарезании резьбы частота вращения шпинделя фиксируется на уровне 100 % либо не фиксируется;
ввод программы в память можно осуществитьVpH нажатии клавиши «ПУСК ЦИКЛА», либо эта клавиша для указанных целей не применяется;
ручной ввод данных при заблокированной памяти возможен или невозможен;
указание относительно того, сохраняются ли, • длины инструмента при нажатии клавиши «ИСХОДНОЕ»;
сигнал игнорирования четвертой координаты принимается либо нет.
В шестой группе параметров содержатся признаки, управляющие объемом и составом выводимой на дисплей информации. Например, имеется указание, могут или не могут быть выведены на экран дис- пл ея комментар и и.
Параметры седьмой группы обеспечивают хранение следующих констант, показаний, допусков, текущих и предельных значений: максимальные значения подачи для той ситуации, когда подача задана условным одноразрядным кодом и может изменяться вручную с помощью генератора ручного перемещения;
установка величины отвода сверла и начальной точки резания в стандартном сверлильном цикле;
допуск, позволяющий внести упрощение в расчет траектории при безэквидистантном программировании обхода наружного острого узла, близкого к прямому;
допуск на отклонение текущего положения для каждой координатной оси в момент перехода к очередному кадру;
допуск на отклонение от заданного положения при остановке, при движении;
допуск на отклонение частоты вращения шпинделя при резании;
установка скорости быстрых ходов для каждой координатной оси в отдельности;
ограничения на скорость рабочей подачи; на скорость быстрого хода, настраиваемую переключателем «ПРОЦЕНТЫ ОТ СКОРОСТИ»; на скорость подачи при возвращении в нуль станка; на скорость подачи, в помеченных кадрах, на скорость подачи при ускоренном прогоне программы;
установление границ рабочего пространства;
выбор числа точек коррекции накопленной погрешности шага винта для каждой координатной оси;
длина ходового винта (для каждой координатной оси), в пределах которой компенсируется накопленная погрешность шага;
хранение выбранных выдержек времени, хранение показаний времени;
хранение текущих значений рассогласований следящих приводов подачи;
установка «перебега» для позиционирования с подходом в одном направлении для каждой координатной оси;
задержка проверки системой точности позиционирования на время завершения переходного процесса;
задание допустимого сектора на графике «заданная скорость — фактическая скорость», определяющего приемистость следящего привода подачи;
назначение такого рассогласования следящих координатных приводов подачи, при котором приостанавливается работа интерполя
тора.
Параметры восьмой группы являются признаками, определяющими протокол обмена информацией устройства ЧПУ, периферии, станка:
при изменении подачи с ускоренной на рабочую необходимо (или не требуется) подтверждение приема соответствующего сигнала;
команда «ПУСК» не требует (или требует) подтверждения со стороны станка;
при выходе в нуль станка формируется сигнал 0 или 1;
команда на останов шпинделя возбуждается при разомкнутом (или замкнутом) реле;
параметры (в виде временных задержек) выходных и квитирующих сигналов для функций М, S, Т управления автоматикой;
установка допустимой задержки от подачи S-команды до фактического пуска привода главного движения;.
при подаче на привод главного движения управляющего сигнала, который соответствует границам (верхней или нижней) установленного значения, выдается (либо не выдается) предупредительное оповещение;
описание каналов связи устройства ЧПУ с периферийными средствами ввода-вывода (признаки передачи, скорость передачи).
В девятой группе параметров сосредоточены значения корректирующих и компенсирующих сигналов и смещений, указания на знак коррекции:
величина зазора по каждой координате и частота импульсов компенсации зазора;
накопленная погрешность измерительной системы для каждой координатной оси;
компенсация дрейфа при нулевом сигнале управления частотой вращения шпинделя;
компенсация дрейфа в следящих приводах всех координат (при автоматической компенсации дрейфа коды параметров непрерывно корректируются);
расстояния между первой и второй нулевыми точками для каждой координатной оси;
направление (положительное или отрицательное) подхода к точке позиционирования для каждой координатной оси;
смещения начала координат обрабатываемой детали по координатным осям, вводимые автоматически по результатам измерения на станке;
расстояния между начальными точками третьей, четвертой координатных систем и начальной точкой первой координатной системы — раздельно по координатам;
вводимые автоматически (по результатам измерения) смещения начальной точки первой координатной системы раздельно по тем координатам, которые заданы соответствующим параметром как активные;
коррекция начала координат первой—шестой координатных систем детали раздельно по координатным осям;
коррекция шага винта каждой координаты раздельно по обозначенным заранее точкам.
К десятой группе относятся значения параметров настройки следящих приводов подачи и сигналов управления этими приводами:
формирование статической характеристики блока сравнения по положению для следящих приводов каждой координатной оси;
установка значения коэффициента усиления канала позиционной обратной связи следящего привода для каждой координаты;
настройка добротности для следящих приводов всех координат одновременно;
время линейного ускорения или торможения для привода каждой координаты; время экспоненциального ускорения или торможения для привода каждой отдельной координаты при ручном управлении; время экспоненциального ускорения или торможения для приводов всех координат;
уровень управляющего сигнала, при котором в следящих приводах подачи отключается обратная связь по скорости.
Параметры одиннадцатой группы предназначены для осуществления процесса согласования с приводом главного движения, для настройки привода и сигналов управления приводом:
передаточное отношение от двигателя главного привода к шпинделю;
отношение частоты вращения шпинделя к коду скорости главного движения;
установка максимальной частоты вращения для нижнего и верхнего скоростных диапазонов, устанавливаемых переборной группой шпинделя;
установка минимальной частоты вращения шпинделя для верхнего скоростного диапазона;
нижнее и верхнее значения сигналов, управляющих частотой вращения шпинделя;
настройка коэффициента усиления привода главного движения;
установка максимальных значений (соответствующих 10 В) частоты вращения шпинделя в четырех диапазонах шпиндельной коробки.
В двенадцатую группу параметров включены признаки, определяющие цену дискреты, диапазон изменения, единицы измерения, масштаб, границы рабочей зоны, наличие.базовых точек и смещений: минимальная подача равна 0,1 либо 1 мм/мин;
визуализация позиций информации на дисплее осуществляется с точностью 0,01 либо 0,001 мм;
цена дискреты равна 0,01 либо 0,001 мм;
запретная зона, ограниченная дополнительными линиями, является наружной или внутренней;
указания относительно того, существует ли нуль станка по каждой координате в отдельности;
признак умножения всех компенсаторов погрешностей шага винта для всех координат;
признак, устанавливающий цену дискреты для генератора ручного задатчика перемещений;
признак изменения (путем введения дополнительного масштабного коэффициента) цены дискреты для каждой координатной оси в отдельности;
признак, указывающий на передаточное отношение от шпинделя к датчику углового положения шпинделя;
признаки, указывающие на передаточное отношение к датчику обратной связи по положению для каждой координатной оси;
число дискрет датчиков обратной связи по положению на один оборот для каждой координатной оси;
выбор коэффициента настройки подачи, заданной в программе одноразрядным условным кодом;
указания на то, применяется ли масштабирование раздельно по координатным осям;
признаки автоматически устанавливаемого смещения координатной системы относительно нуля станка раздельно по координатным осям;
введение «модуля круговых осей», который означает, что при повороте на угол свыше 360° отсчет вновь начинается с нуля;
задание базовой позиции смены инструмента и последовательность движения в эту позицию.
В состав тринадцатой группы входят признаки, определяющие аппаратные особенности конфигурации системы ЧПУ:
сигналы управления автоматикой станка передаются через си
стему оптронной развязки либо с помощью реле;
способ распознавания (тип датчика) выхода в нуль станка для каждой координатной оси в отде^ности;
тип датчика обратной связи по положению в приводах подачи (фазовый, импульсный);
указания для выбора варианта канала связи устройства ЧПУ с периферийными средствами ввода-вывода.
Четырнадцатая группа параметров составлена из признаков, задающих либо определяющих автоматическое исйолнение некоторых функций: в конце допустимого хода осуществляется экстренное торможение привода с потерей информации о положении, либо выполняется плавное торможение привода без потери информации. Признаки следующие:
автоматическая компенсация дрейфа в следящих приводах подачи есть (либо нет);
переход к следующему кадру при снижении подачи до нуля осуществляется после получения подтверждения о том, что положение
на станке с определенным допуском соответствует запрограммиро
что в указанномчто в указанномванному (другое значение параметра предполагает подтверждении нет необходимости);
что в указанном
что в указанном
выполнение диагностических функций возможно (или невозможно)
одновременно с выдачей управляющих команд;
учет знака компенсации зазора по отношению к нулевой точке
станка для каждой координаты в отдельности;
указание наибольшего номера места инструмента для автоматического выбора направления движения инструментального мага? зина, выбор жесткого либо переменного кодирования места инструмента.
Из представленного обзора следует, что полное число параметров в современных устройствах ЧПУ может достигать нескольких сотен, и по этой причине общая картина использования параметров труднообозрима. Это усугубляется еще и теми особенностями параметров, что они существенно различаются по структуре (однобитные признаки, многоразрядные константы, динамически изменяемые переменные), назначению (блокировка, условный переход, безусловный переход, фиксация некоторого численного значения, обозначения границ и пределов и др.), характеру ввода (однократный при стыковке с технологическим оборудованием и подготовке к первоначальному пуску у потребителя, периодический по мере производственной необходимости, непрерывный по автоматически действующим каналам), доступности (требуют испытания и измерений, вполне очевидны, доступны представителям инженерных служб, доступны наладчику, оператору) и др.
Таким образом, можно констатировать, что в организации системы параметров пока еще нет достаточной четкости. Целесообразна дальнейшая работа по классификации и систематизации параметров, выделению классов и групп, упорядочению хранения в памяти, т. е. по организации базы данных, разработке удобного (в лучшем варианте стандартного) языка ввода параметров и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аверьянов О. И., Бобрин Л. П. Методика формирования унифицированных умов металлорежущих станков — Станки и инструмент, 1983, № 7, с. 5—7.
Автоматизированные технологические комплексы. М.: НИИМАЩ, 1981. 103 с.
Байков В. Д., Вашкевич С. Н. Решение задач интерполяции в системах ЧПУ. —Станки и инструмент, 1981, № 6, с. 16—17.
Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1981. 328 с.
Баранов С. И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1979. 232 с.
Батов В. П. Токарные станки. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.
Беляев В. Г. Расчет механической части привода подач станков с ЧПУ. — Станки и инструмент, 1982, № 3, с. И—14.
Белянин А. Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975. 298 с.
Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 464 с.
Васильев В. С. Оценка производительности и надежности автоматизированного оборудования. —Станки и инструмент, 1983, № 10, с. 7—11.
И. Беликовский А. Л., Бейлин Л. П. Динамический расчет главного привода станка иа_ЭВМ. —Станки и инструмент, 1979, № 7, с. 9—И.
Врагов Ю. Д. Анализ компоновок металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978 . 208 с.
Временные типовые методики и программы испытаний металлорежущих станков М.: ЭНИМС, 1983. 135 с.
Детали и механизмы металлорежущих станков/Под рсд. д-ра техн, наук, проф. Д. Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1972, т 1, 663 с., т. 2, 520 с.
Зверев И. А., Самохвалов Е. И., Левина 3. М. Автоматизированные расчеты шпиндельных узлов. —Станки и инструмент, 1984, № 2, с. 11 —15.
Ивович В. А. Переходные матрицы в динамике упругих систем. М.: Машиностроение, 1969. 199 с.
Кедров С. С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. 198 с.
Колка И. А., Кувшинский В. В. Многооперационные станки. М.: Машиностроение, 1983. 136 с.
Кочинев Н. А., Сабиров Ф. С. Оценка динамического качества станков по характеристикам в рабочем пространстве. — Станки и инструмент, 1982, № 8, с. 12—14.
Кочинев Н. А., Сабиров Ф. С., Шибаиов Е. И. Экспериментальное исследование связи резонансной податливости упругой системы токарных станков с «предельной стружкой». — Изв. вузов. Машиностроение, 1978, № 4, 15—18 с.
Кудинов В. А. Динамика станков М.: Машиностроение, 1967. 359 с.
Левин А. И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. М.; Машиностроение, 1978. 184 с. ^
Левина 3. М., Астафьев А. М. Расчеты при автоматизированном проектировании шпиндельных узлов. — Станки и инструмент, 1981, № 6, с. 4—8.
Левина 3. М., Решетов Д. Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971. 264 с.
Ленк А. Электромеханические системы. Пер. с нем. М.: Мир, 1978. 283 с.
26. Лизогуб В. А. Конструирование и расчет шпиндельных узлов на опорах качения. — Станки и инструмент, 1980, № 3, с. 18—20.
Лоскутов В. В., Ничков А. Г. Зубообрабатывающие станки. М.: Машиностроение, 1978. 192 с.
Лурье Б. Г., Комиссаржевская В. Н. Шлифовальные станки и их наладка. М.: Машиностроение, 1978. 192 с.
Металлорежущие станки/Н. С. Ачеркан, А. А. Гаврюшин, В. В. Ермаков и др. Под ред. Н. С. Ачеркана. М.: Машиностроение, 1965, Т. 1, 764 с., т. 2, 628 с.
Металлорежущие станки и автоматы/А. С. Проников, Н. И. Камышный, Л. И. Волчкевич и др. Под общ. ред. А. С. Проникова. М.: Машиностроение, 1981. 479 с.
Михеев Ю. Е., Сосонкин В. Л. Системы автоматического управления станками. М.: Машиностроение, 1978. 264 с.
Модзелевский А. А., Соловьев А. В., Лонг В. А. Многооперационные станки. М.: Машиностроение, 1981. 215 с.
Ничков А. Г. Фрезерные станки. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984. 184 с.
Опитц Г. Современная техника производства. Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1975. 275 с.
Программное управление станками/В. Л. Сосонкин, О. П. Михайлов, Ю. А. Павлов и др. Под общ. ред. В. Л. Сосонкина. М.: Машиностроение, 1981. 398 с.
Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов/ К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. Пер. с нем. М.: Мир, 1977. 447 с.
Пуш В. Э. Конструирование металлорежущих стенков. М.: Машиностроение, 1977. 390 с.
Пуш В. Э., Пигерт Р., Сосонкин В. Л. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982. 319 с.
Сосоикии В. Л. Математическое обеспечение процессорных устройств ЧПУ. М.: НИИМАШ, 1981. 80 с.
Сосоикии В. Л. Процессорные устройства ЧПУ станками. М.: НИИМАШ, 1980. 104 с.
Срибиер Л. А. Цикловое программное управление оборудованием. М.: Машиностроение, 1980. 150 с.
Станки с числовым программным управлением (специализированные)/ Н. А. Богданов, У. Г. Говберг, М. И. Добромыслин и др. Под ред. В. А. Лещенко. М.: Машиностроение, 1979. 592 с.
Старостин В. К., Кушнир М. Л. Автоматизированное проектирование внутришлнфовальных головок. — Станки и инструмент, 1982, № 9, с. 9—10.
Типовые комплексно-автоматизированные участки типа АСВ из оборудования с ЧПУ с применением ЭВМ. М.: НИИМАШ, 1983. 41 с.
Федотенок А. А. Кинематическая структура металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1970. 408 с.
Хнлбурн Дж., Джулич П. МнкроЭВМ и микропроцессоры. Пер. с англ, М.: Мир, 1979. 463 с.
Хомяков В. С., Зайцев В. М. Оптимизация динамических характеристик станков. — Станки и инструмент, 1978, М 8, с. 22—24.
Хомяков В. С., Старостин В. К-, Кушнир М. А. Многокритериальная оптимизация внутришлнфовальных головок на подшипниках качения. — Станки и инструмент, 1984, № 2, с. 17—19.
Шимаиович М. А., Кудряшов Л. В. Система «ТОКАТА» программ для расчета прогиба шпинделя в гидростатических подшипниках. — Станки и инструмент, 1982, № 5, с. 6—7.
Янтовский А. В. Управление электроавтоматикой современных станков с ЦПУ. М.: НИИМАШ, 1981. 64 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ указатель
А
Автоматическая линия — Компоновка 129, 130, 142, 145, 146, 147 — Назначение 129, 141, 145 — Понятие 9 — Техническое обслуживание 413 — Эксплуатация 413 — роторная — Понятие 141 — спутниковая — Понятие 130
Автомат миогошпиидельный токарный — Назначение 138, 140
Автооператор — Конструкция 315, 317
— Назначение 299, 303
— Схемы 304—305
Агрегатно-модульная конструкция — Назначение 167, 1681
— Понятие 165
Аккумулятор — Назначение 265
Алгоритм работы системы — Назначение 471
— управления — Понятие 435
Анализ дисперсионный — см. Дисперсионный анализ
Аппаратная система 471
Б
Безотказность — Понятие 16
Блок последовательного интерфейса — Назначение 493
— радиальных прерываний — Назначение 493
В
Вариант оптимальный технологической системы — Понятие 181
Вероятность безотказной работы — Понятие 16, 17
Вибратор электромагнитный—Назначение 396 — Схема 397
Виброустойчивость — Понятие 22
Вииты ходовые— Назначение 243
Восстановление деталей — Назначение 425
Выпуск деталей годовой — Понятие 175
Вычислитель виртуальный — Назначение 515
Вязкость — Понятие 259—260
Г
Гибкость — Понятие 19
Гибкий производственный модуль — Назначение 538
— Понятие 9
■— Схемы 154, 155
Гибкая производственная система — Выбор оборудования 175, 176
— Компоновка 159
— Назначение 4, 153.
Гибкая станочная система — Назначение 120*
— участка типа АСВ — Компоновка 124, 127
— участка АСК-10 — Компоновка 121 — Назначение 121
Г идромотор — Выбор 277
— Параметры 276
Гидроцилиидр—Типы 268
Головка револьверная — Назначение 299
— силовая — Назначение 134, 135
Графика машинная — см. Машинная графика
Группа кинематическая — см. Кинематическая группа
— формообразования 37, 46, 47, 48, 50, 58, 63
д
Движение вспомогательное 29
— главное 73, 77, 78, 87, 89, 109, 111
— делительное 29
— исполнительное 29, 30
— установочное 29
— управления 29
— формообразования 27, 28
Детали базовые — Жесткость 319
— Конструирование 323
— Материал 323—325
— Расчет 325
Диагностирование — Понятие 18
Диапазон регулирования — Понятие 199, 202
Дискретность — Понятие 434
Дисперсионный анализ — Назначение 385
Диспетчер — Назначение 508
Документация рабочая — Разработка 172
Долговечность — Понятие 17
Дроссель — Конструкция 274
— Назначение 274
Ж
Жесткость — Понятие 21, 22, 403
— масляного слоя 347, 355
3
Загрузочное устройство — Назначение 291
— автоматическое 291
— двухместное 297
— многоместное 297
— одноместное 295
— поворотное 291, 293
— рычажное 294
И
Изнашивание — Понятие 420
— механическое 420
— окислительное 421
— при заедании 421
Интегратор — Назначение 476, 477
Интерфейс — Понятие 497
— Схемы 502
Интенсивность отказов — Понятие 16
Интерполятор — Назначение 475, 476, 478
Исследование — Понятие 376
— Этапы 377
Информация — Источники 531
— Основные части 453
— Понятие 435, 453 .
К
Кадр — Понятие 449
Кантователь — Конструкция 316, 318
— Назначение 303
Кинематическая группа — Понятие 30
Клапан обратный — Назначение 273 — Принцип действия 273
— постоянной разности давлений — Назначение 273 — Принцип действия 273 — предохранительный — Назначение 270 — Принцип действия 270—271
— редукционный — Назначение 272 — Принцип действия 272
Код унитарный — Понятие 450
— IS0-7bit 448, 449, 453, 454—458, 468
Комплекс робототехнический — см. Робототехнический комплекс
Компоновка «Станок—робот» 118
Консоль — Назначение 78
Конструкция агрегатио-модульиая — см. Агрегатно-модульная конструкция Контроль на четность — Назначение 468 Коробка скоростей автоматическая — Назначение 206 Коэффициент технического использования — Понятие 17 Критерий аддитивный 184 — конфликтный 184 — максимальный 185 — проектный — см. Проектный критерий
Л
Линия автоматическая — см. Автоматическая линия — производящая — см. Производящая линия
М
Магазин инструментальный—Назначение 300, 302
Манипулятор — Кинематическая схема 161, 162, 163 — Назначение 155 — Схемы 292 — Циклограмма обслуживания станка 157 — Число степеней подвижности 161 — автоматический 166 — загрузки 294 — смены заготовок 296 — смены инструмента 299
Манипулирующие устройства — Назначение 8
Массивы входные 533
— главные 534
— информационные 533, 534
— промежуточные 533
* Математическое обеспечение ЧПУ — Организация 524—526
Матрица жесткости системы 333
— элемента 333
Машинная графика — Понятие 180
Металлизация — Понятие 427
Метод врезания 30
— гармонического возбуждения 398
— градиента 186
— графоаналитический 200
— «искусственных баз» 422
— касания 43, 49, 53
— кодирования 307—308
— координатного спуска 186
— копирования 43
— начальных параметров 373, 472
— обката 43, 53, 57
переходных матриц 472
полного перебора 186
— следа 43, 56, 57
случайного поиска 188.
смазывания 211—212*
штрафных функций 187
экспертных оценок 383
Механизмы переключения передач 207
Микропроцессор — Назначение 496 , 554
Структура 495
МикроЭВМ универсальная — Понятие 485, 486 ■ .
— «Электроника-60» 460’ '-. •
— «Электроника НЦ-80-31» 492;
Модель полиномиальная 388
— энергетическая 19
Модуль агрегатный — см. Агрегатный модуль
гибкий производственный — см. Гибкий производственный модуль "
микропроцессорный 485
— станочный — см. Станочный модуль
— упругости 259
Монитор — Назначение 508
Муфта сильфонная - Назначение 96, 99
Н
Надежность —- Понятие 16, 91
— технологическая — Понятие 18
Направляющие — Давление 344 —Классификация 337—Конструкция 340 — Материал 339 — Назначение 337, 352 — Расчет 341 — аэростатические 350 — гидродинамические 345 — гидростатические 345 — качения 352, 355 — комбинированные 356 — скольжения 337
Насосы — Назначение 262
— Схемы 266
Настройка — Понятие 35, 412
Натяг предварительный — Понятие 353
О
Объект технологический — см. Технологический объект Обеспечение информационное — Понятие 181 — программное — Понятие 181
Объект технический — см. Технический объект
Ограничения проектные — см. Проектные ограничения
Операционная система — Понятие 507 — Состав 519
— исполнительная — Назначение 510—Функциональные возможности 513 Части 511
Опоры аэростатические — Назначение 351
— гидростатические — Жесткость масляного слоя 347 — Назначение 221 —• Принцип действия 221
с воздушной смазкой — Назначение 224
скольжения — Назначение 218
Оптимизация многокритериальная — Понятие 184
параметрическая — Понятие 182
поисковая — Понятие 186
Органы исполнительные — Понятие 30
настройки — Понятие 32
Отказ — Понятие 16, 17
П
Память стековая — Понятие 497
Параметры движения — Понятие 29
станочные — см. Станочные параметры
управления — Понятие 182
Патрон самоцеитрирующий трехкулачковый — Назначение 70, 71
Передача винт-гайка качения — Назначение 243
винт—гайка скольжения — Назначение 242
— данных — Назначение 504, 505
зубчато-реечная — Назначение 254
ПереиалаживаемОсть — Понятие 20
Периферия стаиочиая — см. Станочная периферия
План-регламент — Понятие 414
Планы второго порядка — Понятие 394
Плита — Назначение 322
— Расчет 329
Плотность жидкости — Понятие 258
Поверхность винтоваи — Понятие 42
Податливость — Понятие 21, 404
Подсистема «Главный привод» — Назначение 208 — Структурная схема 207
манипулирования — Назначение 6
низшего уровня 118
— управления — Назначение 6
Подшипники — Жесткость 215 — Потери на трение 217 — Точность 214
— гидродинамические — Жесткость 220 — Конструктивные параметры 219 — Назначение 218
— качения — Жесткость 215 — Назначение 213 — Посадка 217 — Точность 214
Позиционирование — Погрешность 407
— Понятие 434, 436, 437
Поле температурное — Понятие 335
Постпроцессор — Понятие 466
Предложение техническое — см. Техническое предложение
Преобразователь тиристорный — Понятие 232
Привод — КПД общий 194 — Крутящий момент 195 — Мощность 192, 195 — На
значение 191, 196 — Частота вращения 192 — Унификация 191, 192
— бесступенчатый 202
— гидравлический 257—258
— главного движения — Компоновка 207 — Назначение 7, 205
— манипулятора 309
— подач 7
— позиционирования 7
— ступенчатый 195
— электромеханический — Назначение 234 — Расчет 234—236 — Структурная
схема 237
Программа — Пример построения 546'— Редактирование 470
— отладочная — Назначение 509
— управляющая — Контроль 468 — Коррекция 470 — Подготовка 462 — Поня
тие 461 — Узел ввода 472
Программа-ассемблер — Назначение 509
Программатор — Понятие 467
Программирование — Назначение 461
Программоноситель — Виды 447, 448
Проектный критерий — Понятие 174, 177
— ограничения — Понятие 175
Проект технический — см. Технический проект
— эскизный — см. Эскизный проект
Производительность — Понятие 13 — Потери 197
— технологическая 13, 15
— формообразования 14
— штучная 13, 14
Производящая линия — Понятие 25
Промышленный робот — Классификация 150 — Компоновка 164 — Назначение 147—
148 — Размерный ряд 160
— вспомогательный 150
— «Пирин» — Назначение 151 —Устройство 151, 152
— портальный 119
— специализированный 153
— специальный 151V
— универсальный 154
— 3388-Ш — Конструкция 149—150 — Назначение 148 — Техническая характе
ристика 166
Пространство рабочее — Понятие 9
— факторное — Понятие 9
р
Размер ремонтный — Понятие 425
Распределитель — Конструкция 276 — Назначение 274 — Условное обозначение 27R
Регистры — Виды 496■ “
Регулирование дроссельное — Понятие 283 — Схемы 283
— объемное — Понятие 279 — Схемы 280
Регулятор унифицированный — Назначение 232
Редактор текстовой информации — Назначение 508
Резцедержатель — Назначение 299
Ремонт — Категории сложности 418—419
— периодический 417
— планово-предупредительный 416
— по потребности 416
Ремонтопригодность — Понятие 17, 18
Ресурс технический — см. Технический ресурс
Рефлексная система 450
Робот промышленный — см. Промышленный робот
Робототехнический комплекс — Компоновка 155, 156, 159
— Назначение 155
Ряды размерные — Понятие 9
С
Салазки — Назначение 322
— Расчет 329
Связь кинематическая — см. Кинематическая связь
Секции станочная роботизированная — Компоновка 123, 124
Система автоматизированного программирования (САП) — Математическое обеспечение 465 — Понятие 464
— аппаратная — см. Аппаратная система
— гибкая производственная — см. Гибкая производственная система
— команд 505
— операционная — см. Операционная система
— рефлексная — см. Рефлексная система
— ручного переключения 206
— упругая — см. Упругая система
Система управлении копировальная 441
— кулачковая 438, 439, 451
— числового программного управления (СЧПУ) 452
Скорость — Число ступеней 197
Слово — Понятие 448
Способ адресации 500, 501
Станина — Назначение 320
— Типы сечений 320—321
— Форма 328
Станок — Виброустойчивость 360 — Гидравлическая система 287 — Динамический расчет 357 — Классификация 8, 10, 11 — Классы точности 12 — Модернизация 432 — Назначение 6 — Настройка кинематическая 35 — Несущая система 7 — Обозначение 12 — Структурная схема 6, 7 — Точность 402, 404
— агрегатный — Компоновка 132, 133, 136 — Назначение 132 — Формула настройки 35
— бесцентрово-шлифовальный — Назначение ПО, 111 — Привод главного движения 111 — Техническая характеристика 111
— вертикально-фрезерный МА655ФЗ н 6Р13РФЗ — Назначение 86 — Привод главного движения 87, 89 — Привод подач 87, 90 — Техническая характеристика 88, 89 — внутришлнфовальнын — Компоновка 114 — Назначение 113
— зубодолбежный — Назначение 46, 49 — Формообразование 47, 48
— зуборезный — Группа деления 61, 62 — Группа движения подачи 60 — Кинематическая структура 58—59 — Формообразование 57
— зубофрезерный — Назначение 49—53 — Формообразование 50—52
— зубошлифовальный — Формообразование 36
— круглошлнфовальный ЗМ151 — Назначение 108 — Привод вращения заготовки
109 — Техническая характеристика 108
— многооперационный 102 — Компоновка 91 — Назначение 90 — Привод подач 96 — Устройства для автоматической смены инструмента 99—101 — Шпиндельная бабка 94—96
— плоскошлифовальный — Кинематическая схема 115 — Назначение 114
— резьбообрабатывающий — Назначение 42, 44 — Формообразование 42, 44
— специализированный — Понятие 9
— специальный — Понятие 9
— токарный 77, 78, 302 — Коробка подач 67 — Назначение 63 —Развертка валов 64 — Резцедержатель 67
— токарно-винторезный 16К20 — Кинематическая схема 74 — Назначение 73 — Техническая характеристика 73
универсальный — Понятие 9
фрезерный — Компоновка 78 — Коробка подач 83 — Коробка скоростей 81 —
Назначение 78 — Шпиндельная головка 82
Стандартный цикл — Понятие 541
глубокого сверления 542
резьбонарезания 543
«схемы сверления» 542
токарной обработки 544
Станочный модуль — Компоновка 117, 118, 119 — Назначение 4
— для обработки тел вращения 120
Станочная периферия — Понятие 538
— параметры — Группы 555—560 — Назначение 555
Станция насосная — Принципиальная схема 289
Стол — Назначение 322 — Расчет 329
— силовой — Кинематическая схема 134 — Назначение 134
Стол-спутиик — Назначение 295,. 297, 299
Стружка предельная — Понятие 410
Супервизор — Назначение 508
Суппорт — Назначение 322
Схемы типовые конструктивные 214
Счетчик команд — Назначение 497
Т
Тахогенератор — Назначение 232, 233
Теплостойкость — Понятие 23
Технический объект — Понятие 177, 178
Технологическое предложение — Понятие 171
Технический проект — Понятие 172
— ресурс — Понятие 18
Технологии трудосберегающаи — Назначение 291
Точность геометрическая 21
— кинематическая 21
— позиционирования 24
Транспортер-манипулятор — Компоновка 126, 128 — Назначение 125, 126
Транспортер-накопитель — Крмпоновка 125 — Назначение 124, 125
У
Узел буферной памяти 473
— ввода 472
— вычислительный специализированный — Назначение 480, 482 — Схема 483
— корректирования 473, 474
— связи с электроавтоматикой станка 482
— силовой 134
температурный 334
управления 484*
шпиндельный — см. Шпиндельный узел
Универсальность — Понятие 19
Уплотнение — Способы 263
Управление цикловое 435
Упругая система станка — Понятие 361
— Расчетная схема 363, 364- '
Уравнения колебаний 366—368
Устройство арифметическое 496<
— вспомогательное 434*
загрузочное — см. Загрузочное устройство
— запоминающее 498, 499
— манипулирующее — см. Манипулирующее устройство
— микропереключений 255, 256
— микропроцессорное — Понятие 4, 485 — Назначение 535
— тяговое — Назначение 241 — Расчет 249
— управления 8
— формообразующее 433
— фотосчнтывающее 471
Участок автоматизированный — Назначение 124 — АСВ-10 124
— удаления стружки 126, 128
Ф
Факторный эксперимент дробный 391
— полный 390
Формообразование 436
Функция вспомогательная 456—458
— подготовительная 454—455
— целевая 175, 177, 183
X
Характеристики частотные 359
Хромирование 428
Ц
Цех автоматический — Назначение 129
Цикл автоматический 434
— «готовых форм» 544
— прямоугольный 434
— ремонтный 418
— стандартный 434
Циклограмма — Понятие 451
Ш
Шпиндель — Назначение 208—210Понятие 208 — Расчет 472
Шпиндельный узел — Быстроходность 211 — Главные размеры 225 — Динамические характеристики 228 — Долговечность 209 — Жесткость 225 — Конструкция 210 — Методы смазывания 211— Радиальное перемещение 225 — Точность 211
Шины связи — Понятие 501 —Структура 503
Шум — Понятие 406
Э
ЭВМ — Структура 453
Эксперимент факторный — см. Факторный эксперимент
Электропривод — Структурная схема 231
Эффект гидродинамический — Понятие 345
Эффективность — Понятие 12
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАНКАХ 6
Глава 1. Классификация станков (В. Э. Пуш) .6
Основные определения* 6
Классификация станков 8
Гл а в а 2. Технико-экономические показатели станков (В. Э. Пуш) . . .12
Эффективность.. 12
Производительндсть 13
Надежность 16
Гибкость 19
§ 5,Точность 21
Глава 3. Формообразование на станках (А. К. Шульга) 24
Методы образования производящих линий 26
Образование поверхностей .27
Классификация движений в станках 29
Кинематическая группа ..30
Кинематическая структура станков 33
Кинематическая настройка станков 35
Глава 4. Кинематика станков (А. К. Шульга) 42
Резьбообрабатываюшие станки 42
Зубообрабатывающие станки для нарезания цилиндрических колес 46
Зубошлифовальные станки для нарезания цилиндрических колес 53
Зуборезные станки для нарезания конических колес . . .56
Глава 5. Станки для обработки тел вращения (А. А. Гаврюшин) ...63
Устройство токарных станков 63
Наиболее распространенные токарные станки 73
Глава 6. Станки для обработки призматических деталей (А. А. Гаврюшин) .. . . ^ 78
Фрезерные станки 78
Многооперационные станки 90
Глава 7. Станки для абразивной обработки (А. А. Гаврюшин) . . . .104
Круглошлифовальные станки 104
Плоскошлифовальные станки 114
Глава 8. Ставочные модули и гибкие станочные системы (А. А. Гаврюшин) 117
Станочные модули 117
Гибкие станочныесистемы 120
Автоматизированныеучастки 124
Глава 9. Автоматические линии (Ю. В. Копыленко) .129
Основные понятия и определения 129
Автоматические линии для обработки корпусных деталей 131
Автоматическиелиниидляобработкидеталей типа тел
вращения 137
Переналаживаемыеавтоматическиелинии 141
Глава 10. Промышленные роботы к станкам (Ю. А» Павлов) .....147
Общая характеристика и классификация .......147
Роботизированные технологические комплексы . . * . .155
Промышленные роботы агрегатно-модульного типа . . .165
РАЗДЕЛ 2. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ. . .171
Глава 11. Процесс конструирования и его автоматизация (В. Э. Пуш, В. К. Старостин) 171
Этапы проектирования станков 171
Проектные критерии 174
Предпосылки автоматизации проектирования 177
Система автоматизированного проектирования 179
Оптимизация проектных решений 181
Глава 12. Проектирование привода главного движения стайка (А. А. Ка- койло) 191
Исходные данные 191
Привод со ступенчатым изменением скоростей 195
Привод с бесступенчатым регулированием скорости . . .202
Особенности проектирования и расчета главного привода 205
Глава 13. Шпиндельные узлы станков (А. А. Какойло) 208
Основные требования 208
Конструкция шпиндельного узла 210
Шпиндельные опоры качения . . . 213
Опоры скольжения для шпинделей 218
5. Расчет шпиндельных узлов 225
Глава 14. Привод подачи (О. П. Михайлов, В. Г. Беляев) 229
Выбор электродвигателя 229
Структурная схема электропривода 230
Динамика электромеханического привода 234
Тяговые устройства привода подач 241
Глава 15. Гидравлический привод станков (О. Н. Трифонов) 257
Общие сведения 257
Рабочая среда и уплотнения 258
Насосы и гидромоторы 262
Аппаратура управления 270
■ § 5, Выбор гидромотора 276
Регулирование скорости движения .. . .279
Расчет гидравлической системы станка 285
Глава 16. Манипуляторы (Ю. А. Павлов) 291
Манипуляторы для смены заготовок 291
Манипуляторы для смены инструментов 299
Проектирование и расчет манипуляторов 309
Глава 17. Базовые детали и направляющие (Ф. С. Сабиров) 319
Назначение базовых деталей и направляющих . . . .319
Конструктивные формы базовых деталей 320
Материал для базовых деталей 323
Расчет базовых деталей 325
Классификация направляющих 337
Направляющие скольжения 338
Направляющие качения 352
Глава 18. Расчет динамических характеристик станков (В. С. Хомяков) 357
Динамическая система стайка 357
2. Разработки расчетной схемы упругой системы станка 361
Составление дифференциальных уравнений динамики упругой системы 366
Расчет динамических характеристик шпиндельных узлов 372
Глава 19. Исследование и испытание станков (В. С. Хомяков). . . .376
Этапы экспериментального исследования 376
Выделение существенных факторов 383
Идентификация статических объектов 387
Идентификация динамических объектов 396
Испытания станкбв 402
Глава 20, Эксплуатация и ремонт станков (Ф. С. Сабиров) 411
Правила эксплуатации станков 411
Особенности эксплуатации автоматических линий . . . .413
Организация ремонта 416
Изнашивание деталей 420
Способы обнаружения дефектов и восстановления деталей 424
Модернизация станков 432
РАЗДЕЛ 3. УПРАВЛЕНИЕ СТАНКАМИ 433
Глава 21. Задачи управления. Кодирование информации (К). Е. Михеев) 433
Основные понятия 433
Задачи управления станками 437
Программоносители. Преобразование и кодирование информации 447
Особенности систем управления механического типа . . .450
Числовое программное управление 452
Глава 22. Аппаратные системы числового программного управления (В. Н. Шурков) 461
Подготовка управляющих программ 461
Узлы аппаратных систем 471
Глава 23. Структуры и устройства числового программен) микропроцессорного управления (В. Л. Сосоикии) 485
Основные определения w 485
Структуры микропроцессорного управления 486
Примеры структурных решений микропроцессорного управления 490
Аппаратная основа микропроцессорных устройств ЧПУ 495
Передача информации в микроЭВМ системы управления -' 501
Системы команд микропроцессора 505
Глава 24. Системное математическое обеспечение числового микропроцессорного управления (В. Л. Сосонкии) 506
Назначение системного обеспечения устройств управления 506
Технологические операционные системы........507
Исполнительные операционные системы........510
Операционная система реального времени 512
Представление об устройстве ЧПУ как виртуальной вычислительной машине 514
Глава 25. Стратегия организации математического обеспечения ЧПУ (В. Л. Сосоикин) 520
Содержание проблемы математического обеспечения . . .520
Выделение процессов реальноговремени 520
Структуризация математического обеспечения ЧПУ . . .524
Организация базы данных ЧПУ 526
Использование в проекте математического обеспечения принципов построения однородных вычислительных сетей528
Применение аппарата трансляции к разработке математического обеспечения ЧПУ 530
Глава 26. Функциональные возможности микропроцессорных устройств ЧПУ (В. Л. Сосонкин) 535
Варианты устройств ЧПУ с позиций функциональных возможностей 535
Влияние #особенностей объекта иа систему управления 538
Языковый уровень управляющих программ микропроцессорныхсистем управления 541
Адаптация систем управления к объекту (станку) и потребителю 554
Список литературы 5^2
Предметный указатель ^' . ^ ^564
4. Формула настройки гитары деления <дел. Гитара деления
6 = Ц1 + -^)-|-бв^-(13-5)
ББК 34.63-5 М54
/ 7 С/ 7 СУДК 621.9.06(075)
/ 7 С
/ 7 С
В. Э. Пуш д-р техн, наук, В. Г. Беляев д-р техн, наук, А. А. Гаврюшин канд. техн, наук, А. А. Какойло канд. техн, наук, К). В. Копыленко канд. техн, наук, Ю. Е. Михеев, О. П. Михайлов д-р техн, наук, Ю. А. Павлов канд. техн, наук, Ф. С. Сабиров канд. техн, наук, В. Л. Сосонкин д-р техн, наук, В. К. Старостин канд. техн, наук, О. Н. Трифонов д-р техн, наук, В. С. Хомяков канд. техн, наук, А. К. Шульга, канд. техн, наук, В. Н. Шурков канд. техн, наук
Рецензенты: кафедра «Металлорежущие станки н автоматы механосборочного производства» МВТУ им. Н. Э. Баумана н канд. техи. наук Н. А. Кочииев
Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных М54 втузов/Под ред. В. Э. Пуша. —М.: Машиностроение, 1985. — 256 с., ил.
(В пер).: 1 р. 9 0 к.
Приведены общие сведения о металлорежущих станках, классификация станочного оборудования, технико-экономические показатели и технические характеристики станков, отмечены особенности отдельных разновидностей станочного оборудования. Изложены основы проектирования станков и важнейших станочных узлов с применением средств автоматизации конструирования.
2703000000-215038(01)-862703000000-215038(01)-86215-86215-8673 73 5^^iXilht.--73 73 5^^iXilht.--ББК 34.63-56П4.6.08ББК 34.63-56П4.6.08© Издательство «Машиностроение», 1986 г.© Издательство «Машиностроение», 1986 г.•*. К. А. - ТАРАСОВ*•*. К. А. - ТАРАСОВ*
2703000000-215038(01)-86
2703000000-215038(01)-86
215-86
215-86
73 73 5^^
iXilht.--
73 73 5^^
iXilht.--
ББК 34.63-5
6П4.6.08
ББК 34.63-5
6П4.6.08
© Издательство «Машиностроение», 1986 г.
© Издательство «Машиностроение», 1986 г.
•*. К. А. - ТАРАСОВ*
•*. К. А. - ТАРАСОВ*