Глава 6

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ УЗЛЫ ПРОГРАММНЫХ И СЛЕДЯЩИХ ГИДРОПРИВОДОВ

В станках с программным и адаптивным управлением, копировальными устройствами и электрогидравлическими следящими система­ми, а также в промышленных роботах приме­няются дросселирующие распределители, гид­роаппаратура с пропорциональным электро­управлением, электрогидравлические следящие приводы. Все эти устройства, по существу, -гидравлические усилители мощности, преобра­зующие входное механическое или электриче­ское воздействие в соответствующее переме­щение гидродвигателя с силой или моментом, достаточным для преодоления сил резания или других нагрузок на рабочем органе.

По виду управляющих сигналов различа­ют аналоговые и цифровые электрогидравличе­ские приводы. В первых обычно используется штатный сигнал постоянного тока (± 10 В), а во вторых - электрические импульсы, поступаю­щие на вход задающего устройства небольшой мощности. Современные средства микропро­цессорной техники управления позволяют вво­дить в электрогидравлические приводы (ЭГП) подачи или вспомогательных движений кор­ректирующие воздействия по скорости или ус­корению, что резко повышает их динамическое качество. Поскольку установка на станке до­полнительных датчиков сопряжена с усложне­нием привода и снижением его надежности, систему управления комплектуют так называе­мыми «наблюдателями» - электронными моде­лями ЭГП, которые получают информацию от путевого датчика обратной связи (ДОС) и вы­рабатывают адекватные сигналы скорости и ускорения. Электронные компоненты (ДОС, предусилители, интерфейс) могут располагать­ся непосредственно в корпусных деталях «ин теллектуальных» гидроаппаратов, образуя ме-хатронные узды высокой степени интеграции. Такое решение позволяет упростить трасси­ровку цепей управления, повысить помехоза­щищенность, открывает широкие возможности «припассовки» параметров привода под требо­вания комплектуемого оборудования.

Область применения дросселирующих гидрораспределителей, обладающих наилуч­шим комплексом статических и динамических характеристик, тем не менее ограничена высо­кими требованиями к чистоте рабочей жидко­сти, поэтому более широкое распространение получили аппараты с пропорциональным элек­троуправлением, которые могут работать в гидроприводах с тонкостью фильтрации 15...30 мкм. Пропорциональные гидроаппара­ты применяются, главным образом, в разомк­нутых системах дистанционного управления ввиду существенной нелинейности расходной характеристики и имеющихся трудностей в ре­гулировании малых расходов и давлений.

Поскольку надежность аналоговой серво-техники ограничивается низкой помехозащи­щенностью, дрейфом сигналов управления и отказами цифроаналоговых преобразователей, расширяется применение цифровых систем управления с использованием маломощных шаговых двигателей (ШД) в качестве задаю­щих устройств. В шаговых приводах с механи­ческой обратной связью ШД в процессе дви­жения рабочего органа постоянно вращается, причем максимальная скорость движения оп­ределяется линейной дискретой и максималь­ной частотой следования импульсов (при дис­крете 0,01 мм и частоте 16 кГц достигается скорость 9,6 м/мин, что явно недостаточно длясовременных высокопроизводительных стан­ков). В цифровых приводах с электрической обратной связью ШД поворачивается на опре­деленный угол, пропорциональный скорости движения, а максимальная скорость ограниче­на лишь допустимой частотой считывания ин­формации измерительной системой (при дис­крете 0,01 мм скорость может достигать 60 м/мин).

6.1. ДРОССЕЛИРУЮЩИЕ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛИ

Дросселирующие гидрораспределители (ДГР) - это регулирующие гидравлические ап­параты, изменяющие расход и направление по­тока рабочей жидкости в нескольких линиях одновременно в зависимости от внешнего управляющего воздействия, которое чаще все­го бывает электрическим или механическим.

В гидрокопировальной системе фрезер­ного станка (рис. 6.1) стол / с обрабатываемой деталью 2 и копиром 9 перемещается со скоро­стью задающей подачи ,s_3№ Золотник 7 дроссе­лирующего гидрораспределителя пружиной б прижат через ролик 8 к копиру 9, а корпус дросселирующего распределителя жестко свя­зан с кареткой 4, несущей инструмент 3. Ка­ретка перемещается цилиндром 5, шток кото­рого закреплен на станине станка. Четыре ра­бочие кромки золотника, частично перекрыва­ют кольцевые канавки корпуса, связанные с напорной и сливной линиями, а промежуточные полости распределителя соединены с полостя­ми цилиндра. При смещении золотника 7, на­пример, вверх, масло из напорной линии по­ступает в штоковую полость цилиндра, а его поршневая соединяется со сливной линией, в результате чего цилиндр вместе с кареткой и корпусом распределителя перемещаются вверх (следящая подача S_след) до тех пор, пока коль­цевые канавки корпуса не будут перекрыты кромками золотника. При смещении золотника вниз направление подачи S_след реверсируется.

В зависимости от соотношения осевых размеров поясков золотника и кольцевых кана­вок корпуса различают распределители с по­ложительным, отрицательным и нулевым пе­рекрытием. Первые (рис. 6.2, а) имеют повы­шенную зону нечувствительности, так как для открытия дросселирующих щелей необходимо предварительно сместить золотник на величи­ну осевого перекрытия х₀. Это значит, что в гидросистеме (см. рис. 6.1) смещение золотни­ка от среднего положения в пределах ± х₀ не вызовет соответствующего движения инстру­мента, т.е. ухудшится точность обработки. В распределителях с отрицательным перекрыти­ем (рис. 6.2, 6) имеют место значительные пе­ретечки масла из напорной линии в сливную, что приводит к потерям мощности, а в ряде случаев - к падению давления в гидросистеме при среднем положении золотника.

Оптимальными характеристиками обла­дают дросселирующие распределители с нуле­вым перекрытием (рис. 6.2, в), которое воз­можно лишь теоретически. Если рассмотреть геометрию рабочих кромок золотника и коль­цевых канавок в корпусе (место М), можно ви­деть, что даже при отсутствии осевого зазора между торцовыми поверхностями площадь проходного сечения щели не равна нулю из-за радиального зазора 5_р и «завала» r₃ и r_к рабочих кромок. Учитывая, что погрешности в геомет­рии и размерах, составляющие лишь несколько микрон, значительно влияют на проходное се­чение щелей, детали распределителей следует изготовлять с высокой точностью из закален­ных сталей во избежание быстрого изнашива­ния рабочих кромок при эксплуатации.

В однокаскадных ДГР с электроуправле­нием (рис. 6.3, а) электрический сигнал посту­пает на вход электронного усилителя, замкну­того по положению контура управления, что приводит к формированию тока в форме ШИМ для подачи на обмотки линейного двигателя /. Сигнал обратной связи по положению поступа-

Рис. 6.1. Схема гидравлической копировальной системы фрезерного станка

Рис. 6.2. Золотники дросселирующих гидрораспределителей с положительным (а), отрицательным (б)

и нулевым (в) перекрытиями

ет с датчика 2. Контур управления работает в режиме интегрирования рассогласования меж­ду сигналом управления и сигналом обратной связи, т.е. при наличии препятствий движению золотника 3 (например, частиц загрязнений) ток в обмотках линейного двигателя, а значит и перестановочная сила на золотнике возрастают до значения, необходимого для преодоления противодействия. Таким образом, обеспечива­ется высокая надежность срабатывания.

Двухкаскадные ДГР (рис. 6.3, 6) состоят из электромеханического преобразователя 8 и четырехкромочного золотника 4. Рабочая жид­кость в небольшом количестве из линии Р (или X) через фильтр 2 и демперы 1 подводится к соплам 10 и одновременно - к торцовым каме­рам 13 золотника, расположенного в гильзе 14 и закрытого крышками 3. Сигнал, поступаю­щий через штепсельный разъем 5 в обмотки 7, генерирует электромагнитное поле, вызываю­щее поворот якоря 6. Последний закреплен на гибкой трубке 12 и связан с заслонкой 9, пере­мещающейся между соплами 10. При смеще­нии заслонки, например вправо, возрастает давление в правом сопле и падает в левом, зо­лотник смещается влево, направляя соответст­вующий поток рабочей жидкости к гидродви­гателю. Смещение золотника прекращается, когда механически связанная с ним пружина / / обратной связи уравновесит момент от элек­тромагнитного поля, и заслонка возвратится в нейтральное положение. В аппаратах с внут­ренними линиями управления имеются огра­ничения по максимальному давлению р_t в ли­нии слива из-за ограниченной прочности труб­ки /2; при наличии независимых линий управ­ления эти ограничения снимаются (в диапазоне допустимых давлений управления).

В последние годы опережающее развитие получили ДГР с электрической обратной свя­зью (рис. 6.3, в), в которых пружина заменена электрическим датчиком обратной связи (ДОС). Такое решение обеспечивает гибкость

Рис. 6.3. Однокаскадный (а) и двухкаскадные (б-г) дросселирующие гидрораспределители

управления, позволяет существенно улучшить статические и динамические характеристики.

В ряде конструкций в качестве промежу­точного усилителя между каскадами применен элемент - струйная трубка (рис. 6.3, г), в кото­ром якорь электромеханического преобразова­теля вызывает угловое смещение струйной трубки 1 относительно приемных сопел 2, свя­занных с торцовыми камерами золотника 3. Аппараты способны работать в гидросистемах с меньшими требованиями к качеству очистки рабочей жидкости.

Для регулирования повышенных расхо­дов находят применение трехкаскадные моде­ли, в которых стандартный двухкаскадный ДГР изменяет давления в торцовых камерах золот­ника третьего каскада, перемещение которого контролируется электрическим ДОС. Расход рабочей жидкости Q через дрос­селирующие кромки распределителя пропор­ционален площади их проходного сечения и корню квадратному из перепада давлений Ар на кромке, при этом максимум отдаваемой мощности имеет место при Δр = р/3 (р - давле­ние на входе). Нормированными характеристи­ками ДГР являются:

1) статическая характеристика (рис. 6.4, а) - зависимость относительного расхода

Q ⁼ Q/Q_ном от относительного входного сигна­ла I= I/I_ном или U = U/U_HOM (/ - сила тока; U -напряжение; /_ном, t/_HOM и g_HOM - номинальные значения) при номинальном перепаде давлений на кромках;

Рис. 6.4. Нормированные характеристики дросселирующих гидрораспределителей:

а - статическая; б - механическая; в - нагрузочная; г - частотная амплитудно-фазовая

2. механическая характеристика (рис.6.4, б) — зависимость разности давлений в за герметизированных отводах к гидродвигателю(линиях А и В) от управляющего сигнала;нагрузочная характеристика (рис.6.4, в) - зависимостьотносительного расходаQ от относительного перепада давлений Δ р = = Δр/Δр_ном на кромке при различных значениях сигнала управления;4) частотная амплитудно-фазовая характе­ ристика (рис. 6.4, г) - зависимость относитель­ ной амплитуды А и отставания по фазе Дер сме­ щения золотника от напряжения входного сиг­ нала, изменяющегося по гармоническому зако­ ну с постоянной амплитудой (в пределах 10...

100 % номинального значения) и частотой f Дросселирующие гидрораспределители Г61-41 по ТУ2-053-1477-80 (рис. 6.5) ПК ЗАО «Завод Гидроавтоматики» (г. Санкт-Петер­бург), являющиеся аппаратами встраиваемого исполнения, применяются в системах с меха­ническим узлом сравнения заданного и отрабо­танного перемещений. Они состоят из четы-рехкромочного золотника 2 и гильзы 1. Гильза с золотником устанавливается в корпус ДГР, имеющий каналы для соединения крайних кольцевых канавок со сливной линией, сред­ней - с напорной, а двух промежуточных (свя­заны с полостями 3 и 4) - с гидродвигателем. Основные параметры аппаратов приведены в табл. 6.1.

Рис. 6.5. Конструкция и размеры дросселирующих гидрораспределителей Г61-41