книги из ГПНТБ / Корытин, А. М. Оптимизация управления металлорежущими станками

При ступенчатом изменении частоты вращения шпинделя, путем автоматического переключения на ходу коробки скоро­ стей, повышение производительности зависит от начального и конечного радиуса обработки и от знаменателя ряда ср чисел оборотов коробки скоростей. Относительное сокращение машин­ ного времени при торцовой обработке

Теоретически максимально возможное сокращение машин­ ного времени при обработке с постоянной скоростью резания по сравнению с машинным временем при постоянной частоте вра­ щения шпинделя составляет 50%• На практике наиболее целе­ сообразный с точки зрения повышения производительности диапазон регулирования составляет 3—4 для обработки сфери­ ческих поверхностей и 6—10 для обработки торцовых и кони­ ческих поверхностей. Дальнейшее увеличение диапазона регу­ лирования не приводит к существенному сокращению времени обработки. Другим ценным свойством систем ССР является улучшение качества обработанной поверхности, что особенно важно при чистовой обработке.

Снижение скорости резания при уменьшении диаметра обра­ ботки приводит к увеличению высоты микронеровностей поверх­ ности. При этом увеличивается величина нароста, который не разрушается при дальнейшей обработке вследствие низкой тем­ пературы, уменьшения объема и изменения характера сходя­ щей стружки. Экспериментальные исследования [21] показы­ вают, что при обработке на токарном станке особо высокой точ­ ности диска диаметром 300 мм из стали 40Х с начальной ско­ ростью резания 300 м/мин резцом с напайкой из сплава Т15К6 при глубине резания 0,5—1,5 мм и подаче 0,02 мм/'об высота микронеровностей поверхности возрастает с уменьшением диа­ метра обработки от 0,5 до 1,7 мкм. При обработке этой же де­ тали и поддержании постоянной скорости резания при измене­ нии диаметра обработки от 300 до 40 мм высота микронеров­ ностей поверхности колеблется в пределах 0,47--0,57 мкм.

Последний результат приблизительно совпадает с данными, приведенными в книге [49], где указано, что при обработке керамическим резцом диска с наибольшим и наименьшим диа­ метрами 510 и 25,5* мм соответственно, глубине резания 0,38 мм, подаче 0,152 мм/об, постоянной скорости резания 142 м/мин высота микронеровностей на 94% обработанной поверхности не превышала 0,41 мкм при диапазоне регулирования 10: 1. При обработке той же детали с постоянной частотой вращения шпин­ деля возникала необходимость применения резцов с напайкой из твердого сплава, а высота микронеровностей увеличивалась

* Здесь и далее английские меры переведены в метрические.

62

от периферии диска к центру от 1,6 до 6,3 мкм. Таким образом, для обеспечения высокой чистоты обрабатываемой поверхности

позволяет повысить чистоту поверхности на полтора-два класса. Аналогичное влияние оказывает поддержание постоянства ско­ рости резания на стойкость инструмента, которая может быть увеличена в 2 раза [55].

Перечисленные выше преимущества, которые дает система ССР, обусловили ее внедрение в ряд станков как в отечествен­ ной промышленности, так и за рубежом.

Токарно-карусельные двухстоечные уникальные станки

1А591, 1А592, 1А594, 1А596, КУ-152 и КУ-153 имеют специальное электромеханическое устройство, позволяющее автоматически поддерживать постоянство скорости резания при торцовом обтачи­ вании, их изготавливает Коломенский завод тяжелого станко­ строения. Привод вращения планшайбы выполнен на постоян­ ном токе по системе Г—Д с электромашинным управлением. Мощность двигателей привода планшайбы указанных станков лежит в пределах 100—160 кВт, диапазон регулирования двига­ телей 1:20, общий диапазон регулирования оборотов план­ шайбы 1 : 100.

На лоботокарном станке PFE фирмы Max Muller (ФРГ) установлен выполненный фирмой AEG электропривод план­ шайбы с питанием двигателя постоянного тока мощностью 18 кВт от сети переменного тока через выпрямители. Изменение частоты вращения в диапазоне 1 :3,5 путем изменения напря­ жения в цепи якоря и в диапазоне 1 :3 путем ослабления поля двигателя осуществляется с помощью магнитных усилителей. Привод предусматривает поддержание постоянной скорости ре­ зания, для чего движок задающего регулятора автоматически поворачивается при поперечном перемещении суппорта. На то­ карном станке фирмы Nemburg (ФРГ) установлен комплектный ионный привод, изготовленный фирмой Filips (Голландия), обес­ печивающий торцовую обработку с постоянной скоростью реза­ ния. Мощность электродвигателя главного привода 11 кВт, диапазон изменения скорости вращения шпинделя 1: 150, регу­ лирование полем при этом осуществляется в диапазоне 1 : 3. Наряду с перечисленными видами электроприводов в системах ды, которые обеспечивают точность регулирования 3—5% при диапазоне изменения скорости 200—300 и 5—10% при диаССР. Специфическим вопросом является получение сигнала отпазоне изменения скорости 1000—2000.

Ниже рассмотрены некоторые примеры реализации систем ССР. Специфическим вопросом является получение сигнала от­ рицательной обратной связи по скорости резания, который дол­ жен обеспечить гиперболическую зависимость между частотой вращения шпинделя и текущим диаметром обработки. Линейное

63

изменение частоты вращения шпинделя в функции диаметра обработки дает значительные отклонения от требуемой часто­ ты вращения. Так, при изменении диаметра в диапазоне 1:4 наибольшее отклонение частоты вращения шпинделя от необхо­ димой для систем ССР составляет 56%. При линейной зависи­ мости сигнала обратной связи по скорости резания от диаметра обработки регулирование частоты вращения может осуществ­ ляться ослаблением поля двигателя постоянного тока. При этом обеспечивается приближенная гиперболическая зависимость частоты вращения от диаметра обработки.

Рис. 21. Схемы узлов обратной связи по скорости резания-.

а — с тахогенератором; б — с тахометрическим мостом; в — с функциональным преобразователем; г — с индуктивным дат­ чиком

Более точная гиперболическая зависимость между частотой Еращения шпинделя и текущим диаметром может быть получе­ на с помощью тахогенератора и потенциометрической схемы [49]. Для этого (рис. 21, а) движок следящего потенциометра R c механически связан с суппортом станка. Потенциометр подключен к тахогенератору привода шпинделя 7Т и с него снимается напряжение обратной связи по скорости резания. На релейный управляющий элемент системы ССР поступает напря­ жение А У, равное разности между задающим напряжением и напряжением обратной связи. Схема получения сигнала обрат­ ной связи по скорости резания, основанная на применении тахометрического моста, показана на рис. 21,6. В схеме использо­ ваны положительная обратная связь по току и отрицательная ■связь по напряжению, дающие возможность выявить сигнал, пропорциональный э. д. с. двигателя.

Сигнал, пропорциональный скорости резания, может быть получен с помощью диодного функционального преобразователя (рис. 21, в). При этом с изменением диаметра обработки изме-

€4

няется напряжение, поступающее на преобразователь со следя­ щего потенциометра Rc, отпираются диодные ячейки Д 1 — Д п и при соответствующей настройке схемы ток в нагрузке начинает изменяться по закону аппроксимированной гиперболы; Одесским СКВ специальных станков для лоботокарного станка МК-475 разработано устройство обратной связи по скорости резания, содержащее индуктивный датчик, включенный в дифференциаль­ ную мостовую схему (рис. 21, а). Воздействие на индуктивный датчик ИД осуществляется с помощью профилированной линей­ ки. Профиль линейки строится на готовом станке методом под­ бора, что позволяет компенсировать нелинейности системы ре­ гулирования (усилителя, двигателя, самого датчика и др.). Разработано также задающее устройство для системы ССР, в котором применен функциональный индуктивный датчик, кине­ матически связанный с суппортом станка.

Применение статических преобразователей в металлорежу­ щих станках для поддержания постоянной скорости резания может быть рассмотрено на примере станка МК-475. Полупро­ водниковый выпрямитель (рис. 22), собранный по трехфазной мостовой схеме, питает электродвигатель постоянного тока Д (П-51, 6 кВт, 110 В, 1500 об/мин) привода вращения шпинделя. Регулирование скорости двигателя Д осуществляется в дкапа зоне 1:10 путем ступенчатого изменения напряжения якоря к плавного изменения потока возбуждения. Регулирование скоро­ сти резания при торцовой обработке осуществляется следящей системой, содержащей индуктивный датчик ИД1, включенный по дифференциальной мостовой схеме. Команда в функции пути для перехода с низшей’ ступени напряжения на высшую и обрат­ но подается вторым индуктивным датчиком ИД2. При этом кон­ такты реле РП производят коммутацию сопротивления R26 и R27 для поддержания постоянного уровня сигнала обратной связи при переходе с одного напряжения па другое. Закон регу­ лирования для каждого датчика задается общей профилирован­ ной линейкой. Питание датчиков осуществляется от стабилиза­

ходной магнитный усилитель МУ подается на обмотку возбуж­ дения двигателя ОВД.

На входе промежуточного усилителя с задающим сигналом алгебраически суммируется сигнал обратной связи по скорости, снимаемый с тахогенератора ТГ. Для ограничения тока якоря двигателя Д при перегрузках и увеличения его момента при этом в схеме применена нелинейная обратная положительная связь по току, выполненная на триггере (транзисторы Т1 и Т2), выход которого подключен к обмотке управления магнитного усилителя МУ. Пуск двигателя Д осуществляется в одну сту­ пень контактором У в функции э. д. с. и тока с помощью диф-

ференциального реле с двумя обмотками ДР и ДУ. При отклю­ чении напряжения питания реле РТ контролирует динамическое торможение двигателя в функции его э. д. с. При переходе дви­ гателя с большей на меньшую скорость за счет увеличения потока возбуждения под действием задающего сигнала возра­ стает э. д. с. двигателя и становится больше напряжение источ­ ника постоянного тока. Срабатывает реле РР и включает тор­ мозной контактор Т. Начинается динамическое торможение,

Рис. 22. Схема автоматического регулирования привода главного движения токарного станка

протекающее до тех пор, пока не снизятся скорость и э. д. с. двигателя. Описанная система была исследована на токарном

регулирования описанная система ССР обеспечивает экономию 45% машинного времени.

Системы ССР на шлифовальных станках служат для по­ вышения производительности резания и качества обработанной поверхности, а, также для увеличения стойкости шлифовальных кругов. Стабилизация скорости шлифования осуществляется

66

увеличением частоты вращения шпинделя пш по мере уменьше­ ния диаметра круга D при размерном износе

Построение системы стабилизации скорости шлифования мо­ жет быть выполнено на базе частотно-регулируемых асинхрон­ ных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и тиристор­

цепи возбуждения. Комплектные приводы серии ПКВ в рас­ сматриваемой модификации разработаны на мощности от 6 до 14 кВт и включают силовой трансформатор Тр1, трехфазный мостовой выпрямитель ВК, аппаратуру управления и автома­ тический регулятор возбуждения. С помощью задающего сель­ сина ЗС, механически связанного с поперечным суппортом станка, формируется управляющий сигнал. Выход сельсина подключен к фазочувствительному выпрямителю ФЧВ. Для получения линейной зависимости между выходным напряжени­ ем сельсина и диаметром шлифовального круга используется поворот сельсина от 150 до 270° с изменением фазы при 180°.

3* 67

В практике применяют статические преобразователи мощ­ ности которые за счет упрощения схемы и повышения ее на­ дежности позволяют получать электрический сигнал, пропор­ циональный активной мощности в определенном диапазоне из­ мерений. Одна из таких схем [35] показана на рис. 24, б. Выходное напряжение схемы равно векторной сумме падений напряжений на сопротивлении RT, включенном в цепь вторичной

Рис. 24. Принципиальные схемы датчиков нагрузки

обмотки трансформатора тока, и на сопротивлении RH, вклю­ ченном на фазное напряжение двигателя АД.

Более точное определение мощности дают статические пре­ образователи, построенные на использовании нелинейных эле­ ментов (варисторов, дросселей насыщения, подогревных сопро­

тивлений и др.).

На рис. 24, в показана схема датчика мощности [5] с квад­ ратичными преобразователями в виде дросселей насыщения ДН1 и ДН2. .Малая выходная мощность, а также необходимость в дросселях насыщения с квадратичной зависимостью между выходным и входным напряжениями являются недостатками преобразователя. В тех случаях,, когда требуется более точная стабилизация мощности привода, может найти применение [8] схема точного перемножения сигналов (рис. 25, а ). В этой схеме сигнал, пропорциональный напряжению, снимается со вторичной обмотки с выводом средней точки трансформатора ТН\ сигнал, пропорциональный току, через согласующий трансформатор ТС1 подается на сопротивление Rт. На выходе фазочувствительной

69

схемы, построенной на трансформаторах ТС2 и ТСЗ и полупро­ водниковых вентилях IB, 2В, действуют напряжения:

«1 — {k1 uH-j- uT),

11% HT).

Функциональные преобразователи, собранные на диодах, сопротивлениях 1R—8 R и низкоомпых делителях напряжения

Рис. 25. Схемы контроля активной мощности

1/?д, 2/?д, обладают квадратичными вольт-амперными характе­ ристиками поэтому силы токов в плечах схемы

I\ = fejUj, /2 = ^2^2’

Сила тока, протекающего через нагрузку — обмотку реле Р, пропорциональна

/вы* = /1 — /2 = 4fejft2uHwT = 4/г1/'г2ынытсоз ф,

70