книги из ГПНТБ / Адаптивное управление металлорежущими станками

помощи подшипников качения с предварительным натягом. Недо­ статкиконструкции состоят в низкой долговечности и сложности защиты зоны измерения.

Более надежное решение используется в шпиндельных узлах, централизованно выпускаемых фирмой Setco Industries Inc. (США) для фрезерных станков с адаптивным управлением и ис­ пользуемых в станке фирмы Turehan Hydro-Mill (США) [52]. Со­ ставляющие силы по осям X и У (в плоскости стола) и осевая си­ ла измеряются с помощью бесконтактных магнитных датчиков.

Рис. 50. Схема устройства для измерения момента и осевых усилий на шпинделе фрезерного станка:

/ — заж имное кольцо; 2 — токосъем; 3 — изоляционная втулка; 4 — шпиндель; 5 — датчик осевых усилий; 6 — датчик момента

расположенных в корпусе, прикрепленном к переднему фланцу корпуса бабки. Радиальные силы определяются путем измерения деформаций шпинделя в сечении основной плоскости конуса для крепления инструмента. К шейке шпинделя, по которой осуществ­ ляется измерение, предъявляются высокие требования по некруг­ лости (не более 0,25 мкм). По рекламным данным, датчики обес­ печивают разрешающую способность лучше 0,25 мкм при общей величине перемещения 0,05 мм (т. е. 0,5%) и. высокую величину выходного сигнала. Значительные трудности при осуществлении такого метода измерений состоят в защите зоны измерения от по­ падания стружки. В описанной конструкции с этой целью, помимо защитного кожуха, используется подача масляного тумана в зону измерений.

Имеются данные, что аналогичный метод измерения сил реза­ ния применяется в адаптивной системе управления фрезерным станком Acramizer [61], в которой в качестве преобразователей ис­ пользуются индуктивные датчики.

В расточном станке фирмы Sperry Giroscope Со. (Канада) [57] измерение усилий при резании производится с целью повышения точности и производительности обработки. Как показано на схеме (рис. 51), измерение при обработке детали 1 осуществляется с помощью полупроводниковых тензодатчиков 2, наклеенных внутри

Рис. 51. Схема измерений силы резания при рас­ точке с устройством для компенсации деформации борштанги:

/ — деталь; 2 — тензодатчик; 3 — пьезокристалл; 4 —по­ датливый фланец; 5 — борштанга; 6 —резец

борштанги 5, выполненной в виде полого конуса с толщиной стен­ ки 1,3 мм. Управление положением инструмента производится с помощью пьезокристаллов 3, соединяющих борштангу со шпинде­ лем. Сигнал от тензодатчиков, воздействуя на кристалл, приводит к деформации фланца 4 относительно оси, лежащей в плоскости вершины инструмента 6. Отмечается, что коррекция положения ин­ струмента осуществляется не позже, чем через 6° поворота бор­ штанги. Преимущества этой системы состоят в сочетании измери­ тельного и исполнительного элементов в одной детали, что устра­ няет необходимость применения токосъемных устройств. Этот метод возможен при сравнительно небольших силах резания, когда не требуется дополнительных усилителей и исполнительный механизм имеет -малые габариты. При размещении измерительных средств внутри борштанги удачно решается проблема защиты.

Измерение составляющих силы резания путем определения ре­ акций в подшипниках шпиндельного узла позволяет частично устранить трудности, связанные с защитой измерительных средств. Однако в ряде случаев усугубляются трудности, связанные с выбо­ ром преобразователей, особенно, если шпиндель установлен на подшипниках качения, как это имеет место в подавляющем боль­ шинстве металлорежущих станков. Для таких подшипников опи­ сано только одно решение, предложенное фирмой SKF (Швеция).

[50]. Малогабаритные тензодатчики установлены между внутренним кольцом подшипника и шпинделем (рис. 52) или между наружным кольцом и корпусом. В обоих вариантах все трудности, связанные с использованием тензореаисторов, усугубляются малыми габари­ тами, труднодоступностью зоны наклейки, сложностью обработки сигнала в связи с необходимостью выделения полезного сигнала из шумов, создаваемых телами качения, а также необходимостью то­ косъемных устройств (при установке датчика на внутреннем кольце).

Более просто может быть осуществлено измерение реакций в опорах при применении гидростатических подшипников с исполь­ зованием в качестве преобразователей датчиков давления. Этот метод позволяет осуществлять измерение практически без искаже­ ний статических и динамических характеристик шпиндельного узла и отличается простотой размещения датчиков. Его применение ог­ раничено небольшим распространением гидростатических опор в станках, а также сравнительно невысоким быстродействием, обу­ словленным значительным демпфированием.

В настоящее время этот метод измерения составляющих силы резания при решении некоторых задач адаптивного управления используется в нескольких моделях шлифовальных станков, где применение гидростатических подшипников, позволяющих одновре­ менно повысить точность обработки, наиболее перспективно.

Вшлифовальных станках фирмы Brown and Sharpe (США)

[62]измерение реакций в гидростатических подшипниках исполь­ зуется для управления дисбалансом шлифовального круга и опре­ деления момента касания инструмента с деталью.

Схема конструкции шпинделя с гидростатическими подшипни­ ками, используемой в круглошлифовальном станке с ЧПУ фирмы Toyoda (Япония), в котором осуществляется адаптивное управле­ ние процессом резания, обеспечивающее получение изделий с за­ данной чистотой поверхности при максимальной производительнос­ ти процесса, показана на рис. 53 [53]. В системе осуществляется

Рис. 53. Схема шпинделя на гидростатических подшипниках круглошлифо­ вального станка с системой ЧПУ фирмы Toyoda (Япония):

1— регулятор расхода с приводом от шагового двигателя; 2 — несущие карманы для измерения силы резания; 3 —опора для тонкой подачи; 4 —шкив; 5 — система ЦПУ

стабилизация силы резания, величина которой определяется по давлению в карманах 2 подшипника, измеряемому малогабарит­ ными полупроводниковыми датчиками давления. Интересно отме­ тить, что для повышения точности измерений, устранения влияния натяжения ремня на реакции в опорах приводной шкив 4 выпол­ нен разгруженным.

Особенностью описываемой конструкции является использова­ ние дополнительных гидростатических опор 3 для тонкой подачи, переход на которую определяется датчиком активного контроля; управление давлением для осуществления подачи производится с помощью шагового двигателя и соединенного с ним регулятора

расхода /. Скорость тонкой подачи может изменяться от 0,005 до 0,150 мм/мин при максимально возможном перемещении 0,005 мм.

Метод измерения составляющих силы резания «а шпинделе станка позволяет обеспечить высокую точность измерений, которая по существу определяется точностью измерительных преобразова­ телей, так как влияние погрешностей холостого хода минимально за счет того, что измерение производится в непосредственной бли­ зости от зоны резания. В зависимости от расположения и исполне­ ния приводных деталей, устанавливаемых на шпинделе, могут иметь место дополнительные погрешности, которые полностью устраняются при использовании разгруженных конструкций шки­ вов, зубчатых колес и пр. Такое решение является желательным тогда, когда измерение производится только на одной передней опоре или когда приводные детали расположены между опорами. При расположении приводных деталей'на задней консоли шпинде­ ля их влияние на реакции в передней опоре невелико и может быть оценено расчетным путем.

Метод измерения составляющих силы резания на шпинделе в большинстве случаев ограничен видами резания с постоянным плечом обработки. Это ограничение может быть снято при измере­ нии реакций в двух опорах или деформаций шпинделя в двух се­ чениях, которое позволяет получить информацию не только о ве­ личине силы, но и о плече обработки. При этом необходима раз­ грузка приводных деталей независимо от места их расположения. Кроме того, к измерительным устройствам, располагаемым у зад­ ней опоры, предъявляются повышенные требования по чувстви­ тельности, так как реакции, соответствующие изменению условий резания, изменяются у задней опоры в значительно меньшей сте­ пени, чем у передней.

В некоторых конструкциях измерение производят в узлах, .уда­ ленных от зоны резания, в основном в механизмах подач. При на­ личии гидроцилиндров подачи определять осевую или радиальную составляющие можно с помощью датчиков давления, включенных либо в одну, либо в обе полости цилиндра (дифференциальный датчик). Если система регулирования чисто гидравлическая, дат­ чики давления могут быть выполнены в виде соответствующего ре­ гулятора, изменяющего расход масла в цилиндре подачи. Так, на­ пример, построены системы регулирования подачи отрезного круг­ лопильного автомата модели 8В66АСАУ и одна из систем к гидро­ копировальным токарным станкам станкозавода им. Серго Орджо­ никидзе.

Часто в качестве измерительного элемента выбирают винт ме­ ханизма подачи. Невысокая жесткость узла позволяет в этом слу­ чае использовать широкую номенклатуру измерительных средств, а удаленность от зоны резания создает более стабильные условия измерений (например, температурные), упрощает защиту и дает возможность более простой (без существенных переделок станка) встройки датчиков. Однако в станках с программным управлением

к жесткости механизмов подачи предъявляются повышенные тре­ бования и вследствие этого преимущества, обусловленные исполь­ зованием простых измерительных средств с невысокой чувствитель­ ностью, становятся незначительными. Существенным недостатком измерений составляющих силы резания в механизмах подач яв­ ляется низкая точность измерений, связанная с наличием между зоной резания и измерительными средствами узлов (в основном направляющих), в которых потеря информации о силовых пара­ метрах процесса резания может быть значительной. Например, в токарных станках измерение сил Рх и Ру может осуществляться на гайках винтов продольной и поперечной подач. При этом наря­ ду с величинами указанных сил резания датчики, установленные на гайках, будут регистрировать также силы трения в направляю­ щих. Точность измерения составляющих сил резания будет зави­ сеть как от абсолютной величины, так и от стабильности силы тре­ ния, обусловленной величиной коэффициента трения и действую­ щими на направляющие нормальными усилиями (в данном случае силой Р г). Нестабильность силы трения может быть уменьшена за счет использования современных конструкций направляющих качения или гидростатических направляющих и фильтрацией высо­ кочастотных пульсаций силы трения. Однако в рассматриваемых узлах сила трения может иметь существенные, по сравнению с из­ меряемыми усилиями, значения. Это связано с тем, что сила Pz в несколько раз. моя{ет превышать силы Рх и Р ѵ. В современных конструкциях направляющих качения коэффициент трения имеет значения порядка 0,01. Учитывая изменения коэффициента трения в зависимости от скоростного режима и погрешности самих изме­ рительных преобразователей, можно предположить, что погрешнос­ ти измерений будут не меньше 10%. В узлах с направляющими смешанного трения погрешности будут еще больше и необходимы специальные схемные решения для их устранения. В результате схемы измерений иконструкция измерительных устройств могут ока­ заться не проще, чем в описанных ранее примерах. Подобные ме­ тоды измерения находят применение в основном для решения частных задач адйптивного управления, например, для защиты ме­ ханизма подач от поломок, определения момента касания инстру­ мента и детали, предохранения от перегрузок и пр.

В качестве примера может быть приведена конструкция вер­ тикально-сверлильного станка фирмы Asquith (Англия), в котором

используются гидростатические направляющие и гидростатические опоры винта подачи. Давление смазки в последних используется для определения' момента касания инструмента с деталью и опре­ деления предельной нагрузки. Следует отметить, что применение

гидростатических направляющих позволяет существенно повысить точность измерений, так как сила трения в них очень мала и прак­ тически не зависит от скорости, приложенных усилий и других факторов.

Методы измерения момента силы резания. Момент силы резания при обработке вращающимся инструментом (сверление, фрезеро­ вание) является основным силовым параметром, определяющим эффективность обработки. Однако в станках с адаптивным управ­ лением датчики момента находят применение и при токарных и при расточных работах. Их использование в этих случаях оправда­ но тем, что, несмотря на трудности пересчета момента в мощность или в тангенциальную составляющую силы реЗания, удается обес­ печить высокую точность и быстродействие измерений при сравни­ тельно простом конструктивном решении.

Требования, предъявляемые к устройствам для измерения мо­ мента, аналогичны требованиям, предъявляемым к устройствам для измерения силы резания. Наилучшим методом, как и при из­ мерении сил, является измерение в непосредственной близости от зоны резания. Возможны два основных варианта: измерение мо­ мента на вращающемся шпинделе при креплении в нем детали или инструмента или измерение в приспособлении для крепления де­ тали, совершающей поступательное движение. Во втором случае устройство для измерения момента отличается от устройства для измерения сил (см. рис. 47) только расположением чувствительных элементов, т. е. момент по существу определяется как одна из со­ ставляющих силы резания, действующая на определенном плече. Примером такой конструкции служит динамометрическая резцедержка ВНИИ, упомянутая ранее. В динамометрическом столике ЭНИМСа для фрезерного станка используется несколько иной ме­ тод. Момент определяется путем пересчета в системе управления измеренных составляющих силы резания. Этот метод имеет невы­ сокую точность, зависящую от точности расчетных соотношений между составляющими силы резания и моментом. Основным мето­ дом измерения крутящего момента в адаптивных системах являет­ ся измерение на вращающихся валах, в первую очередь на шпин­ деле. Измерение на шпинделе в непосредственной близости от зо­ ны резания позволяет обеспечить высокую точность и быстродей­ ствие, определяемые в основном параметрами измерительного устройства и практически не зависящие от характеристик механиз­ мов станка. Измерение момента на промежуточных валах коробок скоростей уменьшает эти преимущества, так как при этом резуль­ таты зависят от потерь в механизмах станка.

Измерение момента силы резания на шпинделе станка наряду с указанными ранее особенностями измерения составляющих сил сопряжено с некоторыми трудностями, связанными с низким уров­ нем напряжений и деформаций, обусловленным высокой крутиль­ ной жесткостью шпинделя, с необходимостью передачи информа­ ции с вращающегося вала, а также с высокими требованиями к конструкции шпиндельного узла в целях обеспечения точности, виброустойчивости, долговечности.

Низкий уровень напряжений и деформаций в шпинделях опре­ деляется непосредственным влиянием жесткостных характеристик

шпинделя на выходные параметры станка — точность и производи­ тельность. При проектировании станков основное внимание уделя­ ют нагибной жесткости шпинделя, для повышения которой в со­ временных станках увеличивают диаметры шпинделей, что одно­ временно приводит к повышению крутильной жесткости. Анализ конструкций шпиндельных узлов некоторых моделей токарных и фрезерных станков с ЧПУ показал, что касательные напряжения при максимальном крутящем моменте достигают 0,8—1,0 кгс/мм2,

что в прокатных станах, где результаты измерения крутящего мо­ мента используются для управления технологическим процессом, максимальные касательные напряжения достигают 5—6 кгс/мм2 [44]. Кроме того, на современных станках диапазон изменения момента при разных режимах резания и разных операциях достигает 500:1, что значительно усложняет создание датчиков крутящего момента, разрешающая способность которых должна составлять доли про­ цента.

Для передачи информации с вращающегося вала используются токосъемные устройства контактного и бесконтактного типа [49]. Первые отличаются сравнительно простой конструкцией, однако имеют ограничения по долговечности, рабочим скоростям и требу­ ют значительного места для установки. Более перспективно приме­ нение бесконтактных токосъемов. В последнее время разработаны конструкции токосъемов к индуктивным датчикам и датчикам на основе тензорезисторов. В бесконтактных токосъемах использован принцип трансформаторной передачи сигнала или принцип радио­ связи с амплитудной или частотной модуляцией. Трансформатор­ ные токосъемы более просты в изготовлении и выполняются как составная часть датчика. Например, при рассмотрении конструк­ ций современных датчиков момента, работающих на индуктивном принципе с трансформаторным токосъемом, разделение конструк­ ции на измерительную и передающую оказывается весьма слож­ ным. Токосъемные устройства, использующие принцип радиосвязи с амплитудной модуляцией, имеют сильно изменяющийся коэффи­ циент передачи, что требует частой тарировки. Системы с частот­ ной модуляцией более стабильны, однако выбор несущей частоты сопряжен с рядом ограничений, обусловленных радиопомехами и расстоянием до приемного устройства.

Следует отметить, что токосъемное устройство является весьма ответственной частью измерительной .системы и оказывает непо­ средственное влияние на точность измерений. Вследствие этого в зарубежных станках используют токосъемы, которые изготавлива­ ются специализированными фирмами, например Phillips (Голлан­ дия), Höttinger (ФРГ).

Желательно, чтобы конструкция датчика не приводйла к ус­ ложнению технологии изготовления шпинделя. При выборе датчи­ ка следует также учитывать значительные габариты шпинделя,

длина которых в станках средних размеров достигает 1 м, а вес — сотни килограммов.

Из всех датчиков крутящего момента [49] наиболее пригодны­ ми для использования на шпинделях металлорежущих станков яв­ ляются датчики на основе тензорезисторов, индуктивного типа и магнитоупругие.

За рубежом широко применяются датчики с полупроводнико­ выми тензорезисторами и контактными токосъемами. Конкретные данные по этим датчикам отсутствуют, однако в каталогах отме­ чается, что датчики поставляются специализированными фирмами. Некоторое представление об установке датчиков может быть полу­ чено из патента фирмы Cincinnati Milling Machine Со. [55], схема установки датчиков показана на рис. 50. Тензорезисторы 6 для измерения момента наклеивают на втулку под углом 45° к обра­ зующей вала, т. е. в направлении действия главных касательных напряжений,'и соединяют в мост. Контактный токосъем выполнен в виде щеток, установленных во втулке из электроизоляционного материала, которая смонтирована на шпинделе на подшипниках качения. Описанная схема является классической. Ее преимущест­ ва и недостатки могут рассматриваться только по параметрам тен­ зорезисторов, усилительной аппаратуры и токосъемных устройств.

Интерес представляет конструкция шпиндельного -узла с тензо­ датчиками момента [56], показанная на рис. 54. Конструкция поз­ воляет производить измерение в широком диапазоне моментов за счет разбиения его на два поддиапазона с дистанционным авто­ матическим переключением. Чувствительным элементом измери­ тельного устройства является штифт 4, на котором наклеены тен­ зорезисторы 2. Штифт соединен с задним концом шпинделя 8 и

осуществляется гидроцилиндром с рабочими полостями 9, 12, 15 и поршнями 6 и 14. При включенных цангах эффективная длина со­ ответствует расстоянию между штифтами И и 13, при включенных цангах — расстоянию между торцами цанг. В описании отмечается, что для повышения точности измерений привод должен осущест­ вляться через разгруженную шестерню. Без учета характеристик измерительных преобразователей такая схема измерения представ­ ляется удачной. Уменьшение жесткости шпинделя, необходимое для ее осуществления, не должно существенно сказаться на выход­ ных характеристиках узла, так как ослабленным является конец шпинделя после задней опоры. Такая компоновка шпиндельного узла встречается в основном во фрезерных станках.

В отечественных станках широко распространен метод измере­ ния момента с помощью индуктивных преобразователей. Здесь

<D S

о

ce s B O)

eu

<D

S •

R 4 et

5 O

5*«

fl)

«Ч&

Я Й Н

ь a

>>. .

S* 3

I c

1s

* a

tr2 »я 3 J3 O POO.0

3: gg O

sQ3

eu

e

c3 S 03 X

U