книги из ГПНТБ / Кашепава М.Я. Современные отечественные и зарубежные координатно-расточные станки обзор

Электрические отсчетно-измерительные системы. Помимо уже известных и подробно описанных в литературе электрических от- счетно-нзмерительных систем с якорем в виде винта и проходным датчиком — индуктивной ганкой с якорем в виде прямоугольной рейки и электромагнитной головкой, а также с якорем в форме линейки с немагнитными вставками, в современных станках с ЧПУ получили распространение автоматические отсчетно-измери­ тельные системы (АОС). В них используются оптические дифрак­ ционные решетки, фотоэлектрические и электронно-оптические при­ боры, нндуктосины и резольверы. При рассмотрении АОС можно отметить наличие нескольких ступеней отсчета: «грубая» ступень

В системе грубого отсчета имеются сельсины. Ступень точного отсчета содержит металлическую штриховую меру с фоточувствп-

ренная передача 3, образующая в сочетании с блоком сельсинов 4 ступень грубого отсчета, по которой осуществляется ввод в зону миллиметра. Далее координата отсчптывается по металлической шкале 5 с миллиметровыми делениями с помощью соответствую­ щей оптической системы 6, фоточувствительной головки 7 и фото­ электрического датчика 8, основанного на использовании двух диф­ ракционных решеток, позволяющих получить цену импульса 0,001 мм.

Корпус датчика с подвижной решеткой жестко соединяется со столом /, а неподвижная решетка сцепляется со станиной 2 с по­ мощью электромагнитного механизма только тогда, когда посту­ пает команда от ступени грубого отсчета о вхождении в зону. Однако счет импульсов от датчика 8 начинается только после то­ го, как по шкале 5 стол переместится на 3 мм, о чем укажут со­ ответствующие сигналы от фоточувствительной головки 7.

Одной из самых точных АОС, применяемых на современных КРС с ЧПУ, является система с предварительным смещением чув­ ствительной головки на величину дробной части координатного размера (посредством точной ступени отсчета) с последующим перемещением узла станка в зону нужного миллиметра коорди­ натного размера (посредством грубой ступени отсчета) и точной фиксацией узла по штриху меры (посредством оптической систе­ мы станка и чувствительной головки). Указанный тип АОС при-

124

меняется на отечественном станке модели 2Д450Пр и на КРС фирмы SIP. На станке модели 2Д450Пр в ступенях грубого и точного отсчетов применены блоки сельсинов. В качестве датчика точного останова стола (салазок) используются фотоэлектриче­ ские датчики (фотоэлектрические головки в сочетании со стеклян­ ной штриховой мерой и оптической системой станка).

Установка дробной части размера (точный отсчет) заключает­ ся в перемещении каретки с фотоэлектрической головкой вдоль экрана оптической системы. Положение фотоголовки, дающей команду на точный останов, относительно экрана оптической сис­ темы контролируется блоком сельсинов точного отсчета. Фотого­ ловку устанавливают до • начала перемещения стола и салазок, включаемого оператором. При отработке координат оператор на­ жатием на кнопку «Цикл» включает перемещение стола (салазок). Положение последнего в этом случае сначала контролируется блоком сельсинов грубого отсчета, а после того как стол (салазки) приблизится к заданному размеру на расстояние 0,5±0,3 мм, фотоэлектрической головкой, фиксирующей положение риски на экране оптической отсчетно-измерителы-юй системы.

МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ КРС

На современных КРС наибольший интерес представляет авто­ матизация координатных перемещений узлов станка и смены ин­ струмента, а также механизация смены заготовок.

Автоматизация координатных перемещений узлов станка. За последние годы для автоматизации координатных перемещений узлов КРС появилось множество различных систем ЧПУ. Приме­ няемые в отечественных станках системы ЧПУ, а также наиболее распространенные зарубежные системы будут освещены ниже.

На станке модели 2Д450Пр программное управление коорди­ натными перемещениями стола и салазок осуществляется следую­ щим образом.

Составленная на основании чертежа и технологического про­ цесса программа наносится в двоично-десятичном коде на стан­ дартные 80-колонные перфокарты. Запись полной координаты каждого отверстия занимает одну строку. Перфокарты заклады­ ваются в считывающее устройство, которое представляет собой барабан / (рис. 20,г), по периферии которого укладываются во­ семь перфокарт. Поворот барабана на одну строку осуществляется электродвигателем 2 (типа РД-09, /г = 30 об/мин), на валу которого укреплен эксцентрик 3. За один оборот эксцентрика рычаг 4 со­ вершает один двойной ход, во время которого поворачивает с помощью собачки 5 на один зуб храповое колесо 6, жестко свя­

125

электродвигатель включают на длительное время. Поворот бара­ бана можно осуществить также вручную.

Блоки сельсинов грубого и точного отсчета стола связаны со специальными задающими трансформаторами, которые преобра­ зуют цифровую информацию в аналоговое напряжение, пропор­ циональное величине перемещения.

Программа вводится с помощью реле, включаемых через от­ верстия, пробитые в перфокарте, либо переключателями предва­ рительного набора координат.

Так как программа на перфокарте записывается в двоично-де­ сятичном коде, а набор координат вручную производится в деся­ тичной системе, между переключателями преднабора и реле ввода имеются шифраторы, преобразующие числа из десятичной в дво­ ично-десятичную систему счисления.

Задающие трансформаторы подключаются к сельсинам, конт­ ролирующим положение каретки с фотоэлектрической головкой, а после установки каретки — к сельсинам, контролирующим поло­ жение стола (салазок). Величина напряжения, соответствующая закодированной дробной части координаты, снимаемая с задаю­

мещается по ходовому винту 3 вдоль прорези в корпусе экрана, через которую на фотоголовку попадает изображение штриха масштабной линейки. Ходовой винт получает вращение от элек­ тродвигателя 4 постоянного тока через червячную пару 5. Одно­ временно он кинематически связан через шестерни 6 с блоком сельсинов точного отсчета — с «точным» сельсином 7, далее через шестерни 8 с «промежуточным» сельсином 9 и через шестерни 10 с «грубым» сельсином 11 (сельсины связаны между собой переда­ точным отношением 1:10). Сигнал рассогласования сравнивается в фазочувствительном блоке, предназначенном для определения направления перемещения (в зависимости от сдвига фазы напря­ жения рассогласования относительно напряжения сети), для пере­ ключений управления с «грубого» сельсина на «промежуточный» и с «промежуточного» на «точный» при уменьшении напряжения рассогласования «грубых» и «промежуточных» сельсинов, для сиг­ нализации исчезновения напряжения рассогласования при подхо­ де к заданному размеру.

Каретка с фотоголовкой при отработке дробной части размера перемещается до тех пор, пока все следящие сельсины, повернув­ шись, не окажутся вновь в положении согласования с сигналами от задающих трансформаторов. После того как каретка с фотодат­ чиком займет положение, соответствующее дробной части коорди­ наты, электродвигатель выключается, и гайка с фотодатчиком ос­ танавливается. Так осуществляется подготовка дробной части ко­ ординаты для установки стола (салазок).

126

При отработке координат оператор нажатием на кнопку «Цикл» включает перемещение стола (салазок). Положение последнего в этом случае контролируется блоком сельсинов грубого отсчета (рис. 20, в).

С точной рейкой /, закрепленной на столе 2, зацепляется ше-

ку (фотоэлектрической головке в сочетании со штриховой мерой), фиксирующему положение риски на экране оптической отсчетнонзмерительной системы. Фотоэлектрическая головка состоит из фотосопротивлений, модулятора и усилителя, имеющего фазочувствительный выход. Фотосопротивление реагирует на изменение освещенности, возникающее при прохождении через него проекции риски штриховой меры. Модулятор представляет собой электро­ механическое сканирующее устройство, перемещающее фоторези­ стор вдоль участка экрана с частотой 50 гц. Два фоторезистора расположены на якоре, который попеременно притягивается к двум катушкам, помещенным на общем магнитопроводе. Фото­ усилитель предназначен для усиления сигналов, поступающих от фоторезисторов, и выявления их фазы, т. е. для определения по­ ложения проекции риски относительно оси фоторезистора. Для

этом после передачи управления движением на фотоэлектрический

вспомогательной риски на штриховой мере, нанесенной от основ­

медленных перемещений до тех пор, пока основная риска, соответ­ ствующая целому числу миллиметров заданного размера, не подойдет к оси зоны действия фотоэлемента. В этот момент про­ изойдет выключение привода медленных перемещений и закрепле­ ние стола (салазок).

После этого для подготовки системы к осуществлению следую­ щего цикла подается команда на поворот барабана перфокарт для установки строки с записью координаты следующего отвер­ стия и режима обработки.

Таким образом, позиционирование стола (салазок) разбивает­ ся на следующие этапы:

127

перемещение на максимальной скорости при управлении по сельсину старшего разряда системы грубого отсчета;

снижение скорости до 600—800 мм/мин при переходе управле­ ния к промежуточному сельсину этой системы;

снижение скорости до 50—100 мм/мин при переходе управле­ ния к сельсину младшего разряда системы грубого отсчета;

снижение скорости до 30 мм/мин после окончания контроля перемещения по сельсинам и передаче управления движением на

в усилителе имеется отсечка, ограничивающая минимальное зна­

чение усиливаемого сигнала.

После того как стол (салазки) установлен, каретки фотодатчнков перемещаются в положение, соответствующее дробным ве­ личинам следующей координаты.

Система программного управления предусматривает устройство «плавающего нуля» во всем диапазоне программируемых пере­ мещений. С этой целью между задающими трансформаторами и отрабатывающими сельсинами включены дифференциальные сель­

сканированием в сочетании с металлической штриховой мерой и оптической системой станка.

АОС, основанная на индуктивном датчике точного останова, выполненном в виде индуктивного проходного винтового датчика, применяется в КРС с ЧПУ модели 243ВФ2 и в миогооперационном станке модели 243ВМФ2.

Индуктивный проходной датчик состоит из двух полугаек

(проходных гаек) с шагом нарезки 5 мм, смещенных одна отно­ сительно другой на ] Д шага, и винта-якоря с таким же шагом, охватываемого полугайками. Наружный диаметр винта-якоря меньше внутреннего диаметра полугаек. В гайки вмонтированы катушки, включенные дифференциально. При определенном поло­ жении измерительного винта-якоря относительно полугаек (вы­ ступы резьбы двух полугаек симметричны выступам резьбы отсчетного винта) на выходе мостовой схемы напряжение становнт-

128

ся равньш нулю. Если датчик, а следовательно и стол станка, будут перемещаться синхронно с вращением индуктивного изме­ рительного винта, то выход из дифференциального датчика будет равен 0 и угол поворота измерительного винта-якоря будет соот­ ветствовать величине линейного перемещения стола.

Рис. 21. Блок-схема системы позиционирования КРС с ЧПУ модели 243ВФ2

Для автоматического управления перемещениями стола и сала­ зок в этих станках применена система ЧПУ с круговым фото­ электрическим импульсным датчиком обратной связи, установлен­ ным на измерительном винте, и системой слежения за точным положением стола.

Программа с восьмидорожечной перфоленты запоминается в блоке памяти ввода программы и выдается в схему управления стан­ ком в виде кодовых команд, включающих соответствующее реле.

Блок-схема системы позиционирования станка модели 243ВФ2 показана на рис. 21.

Индуктивный датчик / жестко соединен со столом 2 и переме­ щается совместно с вращающимся измерительным винтом 3 бла­ годаря кинематической связи с червяком 4.

129

Однако практически датчик (и стол) отстает или опережает вращение измерительного винта из-за неточности и износа кинема­ тической передачи между червяком привода стола и измерительным винтом; при этом на выходе индуктивного датчика появляется сиг­

9, 10 и 11 и шестерню 12 отсчетного винта производит доворот изме­ рительного винта в сторону уменьшения рассогласования, вы­ держивая таким образом нулевой сигнал на выходе индуктивного датчика и обеспечивая точное слежение измерительного винта за фактическим положением стола. Следовательно, положение изме­ рительного винта точно соответствует линейному положению по­ движного узла станка, и круговой фотоэлектрический импульсный датчик, установленный на измерительном винте, в сочетании с отсчетной схемой дает точный отсчет текущих координатных пере­ мещений узлов станка.

Измерительные винты установлены в точных опорах. Коррекция накопленной ошибки винта-якоря (для оси х) осуществляется укрепленным на салазках электроиндуктивным коррекционным датчиком, рычаг которого контактирует с коррекционной линей­ кой, закрепленной на столе. При перемещении стола коррекционная линейка поворачивает якорь коррекционного датчика, изменяя его электрический сигнал, который суммируется с основным сигна­ лом индуктивной измерительной системы, и корректирует его.

Фотоэлектрический импульсный датчик 13, установленный на измерительном винте 3, связан с электронным блоком управления. Датчик представляет собой два диска, с одной стороны которых находится лампочка освещения, а с другой стороны — фотодиоды ФД1, ФД2 и ФДЗ. Один диск подвижен, жестко связан с валом измерительного винта, другой — жестка соединен с корпусом дат­ чика. По всему подвижному диску радиально с постоянным шагом расположены темные и светлые полосы. На неподвижном диске

на расстоянии пТ + -^Т, где Т — шаг сетки, расположены два сек­ тора с такими же метками. При вращении подвижного диска свет­ лые полосы неподвижного диска будут приоткрываться для потока света и закрываться. Свет попадает на фотодиоды со сдвигом на

—Т. Фотоэлектрический датчик при вращении отсчетного винта на

4

один оборот выдает две серии импульсов (1250 имп/об, смещенных

на — Т).В системе ЧПУ импульсы формируются, их частота увели-

4

чивается вчетверо, и на вход счетной схемы подается серия из

130

Количество импульсов от датчиков соответствует величине ли­ нейного перемещения стола, а сравнение фаз в блоках системы ЧПУ определяет направление движения стола.

Заданные программой координаты сравниваются с текущей ко­ ординатой, полученной от датчика обратной связи. При совпаде­ нии этих координат система ЧПУ выдает команду на изменение скорости перемещения и останов стола. Если стол станка нахо­ дится на расстоянии >20 мм от требуемого положения, то на вход тиристорного привода и на двигатель D (см. рис. 21) подается напряжение задатчика скорости подачи стола, эквивалентное бы­ строму ходу (3000 мм/мин). При расстоянии до требуемого поло­ жения менее 20 мм из системы ЧПУ на вход тиристорного при­ вода подается напряжение, эквивалентное скорости перемещения

Большую группу АОС составляют многоотсчетные системы с ис­ пользованием «бегущего» сканирования в ступени точного отсчета с последующим фазоимпульсным преобразованием. Указанные сис­ темы применяются в системах ЧПУ фирм Dixi, Mullard и Ferranti.

На КРГС модели 3SOE фирмы Dixi в качестве датчика точного позиционирования применен электронно-оптический датчик — пере­ дающая телевизионная трубка (видикон) с фотосопротивлением. Датчик крепится на подвижном узле станка, штриховая мера с миллиметровыми делениями — на неподвижном узле.

Штрихи линейки проецируются оптической системой изобра­ жения на экран видикона. Туда же проецируется и изображение масштабной сетки, жестко связанной с видиконом (см. рис. 20, д). Сетка состоит из двух (один над другим) рядов равномерно рас­ положенных штрихов. Миллиметровая шкала и сетка проециру­ ются на экран видикона с различной степенью увеличения с та­

один ряд шкалы сетки, а для отсчета сотых долей миллиметра от 0,5 до 0,99 — второй ее ряд.

Смещение электронного луча для перехода от одного ряда к другому производится автоматически изменением магнитного по­ ля видикона. В процессе измерения электронный луч пробегает по экрану видикона.

Когда электронный луч пробегает по экрану видикона, то воз­ никает серия импульсов. Она вызвана изменением тока при про-

131

хождении луча через светлые промежутки и темные изображения штрихов.

Амплитуда импульсов, вызванных штрихами сетки, значительно меньше амплитуды импульсов, вызванных более крупными штри­ хами миллиметровой шкалы.

Число штрихов от края шкалы сетки до миллиметрового штри­ ха оптической линейки соответствует в сотых долях миллиметра положению в данный момент подвижного узла.

Полученная серия импульсов усиливается дифференцирующим усилителем и подается на вход селектора импульсов. Для получе­ ния дискретности измерения 0,001 мм используется электрическое смещение во времени импульсов шкалы сетки относительно им­ пульса миллиметрового штриха. Так как расстояние между штри­ хами шкалы сетки (0,01 мм) электронный луч проходит за опре­ деленный промежуток времени, то сдвиг импульсов штрихов шкалы сетки во времени по отношению к импульсу миллиметрового штри­ ха на 0,1 этого промежутка времени будет соответствовать 1 мк.

В блоке селектора импульсов происходит разделение импульсов шкалы сетки и оптической линейки и формирование их в импульсы прямоугольной формы.

Импульсы миллиметровых штрихов оптической линейки идут непосредственно в электрокоммутатор, а импульсы штрихов сетки— в блок задержки, где происходит смещение во времени импульсов шкалы сетки на заданное число микрон, и далее — в электроком­ мутатор. В последнем дается разрешение на прохождение импуль­ сов шкалы сетки в блок логического сравнения и декадные счетчи­

В КРС модели Матрикс 50 фирмы Coventry Gauge непрерыв­ ное бегущее сканирование выполнено на основе непрерывно вра­ щаемых с помощью специального планетарного механизма цилинд­ рических линз. Луч света, направляемый этими линзами, «бежит» одновременно по основной и вспомогательной шкалам. Число штри­ хов вспомогательной шкалы при фотосчитывании от начала отсчета до соответствующего штриха основной шкалы определяет величину смещения контролируемого объекта в интервале делений между штрихами основной шкалы (внутришаговый отсчет — точная сту­ пень) .

Автоматическая отсчетно-измерительная система фирмы Ferranti с использованием бегущего сканирования основана на прин­ ципе непрерывно вращающейся спирали в сочетании со стеклян­ ной шкалой.

Применение различных сканаторов с бегущей разверткой по­ зволяет строить фазовые системы ЧПУ (фазоимпульсные систе­ мы).

132