m_th_i.v.belyantseva_2017

подачи получается связанной, что привносит определенные ограничения: передаточные отношения для этих цепей должны быть кратны друг другу.

-Коэффициент полезного действия

Вмеханической схеме низкий КПД обусловлен большой длиной механических кинематических цепей – что ведет к большим потерям на трения как в самих ЗП, так и в опорах валов.

Вгидравлической схеме потери на трение в кинематических цепях снижены, за счет сокращения их протяженности, но появляются потери в гидравлической системе – линейные потери давления в трубопроводе, потери давления в коленах, в ГГИ. К тому же в этой схеме происходит много промежуточных преобразований энергии (электрическая – механическая – гидравлическая - механическая), что также способствует увеличению потерь.

Всхеме с ЭШП имеются и потери на трение в механических передачах, и потери давления в гидравлической системе, но из-за того, что протяженности и механических цепей и гидравлической системы сведены к минимуму, данная схема обладает большим КПД, чем предыдущие.

КПД схемы с регулируемыми электроприводами принципиально отличается от КПД схемы с ШП только на потери в гидросистеме. Поэтому схема с регулируемыми электроприводами была признана самой энергоэффективной.

-Помехоустойчивость

Гидравлическая и механическая схемы практически вообще не подвержены влиянию внешних возмущающих факторов, т.к. в их составе нет элементов, которые были бы восприимчивы к ним.

Схема с ЭШП – самая помехоуязвимая, т.к. управление здесь происходит количеством импульсов. Помеха может исказить импульс по уровню, что приведет либо к возникновению ложного импульса, либо к потере действительного.

В схеме с регулируемым электроприводом управление происходит частотой импульсов, а не их количеством. И так как помехе гораздо труднее сдвинуть импульс по фазе, эта схема является более помехоустойчивой, чем схема с ЭШП.

Все данные по анализу для удобства сведем в единую таблицу.

30

Проанализировав характеристики принципиальных схем, логично было бы наметить направления их совершенствования, т.е. направления на устранение имеющихся недостатков.

Направления совершенствования принципиальных схем станков

Как уже отмечалось выше, направления совершенствования принципиальных схем определяются их недостатками, из чего мы и исходили при составлении данного параграфа.

Пользуясь данными из таблицы 1, можно сделать вывод, что основными недостатками принципиальной схемы с механическим согласованием движений являются: большая продолжительность переналадки, точность настройки гитар сменных колес, низкая кинематическая точность и низкий КПД. Но устранить можно только последние два, сократив теми или иными путями протяженность механических цепей, что, в свою очередь, уменьшит общие потери на трение, а также суммарные погрешности зубчатых колес и суммарные упругие деформации. Продолжительность же переналадки и точность настройки можно существенно сократить только переходом на электронные гитары, то есть, по сути, переходом к схеме 7 или 8.

Для схем с гидравлическим согласованием характерны те же самые недостатки, что и для предыдущей схемы, но в меньшей мере. Поэтому совершенствование данных схем заключается в дальнейшем сокращении длины механической части цепей согласования. Ну и также как у механических, здесь принципиально нельзя существенно сократить время переналадки узлов настройки.

31

Главными недостатками схемы с шаговыми приводами являются ее низкая помехоустойчивость и относительно низкая кинематическая точность. Кинематическую точность можно повысить, заменив механическую цепь дифференциала на ее электрический аналог (т.е. перейти от механического суммирования к электрическому). Помехоустойчивость же можно повысить введением обратной связи, но тогда эта схема потеряет одно из своих главных преимуществ – простоту, поэтому станки по данной схеме следует располагать там, где наименьшие помехи, либо использовать их для черновой обработки, так чтобы наличие ошибок не привело к возникновению брака.

У схемы с регулируемыми электроприводами нет сильно выраженных недостатков, но можно выделить как недостаток довольно большую неравномерность частоты импульсов, что приводит к ухудшению качества и точности обработки. Данный недостаток можно устранить использованием электронной гитары другой конструкции.

И для всех схем существует направление на повышение уровня автоматизации. В частности, можно автоматизировать радиальную подачу.

Следующим шагом моей работы стала разработка конкретных усовершенствований схем с электрическими шаговыми приводами и регулируемыми электроприводами. Совершенствовать механическую и гидравлическую схемы, с точки зрения принципиальных вещей, нецелесообразно, т.к. нет возможности устранить главный недостаток этих схем – слишком большую продолжительность переналадки.

32

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОННОГО «БЕЗГИТАРНОГО» СОГЛАСОВАНИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ДВИЖЕНИЙ В СТАНКЕ

Точность машин и механизмов является основной характеристикой их качества. Механические передачи (зубчатые, реечные, червячные и др.) имеют широкое применение во всех отраслях машиностроения, их точность хорошо изучена, они непрерывно совершенствуются как в отношении технологии изготовления, так и повышения точности. Кинематические цепи на базе механических передач присутствуют в каждом станке, они обладают высокой надежностью, но у них есть и существенный недостаток: износ зубчатых передач.

Кроме погрешностей кинематических цепей на работоспособность и точность большинства механизмов станков в значительной степени влияют зазоры в соединениях, опорах и передачах. Зазоры отрицательно сказываются на эксплуатационных показателях, поэтому конструкторы постоянно заняты поиском эффективных решений, устраняющих зазоры полностью или хотя бы частично.

В станках с гидравлическими связями в цепях главного движения, движений подачи и вспомогательных применяется гидравлика. С помощью гидравлики решается задача бесступенчатого регулирования скоростей. Однако гидравлические схемы обладают невысокой надежностью по причине повышенной сложности элементов схемы и большого их количества. Также мал КПД такой схемы из-за объемных потерь, обусловленных утечкой рабочей жидкости, из-за гидравлических потерь, обусловленных падением давления в трубопроводе и падения давления в коленах, из-за промежуточных преобразований энергии (электрическая – механическая – гидравлическая - механическая), что также способствует увеличению потерь.

[5]

Повысить точность согласования формообразующих движений и уйти от недостатков механических и гидравлических схем можно только переходом к более точно настраиваемым и имеющим более высокую кинематическую точность электронным схемам. В них применяются электронные гитары, используются преобразователи частоты в напряжение, датчики импульсов и так далее. Раздел посвящен примерам схем согласования движений станка, выполненных с помощью электронных элементов.

33

2.1 СОГЛАСОВАНИЕ РАБОТЫ РЕГУЛИРУЕМОГО И ШАГОВОГО ПРИВОДОВ

Согласования работы между приводами главного и вспомогательного движений станка можно достичь, используя схему, показанную на рис. 2.1. Это наиболее простой вариант, предложен для согласования работы регулируемого привода (РП) и шагового привода (ШП), так как в станках с ЧПУ часто применяются шаговые электродвигатели. Шаговый привод используется в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задается последовательностью электрических импульсов. Каждый приходящий импульс активирует обмотки двигателя и вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Изменяя частоту импульсов, приходящих на шаговый привод, добиваемся требуемой скорости вращения двигателя.

Рис. 2.1 Согласование работы регулируемого и шагового приводов

1-РП; 2-датчик импульсов; 3-ПДЧ; 4-усреднитель; 5-ШП

Здесь движения РП 1 и ШП 5 должны быть согласованы. Датчик импульсов (ДИ) 2 преобразует перемещение выходного элемента регулируемого привода в импульсы. Усреднитель (УС) 4 представляет собой делитель частоты. При эксплуатации системы скорость движения РП задается сигналом постоянного напряжения UЗ, которое может быть получено от типового преобразователя «код-напряжение». Импульсы от датчика импульсов с определенной частотой будут поступать на программируемый делитель частоты (ПДЧ) 3, где поступающая частота импульсов будет делиться на заданное передаточное число, кодированное сигналом К. После этого импульсы будут идти неравномерно, что отрицательно влияет на качество обработки, поэтому после ПДЧ импульсы поступают на усреднитель, пройдя через него полученная частота импульсов поступает на шаговый привод, задавая скорость движения привода. После

34

введения в систему UЗ и К приводы РП и ШП работают с заданными скоростями.

Шаговый привод позволяет с высокой точностью преобразовывать электрические импульсы непосредственно в дискретные угловые перемещения (шаги) ротора, однако он имеет и недостатки. К недостаткам шаговых электродвигателей относятся нестабильность вращения при ускорении и торможении, высокая стоимость и малая мощность. Также дискретность шага создает существенные колебания, которые в ряде случаев могут приводить к возбуждению механических резонансов в системе.

В регулируемом приводе управление скоростью осуществляется изменением подаваемого на обмотки двигателя напряжения: чем оно выше, тем быстрее вращается якорь.

2.2 СОГЛАСОВАНИЕ РАБОТЫ ДВУХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ

Ввиду того, что второй двигатель не является шаговым, схема, предложенная на рисунке 1, приобретает более сложный вид и преобразуется в схему, представленную на рис. 2.2. В неё добавлен преобразователь частоты импульсов в постоянное напряжение (ПЧН), необходимое для управления регулируемым приводом, и вводится корректирующая цепочка, необходимая для компенсации отличия скорости вращения двигателя от требуемой, ввиду плавающей характеристики регулируемого привода.

Рис. 2.2 Согласование работы двух регулируемых приводов

1,10-РП; 2,9-датчик импульсов, 3-ПДЧ; 4-усреднитель; 5-ПЧН; 6-сумматор; 7-триггер-дискриминатор; 8-фильтр

35

Здесь движения регулируемых приводов должны быть согласованы, ДИ1 2 и ДИ2 9 преобразуют перемещение выходных элементов приводов в импульсы, ПЧН 5 преобразует частоту импульсов в постоянное напряжение, триггер-дискриминатор 7 сравнивает две последовательности импульсов по частоте и фазе, фильтр 8 сглаживает поступающие импульсы. При эксплуатации системы скорость движения привода РП1 1 программируется сигналом постоянного напряжения UЗ, которое может быть получено от типового преобразователя «код-напряжение». Скорость движения привода РП2 10 программируется кодированным сигналом К, задающим коэффициент деления ПДЧ 3. После ПДЧ импульсы будут идти неравномерно, что отрицательно влияет на качество обработки, поэтому после ПДЧ импульсы поступают на усреднитель 4, пройдя через него полученная частота импульсов поступает на вход преобразователя частоты импульсов в напряжение, который в зависимости от входной частоты выдает определенный уровень напряжения. Получившееся напряжение через сумматор напряжений 6 поступает на РП2. После введения в систему UЗ и К приводы РП1 и РП2 работают с заданными скоростями. При этом частоты и фазы импульсов, поступающих от ПДЧ, проходя через УС, и от ДИ2, сравниваются триггером-дискриминатором (ТД) и результат сравнения выдается в виде пульсирующего напряжения. Если есть рассогласование, тогда напряжение от триггера поступает, проходя через фильтр (для сглаживания скачков напряжения), на сумматор, где, либо увеличивает задающее скорость привода РП2напряжение, либо уменьшает его. Так будет происходить, пока заданной скорости вращения, определяемой частотой импульсов от программируемого делителя частоты, не будет соответствовать имеющаяся скорость вращения, которая определяет частоту импульсов от датчика ДИ2.

2.3 ОПИСАНИЕ СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ СХЕМЫ СОГЛАСОВАНИЯ ДВИЖЕНИЙ ДЛЯ ДВУХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ

Существуют способы улучшения схемы согласования движений для двух регулируемых приводов. Этого добиваются с помощью запараллеливания сигнала с ДИ1 с возможностью его корректировки. Появляются новые элементы в схеме, созданные для улучшения точности передачи сигналов от РП1 к РП2.

36

В зависимости от того, какой датчик импульсов используется для преобразования перемещения выходного элемента регулируемого привода в импульсы,будут различаться способы создания параллельных сигналов. Для датчиков с высокой дискретностью характерно большое количество шагов измерения на оборот. При меньших скоростях обработки можно использовать датчики с низкой дискретностью и меньшим количеством шагов измерения на оборот. Разница заключается в том, что при низкой дискретности можно установить два считывающих элемента в размер шага, а при высокой дискретности – нет. В случае с низкой дискретностью получаются два независимых сигнала всегда различных по времени, а с высокой дискретностью – один сигнал, который будет запущен по двум параллельным цепям.

Обратимся к разработанной схеме, предлагаемой на рис.2.3, где представлена усовершенствованная схема с двумя регулируемыми приводами (1 и 15). Этот случай рассмотрен для датчика импульсов ДИ1 2 с низкой дискретностью, то есть сигнал снимается с двух считывающих элементов датчика и посылается каждый на свой ПДЧ (3 и 12). Здесь предусмотрена возможность корректировки работы РП2 15, путем корректировки основного сигнала ПДЧ1 3 с помощью сигнала ПДЧ2 12, направление уменьшения или увеличения частоты задаем входом «+/–». В зависимости от того, как сработает схема элемента НЕ 4 и ключи 5 и 13, импульсно-фазовый преобразователь (ИФП) 6 будет добавлять импульсы от ПДЧ2 в последовательность от ПДЧ1, либо вычитать их.

37

Рис.2.3 Согласование работы двух регулируемых приводов с коррекцией сигнала для датчика с низкой дискретностью

1,15-РП; 2,14-датчик импульсов; 3,12-ПДЧ; 4-элемент НЕ; 5,13-ключ; 6-ИФП; 7-усреднитель; 8-ПЧН; 9-сумматор; 10-триггер-дискриминатор; 11-фильтр

Таким образом, в схеме с датчиком низкой дискретности решен вопрос точной передачи сигнала и дана возможность его корректировки.

38

В случае ДИ1 2 с высокой дискретностью сигнал поступает с одного считывающего элемента и подается на ПДЧ1 3 и ПДЧ2 16. После прохождения ПДЧ последовательности импульсов будут иметь разные частоты, так как К1 и К2 отличны друг от друга, но импульсы могут накладываться, или дублировать друг друга. Поэтому ИФП 6 может некорректно работать, не прибавляя импульсы с ПДЧ2. Эту проблему предлагается решить путем введения в схему блока синхронизации 12, служащего для сдвига во времени приходящих импульсов друг относительно друга, рис.2.4. [6]

39