2.6. Системы управления работой оборудования
Назначение и схемы. Управление процессами ЭХО осуществляется специальными автоматическими системами, которые могут выполнять следующие задачи: управлять работой узлов и механизмов станка, регулировать параметры электролита, регулировать межэлектродный промежуток, предотвращать возникновение коротких замыканий,-
Такие системы управления процессами ЭХО в большинстве случаев являются неотъемлемой частью электрохимических станков »и органически связаны с ними.
Система управления механизмами станка обеспечивает включение и выключение в определенной последовательности насоса подачи электролита, ИП, привода подачи электрода-инструмента, вентиляционного устройства и других механизмов, которыми оснащен данный станок.
Система регулирования параметров электролита служит для поддержания их в заданных по технологии пределах, а также управляет процессом очистки электролита от шлама и других включений.
Система регулирования межэлектродного промежутка служит для поддержания постоянного его значения при изменении других параметров ЭХО. Это обеспечивает минимальную погрешность А а обработки.
Существующие системы регулирования межэлектродного промежутка в зависимости от назначения станка, в котором их используют, подразделяют на системы непрерывного и прерывистого регулирования.
Системы непрерывного регулирования межэлектродного промежутка, как правило, обеспечивают постоянную в процессе обработки скорость подачи электрода-инструмента с одновременной стабилизацией параметров ЭХО (11 а, X, V3, рН). Такие системы применяются в электрохимических станках для обработки отверстий, щелей, полостей и в станках для электрохимического шлифования. Системы непрерывного регулирования с изменением скорости подачи электрода-инструмента в зависимости от изменений других параметров, например электропроводности электролита, применяют реже.
Указанная система непрерывного регулирования межэлектродного промежутка не всегда обеспечивает требуемые его значения, а следовательно, и нужную точность обработки. Это объясняется отклонениями указанных параметров процесса, включая и водородный показатель рН, от номинальных значений. Стабилизировать значения этих параметров даже современными средствами и системами управления, как правило, не удается.
Чтобы уменьшить влияние изменяющихся при ЭХО параметров (Uэ, х, vэ, рН) на межэлектродный промежуток, в современных электрохимических станках применяют системы регулирования, в которых отклонения одних параметров компенсируются принудительным изменением других параметров ЭХО. В результате такой компенсации удается поддерживать постоянное значение межэлектродного промежутка, близкое
к значению ан, обеспечивая тем самым относительно высокую точность формообразования. Такие системы регулирования межэлектродного промежутка являются самонастраивающимися (адаптивными). К адаптивной системе регулирования межэлектродного промежутка относится система, в которой изменения электропроводности электролита и электрического напряжения компенсируются изменением скорости перемещения электрода-инструмента. При непрерывном регулировании невозможно измерить действительное значение межэлектродного промежутка, чтобы скорректировать его для требуемых условий обработки.
Системы прерывистого регулирования межэлектродного промежутка такого недостатка не имеют, так как обеспечивают обработку с чередованием съем — пауза. При съеме металла заготовки изменяется заданное значение межэлектродного промежутка по различным причинам, что отрицательно влияет на параметры обработки. При изменении межэлектродного промежутка прерывистая система регулирования срабатывает и обработка прекращается. В этот момент источник питания выключается и происходит автоматическое сближение электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки до соприкосновения их. Электрод-инструмент касается обрабатываемой поверхности только в одной какой-либо точке; в других же местах электрод-инструмент не касается, т. е. между ними сохраняется определенный зазор, меньший, чем заданный межэлектродный промежуток. Таким образом, происходит так называемое «ощупывание» обрабатываемой поверхности. После этого система регулирования автоматически отводит электрод-инструмент на заданный межэлектродный промежуток. На этом период паузы заканчивается и вновь включается источник питания — происходит съем металла заготовки. Через установленный интервал времени цикл повторяется.
Известно
несколько систем прерывистого
регулирования, отличных по циклам
срабатывания. На рис. 2.27, а показана
циклограмма движения электрода-инструмента
и подачи напряжения на оба электрода.
Эта циклограмма поясняет последовательность
работы системы прерывистого регулирования
при ЭХО в циклическом режиме. Здесь при
выключенном источнике питания в течение
времени ti электрод-инструмент
сближается с обрабатываемой поверхностью
до соприкосновения. Затем за время Т2 он
отводится на заданное значение
межэлектродного промежутка аН.
В период тз (5—30
с) на электрод-инструмент и заготовку
подается электрическое напряжение Uэ и
происходит анодное растворение припуска;
при этом электрод-инструмент движется
к заготовке со скоростью, примерно
соответствующей скорости электрохимического
растворения металла. Продолжительность
одного цикла тц равна
сумме ti t3 и
тз.
После окончания времени тз цикл
срабатывания системы повторяется.
Системы регулирования, работающие по
этой циклограмме, используют, в частности,
в станках для ЭХО при относительно
больших значениях межэлектродного
промежутка (0,2—0,5 мм).
На рис. 2.27, б дана циклограмма, поясняющая работу системы прерывистого регулирования межэлектродного промежутка при ЭХО в импульсно-циклическом режиме. Здесь также происходит касание электрода-инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки за время т1 и отвод его за время т2 на заданный межэлектродный промежуток. При неподвижном электроде-инструменте в период тз (0,01—0,1 с) кратковременно подается напряжение Uэ импульсной формы и происходит анодное растворение припуска z, а затем при выключенном напряжении за время Т4 электрод-инструмент отводится на расстояние, большее заданного межэлектродного промежутка, что обеспечивает надежную промывку его от продуктов растворения (шлама). Продолжительность одного цикла тц обработки равна сумме ti t3, тз, Т4. Системы регулирования межэлектродного промежутка, работающие по этой циклограмме, применяют в станках для ЭХО с малыми значениями межэлектродного промежутка (0,05—0,1 мм).
Системы защиты электрохимических станков от токов короткого замыкания выполняют две задачи. Первая — это защита станков от токов, превышающих максимально допустимые для данного ИП значения. Такие токи могут возникнуть в результате коротких замыканий во внутренней цепи ИП из-за снижения электрического сопротивления межэлектродного промежутка при повышении температуры электролита или превышении площади обработки, допустимой для данного станка. Вторая задача — это защита заготовки и электрода-инструмента от теплового воздействия (оплавления), возникающего в результате пробоя межэлектродного промежутка или непосред
ственного контакта обрабатывающих и обрабатываемых поверхностей электродов. Наиболее часто такой пробой возникает из-за некачественной очистки электролита или в результате наличия в межэлектродном промежутке так называемых «сухих» зон, т. е. участков, где из-за низкой скорости прокачки электролита межэлектродный промежуток заполняется шламом. Непосредственный контакт рабочих поверхностей электрода-инструмента с обрабатываемыми поверхностями заготовки может произойти по разным причинам, но в основном из-за превышения скорости рабочей подачи электрода-инструмента, уменьшения скорости электрохимического растворения металла или нарушения сплошности потока электролита.
Устройство и работа систем управления. На рис. 2.28 изображена одна из схем управления станком для ЭХО. Такая схема обеспечивает управление двумя электродвигателями и ИП. При включении тумблера В, электрической цепи К—К1 в нижнее (рис. 2.28, а) положение срабатывает реле Р1, которое замыкает контакты (рис. 2.28, б) включения электродвигателя М1 насоса подачи электролита.
Реле Р2 и Рз предназначены для включения, например, привода подачи электрода-инструмента. При замыкании тумблером В2 цепи Л—Л1 срабатывает реле Р2 и включается электродвигатель привода подачи электрода-инструмента. При этом вал электродвигателя имеет правое вращение. Левое вращение вала обеспечивается переключением тумблера В2 в нижнее положение. При этом замыкается цепь Л—Л2 и соответственно срабатывает реле Рз. Такое изменение направления вращения вала электродвигателя позволяет изменять направление перемещения электрода-инструмента (например, вверх или вниз, вправо или влево).
Эта же электрическая схема обеспечивает включение источника питания тумблером В3; при этом замыкается цепь Н—Н1 и срабатывает реле Р4. При автоматическом управлении обработкой в станок вводят дополнительный блок. В этом случае
для замыкания цепей (К—К1, Л—Л1, Л—Л2, Н—Н1) вместо тумблеров используют реле, срабатывающее при подаче напряжения питания от дополнительного блока управления. При работе на станках, имеющих такие блоки, с помощью соответствующих переключателей задают блоку управления определенную последовательность включения и отключения элементов станка, ИП и других агрегатов, а затем нажатием одной кнопки включают их. После этого работа станка, ИП и других агрегатов производится автоматически, без вмешательства оператора.
В системах регулирования параметров электролита изменения его давления и расхода взаимосвязаны. Например, расход электролита регулируют, как правило, изменением его давления в межэлектродном промежутке и, наоборот, давление регулируют количеством электролита, подаваемого насосом в рабочую зону. Давление и расход электролита увеличивают или уменьшают с помощью вентилей — кранов.
В процессе обработки, как правило, нет необходимости часто регулировать эти параметры. Поэтому даже современные станки для ЭХО не имеют автоматических устройств для их изменения. Регулируют эти параметры вращением ручки вентиля; при этом контроль изменяемого параметра ведут по соответствующему прибору. Состав электролита корректируют открытием соответствующих вентилей для добавления в бак станка воды или электролита более высокой концентрации.
В современных станках для электрохимической обработки регулирование рабочей температуры и рН электролита автоматизировано. На рис. 2.29 изображена схема устройства для автоматического поддержания требуемой рабочей температуры электролита. Основным элементом этого устройства является электроконтактный термометр 1, стрелка которого периодически замыкает и размыкает электрическую цепь питания реле 4 и 5. Эти реле предназначены для открытия и закрытия напорных вентилей трубопроводов, по которым к теплообменнику бака с электролитом подводится холодная или горячая вода.
Настройка и работа этого устройства сводятся к следующему. Посредством регулировочных винтов термометра устанавливают контакт 3 таким образом, чтобы касание его со стрелкой термометра происходило при максимально допустимой рабочей температуре, в данном примере 30°С. Соответственно контакт 2 устанавливают в положение, при котором касание его со стрелкой произойдет при минимально допустимой рабочей температуре 20°С. Понижение температуры электролита ниже установленной по технологии может произойти в результате длительных перерывов в работе, а также из-за понижения температуры окружающей среды; при этом стрелка термометра отойдет соответственно в крайнее левое положение. При включении станка соответствующий контакт замкнет цепь питания реле 5, которое
подаст импульс тока на электромагнит запорного вентиля. Вентиль откроется, и горячая вода начнет поступать в теплообменник бака для нагрева электролита. При рабочей температуре 20°С стрелка термометра отойдет от контакта и цепь питания реле 5 разомкнётся. При этом запорный вентиль возвратится в исходное положение и перекроет доступ горячей воды в теплообменник.
В случае нагрева электролита до максимально допустимой температуры 30°С стрелка термометра коснется контакта 3; при этом замкнется цепь питания реле 4 и сработает электромагнит вентиля для подачи в теплообменник холодной воды.
При снижении рабочей температуры электролита (ниже 30°С) цепь питания реле разорвется и вентиль трубопровода перекроет доступ холодной воды в теплообменник бака.
Система автоматического поддержания заданного значения рН по устройству и принципу действия сходна с рассмотренной системой стабилизации температуры электролита. Устройство для автоматического регулирования рН состоит из стандартного электроконтактного датчика, показывающего значение водородного показателя. Этот датчик при критических значениях рН замыкает или размыкает цепь питания реле, которое управляет работой запорного вентиля. Последний открывает или закрывает трубопровод, по которому из самостоятельного бака вместимостью 5—10 л поступает кислота в электролит, находящийся в баке станка. Таким образом восстанавливается оптимальное значение рН.
Система регулирования межэлектродного промежутка за счет поддержания постоянного значения рабочей
подачи электрода-инструмента изображена на рис. 2.30. Система состоит из привода 2, включающего и выключающего электродвигатель и редуктор, блока 3 управления приводом и генератора 4. Вал электродвигателя вращает винт 1, который через резьбовую гайку, связанную с пинолью 5 станка, перемещает ее и соответственно скрепленный с ней электрод-инструмент 6 относительно заготовки 7. Синхронно с валом электродвигателя вращается и ротор генератора 4, который вырабатывает электрическую энергию для регулирования напряжения, поступающего от блока управления на обмотки электродвигателя привода подачи.
При увеличении частоты вращения вала электродвигателя, что может быть обусловлено уменьшением давления электролита, увеличивается частота вращения ротора генератора. Соответственно этому повышается вырабатываемое генератором напряжение, что снижает напряжение питания, поступающее от блока управления работой привода. При этом автоматически снижается до оптимального значения частота вращения вала электродвигателя и устанавливается нужная скорость перемещения электрода-инструмента. Соответственно этому восстанавливается и значение межэлектродного промежутка.
При снижении частоты вращения вала электродвигателя снижается частота вращения ротора генератора, а следовательно, уменьшается напряжение, поступающее от него в блок управления. Это повышает напряжение питания привода, что соответственно увеличивает частоту вращения вала электродвигателя, предназначенного для подачи электрода-инструмента. При этом скорость подачи электрода-инструмента возрастает до значения, необходимого для восстановления оптимального межэлектродного промежутка.
В адаптивных системах непрерывного регулирования межэлектродного промежутка для поддержания его в заданных пределах частота вращения вала электродвигателя, предназначенного для перемещения электрода-инструмента, не поддерживается постоянной, а изменяется в зависимости от изменений напряжения на электродах и электропроводности электролита. В таких системах напряжение питания к блоку управления работой привода подводится не от генератора, а от датчика измерения значения электропроводности электролита и от прибора, показывающего напряжение на электродах. В блоке управления работой привода эти показания суммируются, в результате чего этот блок вырабатывает оптимальное для данного процесса напряжение, при котором автоматически устанавливается нужная рабочая подача электрода-инструмента.
На рис. 2.31 изображена принципиальная схема циклической системы регулирования межэлектродного промежутка. При включении станка блок управления вырабатывает электрический
сигнал и подает его на гидропривод. Поток масла направляется в верхнюю полость гидравлического цилиндра 2, поршень которого вместе с пинолью станка и закрепленным на ней электродом-инструментом 11 перемещаются к обрабатываемой заготовке 12. Одновременно с ними перемещается и винт 8, скрепленный с поршнем гидроцилиндра, а вместе с ними и гайка-шестерня 4; последняя одновременно вращается от шестерни 6 и электродвигателя 7. После касания гайки-шестерни 4 упора 3 ее перемещение к заготовке прекращается, а вращение от шестерни 6 и электродвигателя 7 продолжается. Это позволяет осуществлять дальнейшее наладочное перемещение винта и электрода-инструмента гидроцилиндром. В то же время за счет гайки без ее вертикального перемещения к заготовке производится небольшое торможение движения электрода-инструмента, что предотвращает его поломку при соприкосновении с заготовкой.
В момент касания электрода-инструмента обрабатываемой поверхности слабый электрический сигнал (около 0,05 В) поступает на блок управления, который подает новую команду на гидропривод. Поток масла направляется в нижнюю полость гидроцилиндра, который отводит электрод-инструмент от заготовки. Одновременно отключается питание электродвигателя, вращающего гайку-шестерню. При этом она перемещается только вверх вместе с винтом и поршнем гидроцилиндра до упора
верхнего ограничителя хода. После этого гайка-шестерня, винт, поршень и соответственно электрод-инструмент не перемещаются. Так как расстояние между упорами соответствует заданному значению межэлектродного промежутка, то перечисленные элементы переместятся от поверхности заготовки на расстояние, соответствующее значению межэлектродного промежутка.
Таким образом, станок подготовлен к работе. От блока управления подаются одновременно команды на включение ИП и привода рабочей подачи электрода-инструмента с установленной скоростью.
Установленная рабочая подача при ЭХО почти всегда не соответствует фактической скорости анодного растворения. Поэтому в процессе обработки межэлектродный промежуток изменяется пропорционально продолжительности включения ИП и в соответствии с этим возрастает погрешность Да. Поэтому на станках, имеющих системы автоматического регулирования межэлектродного промежутка, через каждые 5 с работы выключают ИП и корректируют этот параметр ЭХО.
Импульсно-циклические системы регулирования межэлектродного промежутка несколько сложнее рассмотренных. В них дополнительно вводят блок для выработки источником питания импульсного напряжения и устройства, обеспечивающие более точное согласование положения электрода-инструмента с моментом включения ИП.
Системы, предотвращающие короткие замыкания между электродом-инструментом и заготовкой, конструктивно представляют собой отдельный блок, встраиваемый в ИП или шкаф управления станком. Такой блок 2 (рис. 2.32) включают параллельно с источником питания 1. Функционирование этих систем основывается на получении из межэлектродного промежутка сигналов, информирующих о начальной стадии короткого замыкания электродов с последующей моментальной подачей команды на отключение ИП. В качестве таких сигналов используют превышение силы тока по сравнению с установленной при ЭХО поверхностей, площади которых в течение всего рабочего цикла постоянны; ускоренное возрастание силы тока при ЭХО поверхностей, площади которых в процессе обработки увеличиваются; появление шумов с частотой радиопомех, являющихся высокочастотными составляющими напряжения на электродах. Появление таких составляющих объясняется тем, что в момент, предшествующий короткому замыканию, плотность электрического тока резко возрастает в результате уменьшения межэлектродного промежутка в зоне, где значение последнего минимально. Это приводит к интенсивному газовыделению и появлению искрения. Газовыделение искажает форму электрического тока и его напряжения. Эти искажения принимаются блоком 3 и усиливаются в нем. Блок подает сигналы на
выключение ИП и привода рабочей подачи. При этом электрод-инструмент не перемещается, что предотвращает короткое замыкание. Затем межэлектродный промежуток корректируют системой регулирования.
В случае частого срабатывания системы предотвращения короткого замыкания электрохимобработчик должен тщательно проверить соответствие параметров ЭХО (Uэ, x, рН, vэ), а также давления электролита и содержания шлама значениям, указанным в технологической документации и при необходимости устранить имеющиеся отклонения. Последнее необходимо выполнять под руководством мастера или технолога.
О ТИПОВЫЕ ОПЕРАЦИИ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ