4.2. Системы с автоматической коробкой

скоростей в главном приводе

В настоящее время практически отсутствуют системы ССР для станков с АКС в главном приводе, определённые попытки в этом отношении сделаны в [6,7], где анализируется возможность переключения АКС под нагрузкой. Однако какие-либо принципы построения и экспериментальные исследования таких систем отсутствуют. Решение комплексной задачи построения системы ССР с АКС намечено в работах [42, 56, 58, 70, 73], которые являются в этом направлении одними из первых.

Системы ССР с АКС относятся к дискретным системам и для них во многом справедлив ранее проведённый анализ установившихся; режимов работы, особенно при малых возмущениях F (см. §3.2). Однако, в отличие от рассмотренных ранее систем, в станках с АКС частота вращения шпинделя n_i принимает ряд фиксированных значений, обусловленных ступенями m АКС, смежные значения которых отличаются на передаточное отношение, равное знаменателю геометрического ряда , т.е.

(4.8)

где - частота вращения шпинделя на нижней ступени АКС.

В режиме ССР на основании (I.I) должно быть равно

(4.9)

Решая (4.8) относительно m с учетом (4.9), получим

(4.10)

Где А_К – конструктивная постоянная АКС.

(4.11)

Поскольку m натуральное число, то из (4.10) следует, что ему соответствует фиксированные отрезки радиуса R_m – поддиапазоны радиуса обработки. При изменении V₃ значение m корректируется в соответствии с (4.10) на натуральное число. Такой алгоритм работы системы в ряде случаев увеличивает дискретность настройки и стабилизации V, однако значительно упрощает процесс настройки на V₃ и в целом всю техническую реализацию алгоритма. Графическая иллюстрация решения уравнения (4.10) для станка I6K20Ф3 с 9-ти ступенчатой АКС (m=9), в которой а_k= 125, =1,4 при R_max= 200мм приведена на рис. 4.3, где точки а,b,..,h,i обозначают моменты изменения значения m, т.е. моменты переключения АКС.

Функциональная схема цифровой системы ССР с АКС [42], работающей в соответствии с алгоритмом (4.10), изображена на рис. 4.4. В этой схеме код радиуса N_R формируется на выходе блока определения радиуса обработки АЕ, подключённого к УЧПУ ACL1 и работающего так, как это было описано выше. Код N_R поступает в арифметическое устройство ACL2, где сравнивается в

Рис.4.3. Зависимости частоты вращения шпинделя от радиуса обработки в идеальной системе ССР – кривые 1, 2 и в системе с АКС в главном приводе – 3,4. Кривые 1,3 при V₃=6 м/с; V₃=3 м/с.

Рис. 4.4.

устройстве DEА с кодами N_m границ поддиапазонов R_m, т.е. с кодами точек а,b,..,h,i (см. рис. 4.3), начиная с меньшего R_m (точки a). Коды N_m формируются в устройстве опорных кодов DACH и поступают на DEA через мультиплексор DD, переключением которого управляет счётчик DS1. Выходной код DS1 непрерывно изменяется от нуля до m+1, т.к. на его вход всё время поступают импульсы от УЧПУ ACL1. Если N_m<N_R, то DEA . формирует сигнал, запрещающий работу элемента И DX, в противном случае формируется разрешающий сигнал. На другой вход DХ подаётся разрешающий сигнал от триггера DS3, установленного в это состояние в начале обработки кадра сигналом НК, про­шедшим на него через элемент ИЛИ DW2. На третий вход элемента И DX поступают входные импульсы счётчика DS1. Таким образом, через DX пройдёт импульс, установивший счётчик DS1 в состояние, при котором впервые на DEA был подан код границы диапазона R_m (код точки а,b,..,h,i) больший, чем код радиуса обработки R, т.е. N_m>N_R. Так, если R=30 мм, т.е. радиус обработки находится в диапазоне b-c (см. рис. 4.3), то импульс на выходе DX будет соответствовать коду точки b. По импульсу DX в регистр DS2 записывают код счетчика DS1, при которым в первые выполнилось неравенство N_m>N_R. Затем задержанным на схеме задержки DT на время, необходимое для записи кода DS1 в DS2, импульсом элемента И DХ устанавливают триггер DS3 в запрещающее состояние, и последующие импульсы через DХ не проходят. После вызова на DEA кода точки i счётчик DS1 очередным импульсом переводится в состояние, закрывающее DD, при этом дешифратор вырабатывает импульс, который, пройдя элемент ИЛИ DW2, устанавливает триггер DS3 вновь в разрешающее состояние. На этом цикл определения ступени скорости АКС; код которой m записан в регистре DS2, заканчивается. Эти циклы, повторяясь до нескольких десятков раз за один шаг перемещения суппорта станка, обеспечивают высокую помехозащищённость системы, т.к. код m всё время подтверждается. С выхода регистра DS2 код m подаётся через сумматор DW1 на АКС У для переключения ступеней её скорости и осуществления режима ССР. С помощью сумматора DW1 код m может корректироваться в соответствии с зависимостью (4.10) при изменении V₃, причём эта коррекция может осуществляться как по программе, так и вручную с пульта оператора.

Все узлы системы выполнены на цифровых микросхемах, а в качестве устройства DACH используются перемычки между источниками нулевого и единичного логических напряжений.

Устройство сравнения кодов DEA системы выполнено по комбинационной схеме [130]. Принципиальная схема DEА приведена на рис. 4.5. Его принцип действия хорошо понятен из рассмотрения, работы первого разряда устройства. Выходной сигнал. Н₁ принимает единичное значение только при L₁>G₁, т.е.

. (4.12)

В общем случае для n – разрядных кодов L_n и G_n функция неравенства H_n имеет вид

. (4.13)

Максимальное время t_ср срабатывание DEA равно

, (4.14)

где –время задержки одного логического элемента.

В настоящее время в аппаратно-реализуемых УЧПУ наиболее распространены микросхемы 155 серии, имеющие t_co = 18,5 нс [112] , при выполнении на которых DEA даже в случае n=16 , t_ср = 0,6 мкс, что является достаточным быстродействием.

Цифровая система ССР с АКС в главном приводе была изготовлена и внедрена в производство на Ульяновском авиационном промышленном комплексе имени Д.Ф. Устинова в комплекте с УЧПУ H22-IM и станком модели 16К20ФЗ с годовым экономическим эффектом более 12 тысяч рублей на единицу оборудования (см. приложение I). Её экспериментальные исследования и производственные испытания (см. приложение 3) показали, что система проста и надёжна в эксплуатации, обладает высокой помехозащитностыо, не требует дополнительного объёма программ и ра­ботает

Рис. 4.5.

полностью автоматически. При модернизации существующего оборудования требует минимального времени для его остановки, т. к. имеет небольшое количество стыковочных точек и позволяет провести основные операции по отладке системы без подключения её к действующему оборудованию. Необходимо также отметить, что изменение V в результате её дискретного регулирования, и в особенности в момент переключения АКС, вызывает незначительное локальное ухудшение качества обработки поверх­ности (см. приложение 3). Однако, в целом качество поверхности улучшается по сравнению с отсутствием режима ССР.

В соответствии с алгоритмом (4.10) может быть построена и цифро-аналоговая система ССР [58], её функциональная схема изображена на рис. 4.6. В этой системе код радиуса обработки, поступающий с блока АЕ на арифметическое устройство ACL2 , преобразуется с помощью ЦАП UZУ1 в напряжение, которое после логарифмирования преобразователем ACV подводится к вычитающему входу суммирующего устройства AW На суммирующие входа AW в соответствии с (4.10) прикладываются напряжения, пропорциональные А_к (4,11), от источника опорного напряжения АСН и от ЦАП UZУ2, преобразующего в напряжение код задания частоты вращения шпинделя, поступающий от УЧПУ ACL1 и использующийся в. качестве Vз. При этом на выходе AW формируется напряжение, соответствующее ступеням скорости АКС в режиме ССР, из которого с помощью АЦП и UУZ формируется код m, управляющий переключением АКС У .

Все узлы рассмотренной системы ССР имеют простую конструкцию и малый, аппаратурный состав, т.к. стабилизация скорости резания осуществляется с большой дискретностью, что не предъявляет высоких требований к точности работы отдельных узлов системы. При этом в системе могут быть использованы в качестве ЦАПов резистивные матрицы [79] , а функционального преобразователя ACV - конструктивно простой диодный преобразователь [104.]

Рис. 4.6.

Рассмотренные системы ССР с АКС в главном приводе имеют приблизительно равную техническую сложность, их работа полностью автоматизирована, поэтому конкретное применение каждой из них определяется унифицированностью блоков систем и УЧПУ. Однако при реализации режима ССР в универсальных токарных станках с АКС наиболее просто это выполнить с помощью цифро–аналоговой системы и потенциометрического датчика радиуса.