Разработка и исследование гидропровода профилешлифовального станка

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА ПРОФИЛЕШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА

П.С. Менакер, инж.,

В.Н. Тихенко, канд.техн.наук

Одесское СКБ специальных станков

г. Одесса

В гидрофицированных станках с возвратно-поступательно перемещающимися узлами наиболее интенсивными источниками колебаний являются возмущения, действующие при реверсировании узлов. Для получения высокого качества обрабатываемых поверхностей скорость движения стола плоскошлифовальных станков с прямоугольным столом во время контакта детали со шлифовальным кругом необходимо поддерживать постоянной, а торможение и разгон производить после выхода детали из зоны резания [1]. Желательно, чтобы колебания, возникающие при реверсировании, завершались до возобновления контакта детали с кругом. Для повышения плавности реверса время переходного процесса увеличивают, но при этом возрастают выбеги стола, что снижает производительность обработки. Кроме того, максимальные относительные колебания могут происходить не в середине, а в начале процесса торможения, когда круг еще не сошел с детали. В таком случае увеличение хода стола не дает желаемых результатов. Величина выбега стола зависит как от скорости его подачи, так и от массы приспособления с обрабатываемой деталью. В плоскошлифовальных станках с ручным управлением настройка элементов гидропривода, регулирующих процессы реверсирования, обычно выполняется для максимальной скорости стола, требует специальных датчиков и занимает много времени [2]. В настоящее время главным направлением в разработке машиностроительной техники и, в частности, металлорежущих станков является создание интеллектуальных машин, способных самостоятельно адаптироваться к изменяющимся условиям, выбирать оптимальные условия функционирования [3].

Целью данной статьи является изложение результатов исследований и разработок гидропривода подачи стола, в котором настройка параметров реверса может осуществляться системой ЧПУ станка. Цикл работ в этом направлении проводился в Одесском СКБ специальных станков (ОСКБСС) и Одесском национальном политехническом университете. За основу был принят гидропривод с объемно-дроссельным регулированием скорости на базе регулируемого пластинчатого насоса, исследование которого проводилось совместно с ЭНИМСом. Первоначально были рассмотрены аналитические зависимости для выбора параметров механизма управления насосом применительно к плоскошлифовальным станкам [4], а затем учтены инерционные потери давления в магистралях управления, потери давления на демпфере и др. [5]. Теоретический анализ пластинчатого насоса с управлением по давлению показал, что регулятор и насос представляют собой колебательное звено, и устойчивая работа его в гидросистеме подачи стола будет обеспечена лишь при положительном статизме характеристики насоса. На основании полученных зависимостей было найдено выражение для определения собственной частоты регулятора механизма управления

,

где - жесткость пружины регулятора подачи насоса; - коэффициент пропорциональности горизонтальной составляющей силы смещения статорного кольца при давлении насоса; - приведенная масса регулятора; - площадь поршня цилиндра регулятора; и - длина и площадь сечения магистралей управления; - плотность рабочей жидкости.

Рисунок 1 - Гидравлическая схема привода продольной подачи стола профилешлифовального станка

На следующем этапе осуществлялось экспериментальное исследование гидропривода сначала на специальном стенде, а затем на плоскошлифовальном станке. Для оценки влияния переходных процессов в гидроприводе на колебания несущей системы станка сравнивались расчетные и экспериментальные значения собственных частот механизма управления насоса при различных настроечных параметрах. Анализ показал близкое совпадение указанных значений. Установка на столе станка датчика ускорения помогла выявить взаимосвязь между изменениями давления насоса и силами инерции, действующими при реверсировании. Данные исследований и многолетний опыт проектирования плоскошлифовальных станков в ОСКБСС позволили создать широкодиапазонный цифровой электрогидравлический привод подачи стола с оперативным микропроцессорным УЧПУ.

Питание гидравлической системы привода стола (рис.1) осуществляется от регулируемого пластинчатого насоса 1 с комбинированным управлением по давлению в момент реверса и перепаду давления на дросселирующем элементе при установившейся скорости стола. Распределитель 2 с электромагнитным управлением и распределитель 7 осуществляют блокировку перемещения стола при сбое в работе УЧПУ в момент запуска или при случайном падении давления в гидравлической системе.

Управление перемещением стола осуществляется задающим шаговым электродвигателем М, который через беззазорную винтовую пару смещает золотник четырехкромочного дросселирующего распределителя 8. Команды на шаговый двигатель поступают от микропроцессорного устройства ЧПУ, куда приходит текущая информация от различных датчиков станка. С другой стороны распределителя находится трехзонный микропереключатель с бесконтактными индуктивными выключателями, который контролирует положение золотника во время запуска гидропривода. Если в этот момент золотник распределителя 8 находится не в среднем положении, то микровыключатель формирует команду для включения вращения шагового электродвигателя в направлении, обеспечивающем среднее положение золотника.

После завершения этой процедуры открывается распределитель 7, шаговый электродвигатель М поворачивается на определенный угол, смещая золотник распределителя 8 в ту или иную сторону от среднего положения (в зависимости от поступившей команды от системы управления). При этом рабочая жидкость под давлением поступает в одну из полостей гидроцилиндра 4, а противоположная полость соединяется с баком через проходные сечения распределителей 7 и 8. Стол начинает поступательное движение со скоростью, обусловленной расположением кромок золотника относительно расточек втулки дросселирующего распределителя 8. При поступлении команды на реверс стола шаговый электродвигатель поворачивается в противоположную сторону, смещая золотник на величину, при которой происходит реверс и разгон стола до заданной скорости. Остановка стола происходит также по команде от системы управления, когда шаговый двигатель снова устанавливает золотник распределителя 8 в среднее положение. Регулирование величины скорости стола осуществляется изменением подачи насоса 1, которая зависит от положения его статорного кольца относительно положения нулевой подачи. Это положение определяется равенством усилий, развиваемых пружиной регулятора насоса с одной стороны (слева), и усилием, определяемым давлением в полости нагнетания насоса и действующим на его статорное кольцо совместно с усилием, развиваемым цилиндром управления насосом (справа). Усилие, которое создает цилиндр управления, зависит от перепада давлений на сливных кромках дросселирующего распределителя 8.

На основании исследований размеры цилиндра управления насосом выбирались из условия, чтобы указанное выше равенство усилий, действующих на статорное кольцо, осуществлялось при перепаде давлений на сливных кромках 0,2-0,4 МПа. Причем меньшее значение перепада давлений соответствует большим подачам насоса и, следовательно, максимальной скорости стола, а большее - минимальным подачам. Таким образом, в этой гидросистеме на сливных кромках распределителя 8 поддерживается низкий и приблизительно постоянный перепад давлений. Поэтому давление нагнетания насоса определяется в основном гидравлическими сопротивлениями системы и величиной нагрузки на привод стола. Следовательно, во время рабочего хода стола подача и давление насоса строго согласуются с нагрузкой привода и заданной скоростью стола. Это обеспечивает высокий КПД гидропривода и, следовательно, минимальные тепловыделения в системе. Для исключения влияния колебаний давления, связанного с колебанием величины нагрузки на привод стола, полость цилиндра управления насосом соединена с входом сливного тракта распределителя 8 через дроссель, который выполняет функцию настраиваемого демпфера колебаний.

Регулирование скорости происходит в следующем порядке. При изменении положения золотника распределителя 8 относительно расточек втулки изменяется перепад давлений на его сливных кромках, а следовательно, и усилие цилиндра управления, действующее на статорное кольцо насоса. Статорное кольцо начинает смещаться, изменяя при этом подачу и, следовательно, скорость стола до тех пор, пока не восстановится на них прежний перепад давлений.

Так как сливные магистрали и соответственно кромки распределителя, находящиеся на сливном тракте, меняются при каждом реверсе стола, то для автоматического подключения соответствующей полости гидроцилиндра 4 к цилиндру управления насосом применен распределитель 5 с гидроуправлением от магистралей гидроцилиндра 4. С целью улучшения условий работы гидроцилиндра и исключения жестких ударов при торможении и реверсе в гидросхеме установлены клапаны 3 и 6 защиты от перегрузки.

При моделировании гидропривода на ПЭВМ анализировались его динамические характеристики в случае установки дросселирующего элемента «на входе» и «на выходе» гидросхемы. Если дросселирование осуществлялось «на выходе», то для устойчивой работы механизма управления подачи без снижения быстродействия требовалось дополнительное демпфирование полости регулятора. При дросселировании «на входе» устойчивая работа механизма управления обеспечивалась при значительно меньшем гидравлическом сопротивлении демпфера цилиндра управления и соответственно при высоком его быстродействии. Поэтому использование в схеме на рис.1 четырехкромочного дросселирующего распределителя, который обеспечивает регулирование потока жидкости до и после гидроцилиндра, является лучшим решением с точки зрения динамики привода.

Кроме того, выбор максимальной величины ускорения при реверсе должен быть увязан с возможностями шагового двигателя и его системы управления. При неправильном выборе движение стола может не соответствовать закону, определяемому УЧПУ. Результаты моделирования показали, что удобнее ограничивать минимальную величину пути торможения, что согласуется с рекомендациями завода-изготовителя широкодиапазонных цифровых электрогидравлических приводов:

, мм;

где - приведенная к штоку гидроцилиндра масса подвижных частей стола, приспособления и обрабатываемой детали, кг; - скорость движения стола, м/мин; - рабочая площадь поршня гидроцилиндра стола, см²; - рабочее давление в гидросистеме, МПа.

Разработанный на основе результатов комплексных исследований, гидропривод продольного перемещения стола профилешлифовального станка особо высокой точности позволяет обеспечить автоматический цикл обработки с требуемой точностью, легко перенастраиваемый от УЧПУ. По сравнению с базовым станком с ручным управлением примерно в 1,6 раза увеличивается производительность станка. Гидропривод обладает лучшими энергетическими характеристиками, надежен в эксплуатации. Результаты исследований и разработок могут быть использованы в других станках и машинах с возвратно-поступательными движениями рабочих органов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Столбов Л. С., Перова А.Д., Ложкин О.В. Основы гидравлики и гидропривод станков -- М.: Машиностроение, 1988. --256 с.

2. Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. -- М.: Машиностроение, 1988. -- 512 с.

3. Коваленко В.С. Новые тенденции в развитии машиностроения и обработки металлов: Зб. наук. пр. Кіровоград. держ. техн. ун-ту. - Кіровоград.- 2003. -- Вип.12.--С.3-12.

4. Тіхенко В.М. До розрахунку параметрів механізму керування регульованих пластинчастих насосів гідроприводів шліфувальних верстатів // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. -- 1998.- №1. -- С. 92 -- 94.

5. Тихенко В.Н. Исследование станочных гидроприводов с насосами, управляемыми по перепаду давления на дросселе скорости рабочего органа // Вестник нац. техн. ун-та Украины «КПИ». -- 1999. -- Вып. 35. -- С. 42 --46.