Привод безступінчастого регулювання зазору в гідростатичних опорах для компенсації зміщень шпинделя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 621.9.06-82(043.3/5)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Привод безступінчастого регулювання зазору в гідростатичних опорах для компенсації зміщень шпинделя

Спеціальність 05.02.02 - “Машинознавство”

Бойко Сергій Васильович

Вінниця - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Чернігівському державному технологічному університеті (ЧДТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Сахно Юрій Олексійович, Чернігівський державний технологічний університет, професор кафедри інтегрованих технологій машинобудування і автомобілів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шевченко Олександр Віталійович Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри конструювання верстатів та машин;

кандидат технічних наук, доцент Тіхенко Валентин Миколайович Одеський національний політехнічний університет, доцент кафедри металорізальних верстатів, метрології та сертифікації.

Захист відбудеться “02” 07 2009 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ауд. 210, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “26” 05 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Дерібо.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Шпиндельний вузол верстата є основним формоутворюючим вузлом. Більшість шпиндельних вузлів сучасного прецизійного обладнання встановлено на високошвидкісні опори, принцип дії яких засновано на рідинному терті. Саме підшипникові вузли суттєво впливають на економічність, надійність та точність верстатів.

Гідравлічні опорні вузли прецизійного обладнання оснащено гідростатичними опорами, параметри яких вибираються при проектуванні для спеціальних умов експлуатації. В процесі роботи зі знакозмінним навантаженням жорсткість спроектованих опор виявляється або недостатньою, що призводить до зміщення осі шпинделя, або завеликою за певних умов виробництва, що призводить до непотрібних витрат потужності на рідинне тертя і витрат робочої рідини.

Аналіз теоретичних і експериментальних робіт дозволяє дійти висновку, що основним параметром гідростатичних опор (ГСО), який визначає їхню жорсткість, несучу здатність і можливість впливати на стабільність положення осі шпинделя, є розмір радіального зазору між шпинделем і гідростатичною втулкою.

У наш час використовують різноманітні приводи керування величиною радіального зазору в гідростатичних опорах, але поряд зі значними перевагами вони мають ряд недоліків, що потребують подальшого вивчення і вдосконалення. Незважаючи на накопичений досвід в теорії і практиці керування шаром рідини в гідростатичних опорах, є ряд невирішених питань як у галузі автоматизації компенсуючих пристроїв, так і в галузі теорії керування розміром радіального зазору. Завдання автоматичного керування даним параметром опори в процесі механічної обробки простими і надійними пристроями дотепер не вирішене. Рішення цього завдання на даному етапі є актуальною проблемою в машинобудуванні.

Дана робота спрямована на вирішення цієї проблеми і присвячена розробці засобів керування параметрами опор.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася в рамках науково-дослідної роботи «Розробка теорії і способів зниження віброактивності високошвидкісних шпиндельних вузлів технічних систем» номер державної реєстрації №0103U00469, наказ МОНУ від 05.11.02 р. №633 та «Теорія систем адаптивного керування прецизійною обробкою на металорізальних верстатах з гідростатичними опорами» номер державної реєстрації №0106U000427 відповідно до пріоритетного напрямку «машинобудування», наказ МОНУ від 16.11.05 р. №654. Автор дисертації брав безпосередню участь у виконанні науково-дослідних робіт як виконавець.

Мета і завдання дослідження - створення та дослідження приводу безступінчастого регулювання зазору в гідростатичних опорах для підвищення жорсткості шпинделя при змінному навантаженні. Для досягнення поставленої мети виконувались наступні завдання:

- аналіз сучасного стану досліджень у галузі підвищення точності обертання осі шпинделя на гідростатичних опорах, визначення особливості і проблематики застосування приводів керування даними опорами у вузлах верстатів для підвищення їхньої точності і надійності, визначення тенденцій і пропозицій їхнього подальшого розвитку і вдосконалення;

- розробка математичної моделі приводу автоматичного керування величиною радіального зазору в регульованих ГСО з каналом зворотного зв'язку за зміщенням шпинделя, дослідження роботи приводу;

- теоретичне дослідження робочих процесів у виконавчому механізмі приводу - регульованій ГСО;

- проведення експериментальних досліджень виконавчого механізму приводу гідростатичних опор з регулюванням величини радіального зазору та їхній аналіз;

- розробка методики гідродинамічного аналізу гідростатичних опор за допомогою CAD/CAE систем.

Об'єкт дослідження - процес компенсації коливань шпинделя на гідростатичних опорних вузлах.

Предмет дослідження - приводи керування величиною радіального зазору в регульованих гідростатичних опорах шпинделя.

Методи дослідження. Математичне моделювання приводів керування параметрами радіального зазору в регульованих ГСО і модернізованої шліфувальної бабки базуються на чисельних методах диференційного аналізу, теорії автоматичного керування і основних положеннях динаміки верстатів; дослідження робочих процесів у виконавчому механізмі приводу - регульованій ГСО, виконані на основі положень гідродинамічної теорії змазки, а саме за допомогою рівнянь Пуазейля; експериментальні дослідження ефективності використання регульованих ГСО в шпиндельних вузлах, в якості виконавчого механізму приводу керування, виконані за допомогою натурного моделювання; при експериментальних дослідженнях використовувався спеціальний стенд, розроблений на базі торцекруглошліфувального верстата моделі 3Т161; обробка експериментальних даних здійснювалась за допомогою методів математичної статистики; теоретичні дослідження математичної моделі приводу керування і ефективності використання регульованих гідростатичних опор виконано за допомогою ПЕОМ, системи SIMULINK пакета MATLAB.

Наукова новизна одержаних результатів.

1) вперше розроблено математичну модель електрогідравлічного приводу регульованої ГСО з каналом зворотного зв'язку за коливаннями шпинделя;

2) вперше створено математичну модель приводу автоматичного керування розміром радіального зазору в ГСО на основі використання програмованого мікроконтролеру;

3) розвинена класифікація методів керування розмірами радіального зазору ГСО і факторів, що впливать на його величину;

4) вперше встановлено залежність радіального зміщення шпинделя від функції регульованого зазору у виконавчому механізмі приводу керування.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень:

1) розроблено новий спосіб безступінчастої зміни радіального зазору в ГСО, суть якого полягає в тому, що радіальний зазор регулюють шляхом зміни величини внутрішнього діаметру розрізної цанги, яку здійснюють деформуванням її пелюстків (Патент UA №82425 F16C 27/00, F16C 33/04);

2) розроблено нову конструкцію регульованих ГСО у вигляді 3-х пелюсткової цанги;

3) створено і досліджено промислові зразки регульованої гідростатичної опори, які дозволяють змінювати жорсткість переднього кінця шпинделя в 1,5 разу і керувати його зміщеннями під дією навантаження;

4) розроблена конструкція опори впроваджена у виробництво на підприємстві ТОВ «Український кардан» (акт прийому передачі технічної документації від 03.10.2007 р., акт використання науково-технічної розробки від 19.05.2008) в модернізованій шпиндельній бабці торцекруглошліфувального верстата моделі 3Т161;

5) розроблений експериментальний стенд на базі торцекруглошліфувального верстату моделі 3Т161, призначений для дослідження процесів компенсації коливань шліфувальної бабки з регульованими ГСО;

6) встановлено найбільш раціональну за швидкодією, вартістю і габаритами конструкцію приводу для керування величиною радіального зазору в розроблених регульованих ГСО;

7) розроблено методику гідродинамічного аналізу опорних вузлів технологічного обладнання на основі застосування CAD/CAE систем, яка дозволяє на етапі проектування визначати фізичні явища та процеси, що відбуваються в машинах, без розробки складних математичних моделей.

Особистий внесок здобувача. В роботі [1] наведені результати експериментальних досліджень коливань шпиндельного вузла на ГСО токарного верстата УТ16А; в роботі [2, 3, 4] досліджено спеціальний регулятор для підвищення жорсткості ГСО, встановлено залежність витрат в опорах і величини зміщення шпинделя в залежності від кута дії навантаження, досліджено АФЧХ регулятора; в роботі [5] розглянуто принцип дії і конструкцію розроблених регульованих гідростатичних опор; в роботі [6] запропонована математична модель електрогідравлічного приводу автоматичного керування розміром радіального зазору; в роботі [7] проведені теоретичні дослідження динамічних характеристик електрогідравлічного приводу автоматичного керування розміром радіального зазору; в роботі [8] проведені теоретичні дослідження динамічних характеристик шпиндельного вузла верстата, встановленого на розроблені регульовані ГСО; в роботі [9] розроблено динамічну модель шпиндельного вузла торцекруглошліфувального вузла моделі 3Т161; в роботі [10] досліджено ефективність використання електрогідравлічного приводу автоматичного керування розміром радіального зазору; в роботі [11] проведено оптимізаційні дослідження приводів, автоматичного керування розміром радіального зазору, декількох конструктивних виконань; в роботі [13] проведені експериментальні дослідження розробленої конструкції гідростатичних опор, доведено ефективність їхнього використання в якості виконавчого механізму приводу керування радіальними зміщеннями шпинделя; в роботі [14] розробка електронних S-моделей за допомогою пакету MATLAB мехатронної системи автоматичного керування; в роботі [15] встановлено залежність витрат в опорах і величини зміщення шпинделя в залежності від кута дії навантаження, досліджено АФЧХ регулятора; в роботі [16] розрахунок основних залежностей керування величиною зазору.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертаційної роботи розглядались на науково-технічних конференціях: «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці», яка відбулась 2005 року в місті Краматорську з доповіддю «Исследование виброактивности шпиндельного узла прецизионного токарного станка на гидростатических опорах»; «Промислова гідравліка і пневматика», яка відбулась 17 - 18 листопада 2005 року в місті Львові з доповіддю «Компенсація зміщень шпинделя під навантаженням в гідростатичній опорі»; «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці», яка відбулась 24-26 травня 2006 року в місті Києві з доповіддю «Динамічні характеристики шпиндельних регульованих гідростатичних підшипників торцекруглошліфувального верстата»; «Промислова гідравліка і пневматика», яка відбулась 4 - 6 жовтня 2006 року в місті Вінниці з доповіддю «Адаптивне керування точністю обертання шпинделя на гідростатичних опорах»; «Гидроаэромеханика в инженерной практике», яка відбулась 21 - 25 травня 2007 року в місті Луганську з доповіддю «Математична модель приводу керування радіальним зазором в регульованих гідростатичних опорах»; «Вібрації в техніці і технологіях», яка відбулась 1 - 5 жовтня 2007 року в місті Дніпропетровську з доповіддю «Вібростійкість незрівноваженого шпиндельного вузла». В повному обсязі дисертаційна робота розглядалась на міжкафедральному семінарі ЧДТУ 20 жовтня 2008 року; на міжкафедральному семінарі Вінницького національного технічного університету 16 грудня 2008 року. Матеріали дисертації використані в звітах з НДР.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 16 друкованих робіт (14 статей у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України, 2 патенти: 1 - на корисну модель, 1 - на спосіб).

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури та додатків і включає 142 сторінки основного тексту, 92 рисунки, список літератури зі 118 найменувань та 67 сторінок додатків.

Основний зміст роботи

У вступі відображено актуальність теми, поставлена мета і визначені задачі роботи, наведена наукова новизна і практичне значення результатів роботи, наведені відомості про особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації. Відзначено роль у створенні приводів керування провідних вчених України Бочарова В. П., Зайончковського Г. Й., Струтинського В. Б., Ісковича-Лотоцького Р. Д., Яхно О. М., Лур'є З.Я. і ін. Зроблено аналіз розвитку теорії і практики автоматичного регулювання розміром радіального зазору в гідростатичних опорах у роботах Костогриза А.П., Решетова Д.Н., Снеговського Ф.П., Бушуєва В.В., Вектеріса В.Ю., Сахно Ю.О., Ковальова В.Д. та ін.

У першому розділі викладено результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов'язаної з роботою сучасного прецизійного обладнання, а саме із засобами підвищення точності обертання шпинделя встановленого на гідростатичні опори (ГСО).

Аналіз процесу керування положенням роторів і шпинделів виявив необхідність пошуку таких їхніх параметрів, які задовольняють мінімальним відхиленням вихідних параметрів від заданої точності обертання. І тому, для керування процесом обертання шпинделя, використання гідростатичних опор як приводу мікропереміщень і як таких, що мають можливість змінювати навантажувальні характеристики в процесі роботи, є перспективним напрямком. шпиндель гідростатичний автоматичний

Аналіз теоретичних і експериментальних робіт дозволяє дійти висновку, що основним параметром гідростатичних опор, який визначає їхню жорсткість, несучу здатність і можливість впливати на стабільність положення осі шпинделя, - є розмір радіального зазору між шпинделем і гідростатичною втулкою.

З метою вибору об'єкта досліджень і створення високоефективного присторю для керування положенням шпинделя - проаналізовано досягнутий вітчизняний і світовий рівень у галузі автоматичного керування розміром радіального зазору гідростатичних опор; набула розвитку класифікація методів керування даним параметром і факторів, що впливать на нього. Класифікація дозволила упорядкувати відомі рішення конструкцій приводів, опор і на цій основі взяти за базу досліджень найбільш просте конструктивне рішення - регулювання розмірів радіального зазору між шпинделем і опорою за рахунок зміни геометричних параметрів останньої.

Розглянуто технічну ідею керування розміром радіального зазору в гідростатичних опорах і доведено важливість впливу радіального зазору на динамічні характеристики як самих опор, так і шпиндельного вузла, що є основою формоутворюючих рухів.

У другому розділі запропоновано новий спосіб регулювання діаметрального зазору і конструкція регульованої гідростатичної опори для його реалізації.

Спосіб регулювання діаметрального зазору полягає в деформуванні гідростатичної втулки. Гідростатична втулка виконана у вигляді розрізної цанги, що має декілька пелюстків, в кожному з яких виконані робочі кармани, в які подається рідина через штуцери, що мають можливість вільно переміщуватись разом з пелюстками в межах регулювання зазору. Цанга при деформуванні дозволяє регулювати діаметральний зазор компенсуючи вплив похибки форми шийок вала на точність обробки заготовок.

Конструкція складається: з втулки, що має внутрішній конічний отвір і встановлюється в корпусі; гідростатичної втулки, що виготовлена у вигляді цанги з кутом нахилу в=15є і дозволяє при деформуванні регулювати діаметральний зазор д без зміни форми отвору втулки; натяжної гайки (або колеса) з внутрішньою різзю М120Ч0,75, що виконує роль натяжного елемента і за допомогою черв'ячної передачі дозволяє змінювати зазор в радіальному напрямку.

З метою ефективного автоматичного керування розміром радіального зазору в даному розділі було розроблено і проаналізовано три типи приводів керування новою конструкцією опори. Дослідження приводів проводились за допомогою побудованих математичних моделей. Було розглянуто наступні типи приводів - електрогідравлічний привод з регулятором релейного типу; електрогідравлічний привод з регулятором на базі мікроконтролера; мехатроний привод з регулятором на базі мікроконтролера.

Загальну математичну модель електрогідравлічного приводу можна представити у вигляді нелінійних рівнянь (1-9). Де рівняння 1 - описує динаміку шпиндельного вузла; 2, 3 - умова спрацювання аналогового пристрою; 4, 5 - відноситься до електромеханічного перетворювача; 6 - рівняння витрат рідини гідропідсилювача; 7 - рівняння динаміки поршня гідроциліндру; 8, 9 - основні кінематичні залежності зубчатої передачі і регульованої ГСО. Для реалізації даних математичних моделей на ЕОМ дана система рівнянь була представлена за допомогою функції Лапласа і приведена до вимог теорії автоматичного керування.

(1)

де - маса шпинделя; - еквівалентний коефіцієнт демпфірування гідростатичних опор; у - поперечні коливання шпинделя; е₁ - деформативність шпинделя в зоні різання; - динамічна складова сили різання; - зусилля в приводній передачі; е₂ - деформативність шпинделя в зоні різання при прикладанні сили в пасовій передачі; в - кут між силою різання і віссю z; в_к - кут розміщення шестерні приводної передачі відносно у; в₁ - кут зачеплення в приводній передачі.

(2), (3)

де U_Д - сигнал зворотного зв'язку, що надходить з датчика коливань; U_оп - опорна напруга (керуючий сигнал); І_вих - вихідний сигнал.

(4), (5)

де т - маса рухомої системи; h - коефіцієнт демпфірування; - жорсткість центруючої пружини; - крутість тягової характеристики перетворювача; - струм керування; R - активний опір обмотки; u - вхідна напруга.

(6)

де р_н - тиск живлення; р - навантаження (перепад тисків у робочих порожнинах гідродвигуна); с - масова густина рідини; d - діаметр золотника; х - переміщення золотника; м - коефіцієнт витрати.

(7)

де y - переміщення поршня; t - час; - загальна рухома маса частин поршня; - ефективна площа поршня в напірній порожнині; - ефективна площа поршня в зливній порожнині; - тиск в зливній порожнині; Т - сила тертя в гідроциліндрі; - вага рухомих частин; Р- сила корисного навантаження.

(8), (9)

де Р_різі - крок різі; - число зубів шестерні; - окружний ділильний модуль зубів шестерні; r - радіус різі хвостової частини регульованої ГСО; z - число заходів різі; d₂ - середній діаметр різі; б₁ - кут нахилу зовнішньої конічної поверхні опори.

Структурна схема мехатронного приводу відрізняється лише наявністю крокового електромотора і відсутністю певних елементів приводу.

Рівняння динаміки крокового електромотору:

(10)

де J - момент інерції ротора крокового двигуна; D - коефіцієнт густинного тертя; p - число пар полюсів; Ф - магнітний потік; М - взаємоіндукція; n - число витків; I₀ - постійна складова струму в обмотках; и - кут, що визначає положення ротора.

Піддавши дане рівняння перетворенню Лапласа при початкових умовах, у початковий момент часу t=0, одержимо

(11)

де s - оператор Лапласа.

Розв'язання рівняння (10) методом перетворення за Лапласом (при нульових початкових умовах) дало можливість отримати операторне рівняння (11), якому відповідає передавальна функція (12):

(12)

Аналіз отриманих результатів показав, що релейні слідкуючі системи мають суттєвий недолік - автоколивання і, як наслідок, вібрація вихідного валу. Поява автоколивань обумовлена тим, що релейна ланка має вихідну характеристику з нескінчено великим коефіцієнтом підсилення, але з обмеженою амплітудою, внаслідок чого вихідне значення зазору є нестабільним. Крім того, повної стабілізації вихідного параметру не спостерігається. Дана система має низьку швидкодію і ненадійна за рахунок великої кількості елементів. У початковий момент, близько 15 секунд, спостерігається значне перерегулювання, що може призвести до металевого контакту в опорі.

При моделюванні роботи електрогідравлічного приводу з регулятором на базі мікроконтролера видно, що наявність мікроконтролера, призначеного для обробки аналогових сигналів і формування сигналів керування, значно підвищила швидкодію даної системи - близько 10 - 15 сек. Величина вихідного сигналу є стабільною і після спрацювання привода залишається незмінною. Величина перерегулювання незначна в порівнянні з системою релейного типу, але все ж таки має місце.

Що система з шаговим електромотором і регулятором на базі мікроконтролера є найбільш ефективною системою для керування величиною діаметрального зазору за всіма досліджуваними характеристиками. Вона має високу швидкодію - 1,5 секунд, яка пояснються наявністю мікроконтролера і значним спрощенням конструкції привода, відсутні перерегулювання, система має меншу собівартість і більш компактна.

З метою встановлення причини перерегулювання в електрогідравлічному приводі було проведено динамічний аналіз окремих елементів даного типу приводу.

При дослідженні роботи електромеханічного перетворювача (ЕМП) з різними значеннями жорсткості центруючої пружини було встановлено, що саме даний елемент є джерелом перерегулювань в електрогідравлічному приводі. Процес стабілізації положення штоку ЕМП, в залежності від жорсткості центруючої пружини, має тривалість від 2 до 3 сек. При збільшенні жорсткості центруючої пружини тривалість процесу стабілізації положення штока зменшується. Змінюється амплітуда і фаза коливань штока в момент стабілізації.

Процес стабілізації вихідного параметра й усунення перерегулювань поширюється і на інші елементи приводу, а при дослідженні перехідних процесів гідроциліндру, зміна жорсткості центруючої пружини ЕМП не вносила жодних змін в перехідну характеристику даної ланки. Лише при зміні коефіцієнта демпфірування робочої рідини гідросистеми - відбулась стабілізація величини переміщень штока і відповідно величини радіального зазору.

На основі отриманих даних можна сказати, що саме ЕМП і гідроциліндр є коливальними ланками даного типу приводу. Вказані ланки є джерелом коливальних процесів в роботі приводу і значно зменшують його швидкодію.

У третьому розділі проведено динамічний аналіз шпиндельного вузла на регульованих гідростатичних опорах, які являють собою виконавчий механізм приводу. Зокрема, за допомогою методу початкових параметрів в матричній формі, реалізованого на ЕОМ, було визначено вплив радіального зазору у виконавчому механізмі приводу на динамічні характеристики шпиндельного вузла - форми коливань, амплітуду, значення першої та другої резонансних частот шпинделя, амплітудно-фазові частотні характеристики (АФЧХ).

З теоретично отриманих графіків АФЧХ вдалося з'ясувати, що зі збільшенням діаметрального зазору від 40 до 80 мкм коефіцієнт статичної податливості Кеус, в перерізі 13 - місце встановлення індикатора при експериментальних дослідженнях, збільшується від 0,08 до 0,13 мкм/Н (тиск в карманах опор 0,8 МПа), тобто при навантаженні шпинделя одиничною силою 1 Н зміщення шпинделя на нульовій частоті збільшується.

Динамічна податливість системи, яка виражає собою відношення переміщення в перетині 13 до сили, прикладеної в тому ж перетині (при зміні діаметрального зазору від 40 до 80 мкм), змінюється від 0,41 до 0,65 мкм/Н при тиску в карманах опор 0,8 МПа і від 0,29 до 0,32 мкм/Н при тиску в карманах опор 4 МПа.

Аналіз динамічних характеристик шпинделя показав, що регулювання зазору між шпинделем та втулкою має значний вплив на такі параметри опор як жорсткість, демпфірування та несучу здатність.

З метою досліджень динамічних процесів, що мають місце в регульованих ГСО під час регулювання діаметрального зазору, була створена математична модель розробленої опори, яка базується на рівняннях Пуазейля, що описують витрати рідини в гідростатичних опорах. У результаті моделювання роботи даної опори при знакозмінному навантаженні синусоїдального характеру за допомогою засобів системи SIMULINK пакета MATLAB отримано значення тиску і витрат рідини в кожному кармані опори при відповідних положеннях шпинделя і при різних значеннях робочого зазору в опорі. Використовуючи дану математичну модель регульованої ГСО, окрім значень величини тиску і витрат рідини в карманах, отримано залежність е=f(Р, д) - траєкторії зміщень осі шпинделя від різних значень навантаження і радіального зазору.

Результатом моделювання є траєкторія зміщень осі шпинделя в передній регульованій ГСО. Дослідження траєкторії осі шпинделя проводились при різних значеннях величини радіального зазору в опорі: 40, 30 і 20 мкм, та при різних значеннях сили, що діє на шпиндель верстата: 280, 210 і 140 Н. У результаті регулювання зазору за допомогою розробленої конструкції опор вдалося вплинути на величину зміщень осі шпинделя відносно початкового положення, а також зменшити розміри траєкторії руху осі шпинделя (еліпс) навколо власної осі.

З метою дослідження процесу компенсації зміщень шпинделя була розглянута математична модель шпиндельного вузла торцекруглошліфувального верстата моделі 3Т161, який було використано в якості експериментального стенду. Дана математична модель побудована з врахуванням сил, які діють на шпиндель з боку приводної передачі і зони різання. При дослідженнях увага приділялась переміщенням шпинделя в горизонтальній площині хоу, оскільки переміщення в вертикальній площині мають незначний вплив на точність обробки.

Модель шпиндельного вузла, встановленого на регульовані ГСО, була зведена до одномасової системи і описується наступною системою рівнянь

,

де - приведена до зони різання маса шпинделя, - еквівалентний коефіцієнт демпфірування гідростатичних опор, - динамічна складова сили різання, - еквівалентна жорсткість шпинделя, - переміщення шпинделя з кругом, - деформативність шпинделя разом із кругом в зоні різання, - деформативність шпинделя разом із кругом в зоні різання при прикладанні сили в пасовій передачі, - сила в пасовій передачі, - кут нахилу ремінної передачі, - кут між силою різання і віссю z, - момент інерції шпинделя, - діаметр круга, - діаметр шківа, - динамічна складова кута повороту шпинделя.

Створивши S-модель шпиндельного вузла в системі візуального математичного моделювання SIMULINK пакета MATLAB, були проведені дослідження даної моделі при різних значеннях діаметрального зазору - 100, 60 і 20 мкм та з різними значеннями частоти обертання шпинделя - 2400, 3000 і 3600 об/хв. Результатом моделювання є часова залежність переміщень шпиндельного вузла в поперечній площині ХОУ та спектр даних переміщень, отриманий за допомогою перетворення Фур'є.

Як видно з результату моделювання, при зменшенні величини діаметрального зазору за допомогою регульованої ГСО амплітуда поперечних коливань та щільність сигналу зменшуються, хоча даний процес спостерігається не надто чітко.

Оскільки часова залежність не може дати змогу виділити частоти регулярних складових сигналу, було вирішено скористатись перетворенням Фур'є для дослідження процесу коливань шпиндельного вузла на різних частотах обертання шпинделя і з різним значенням діаметрального зазору в регульованих ГСО.

У результаті зменшення діаметрального зазору від 100 мкм до 40 мкм - амплітуда коливань на основних частотах збуджуючого сигналу зменшується: при частоті обертання 2400 об/хв від 0,5 мкм до 0,08 мкм; при частоті обертання 3000 об/хв від 0,57 мкм до 0,082 мкм; при частоті обертання 3600 об/хв від 2,4 мкм до 0,37 мкм.

У четвертому розділі наведені методика і результати експериментальних досліджень виконавчого механізму приводу - регульованих ГСО, встановлених на торцекруглошліфувальному верстаті моделі 3Т161. Дослідження проводились в лабораторіях Чернігівського державного технологічного університету і на підприємстві ТОВ «Український кардан». Проведені дослідження показали, що нова конструкція опор дозволяє змінювати жорсткість переднього кінця шпинделя майже в 1,5 разу, а зміщення при навантаженні 1200 Н - на 50 мкм. Дослідження проведені при тиску в карманах опор - 0,8 МПа.

З метою оцінки статичної жорсткості переднього кінця шпинделя торцекруглошліфувального верстата моделі 3Т161 при значеннях тиску 30, 40 і 50 кгс/см² було використано метод початкових параметрів в матричній формі, який реалізовано програмно на ЕОМ.

Згідно з ГОСТ 8-82 22267 76, який регламентує вимоги до точності обертання шпинделя, встановлено основні показники що визначають точність його обертання. Зокрема, мова йде про радіальне биття центрувальної шийки шпинделя.

Таким чином, було проведено вимірювання радіального биття центрувальної шийки шпинделя торцекруглошліфувального верстата 3Т161 при різних значеннях радіального зазору в ГСО. Зміна радіального зазору у виконавчому механізмі приводу - в регульованій ГСО - дозволила змінити значення радіального биття в зоні вимірювання на 4 мкм. Експериментальні значення радіального биття центрувальної шийки шпинделя, встановленого на розроблену конструкцію опор, не перевищують допустимих значень, що наведені в паспорті базової моделі верстата.

Динамічні показники шпиндельної групи верстата були оцінені за допомогою чисельних методів і теоретичних моделей, порівняння яких проводилось з експериментальними даними, отриманими при дослідженнях ГСО з різним радіальним зазором в роботах Інгерта Г.Х., Снеговського Ф.П., Федориненка Д.Ю. Експериментальні результати підтвердили, що зменшення радіального зазору в опорі підвищує її демпферні властивості і жорсткість, зменшуючи амплітуду коливань шпинделя.

Таким чином, експериментально доведено ефективність запропонованої конструкції регульованої ГСО. Розбіжність між результатами теоретичних і експериментальних досліджень становила 7,6%.

У п'ятому розділі розроблена методика гідродинамічного аналізу ГСО, яка дозволяє на етапі проектування визначати фізичні явища та процеси, що відбуваються в машинах, без розробки складних математичних моделей. Дана методика заснована на використанні методу скінченних елементів, а отримані в результаті розрахунків дані можуть надати корисну інформацію інженерам - проектувальникам під час розробок нових конструкцій опор.

Основні висновки та результати роботи

1. Розроблено новий спосіб регулювання зазору в ГСО, який захищено патентом № 82425, зареєстрованим в Державному реєстрі патентів України на винаходи 10.04.2008 року. Реалізація даного способу можлива за допомогою спеціально розробленої конструкції опор, які дозволяють змінювати радіальний зазор в ГСО.

2. Вперше створена математична модель приводу керування розміром радіального зазору в регульованих ГСО з каналом зворотного зв'язку за коливаннями шпинделя. За допомогою побудованої математичної моделі електрогідравлічного приводу було встановлено причину виникнення значних перерегулювань вихідного сигналу і джерело коливань.

3. Вперше створено математичну модель приводу автоматичного керування величиною радіального зазору в ГСО на основі використання програмованого мікроконтролеру. Встановлено найбільш раціональну за швидкодією, вартістю і габаритами конструкцію приводу для керування розміром радіального зазору в регульованих ГСО.

4. Аналіз динамічних характеристик математичної моделі шпинделя показав, що регулювання зазору у виконавчому механізмі приводу має значний вплив на такі параметри опор, як жорсткість, демпфірування та несуча здатність. Аналіз теоретично одержаних характеристик показав: при збільшенні діаметрального зазору від 40 мкм до 80 мкм амплітуда коливань шпинделя на резонансних частотах 176; 151; 132 Гц зростає на 0,49 мкм; коефіцієнт статичної податливості Кеус збільшується від 0,08 до 0,13 мкм/Н.

Амплітуда коливань шпинделя на робочій і нульовій частоті майже не відрізняються, лише на резонансній частоті амплітуда коливань зросла в середньому майже в 12 разів. Тому, при дослідженнях зміщень шпинделя на робочій частоті або частотах близьких до робочої, до уваги слід приймати лише статичну жорсткість.

5. Вдосконалена математична модель шпиндельного вузла торцекруглошліфувального верстата 3Т161 і виконавчого механізму приводу - регульованої ГСО. За допомогою розроблених моделей було досліджено вплив радіального зазору на динамічні характеристики опори. Результати теоретичних досліджень довели, що побудована модель адекватно відображає процеси, які відбуваються в опорі при коливаннях шпинделя.

6. Жорсткість переднього кінця шпинделя за рахунок застосування запропонованої конструкції опор в якості виконавчого механізму приводу керування зміщеннями шпинделя вдалося змінити майже в 1,5 разу, а зміщення шпинделя на 50 мкм - при навантаженні 1200 Н. Зміна радіального зазору у виконавчому механізмі приводу - в регульованій ГСО - дозволила змінити значення радіального биття в зоні вимірювання на 4 мкм.

Таким чином, можна вважати, що розроблена конструкція регульованої ГСО є працездатною і може ефективно використовуватись в прецизійних верстатах шліфувальної і токарної груп при постійно діючих змінних навантаженнях.

7. Динамічні показники шпиндельної групи верстата були оцінені за допомогою чисельних методів і теоретичних моделей, порівняння яких проводилось з експериментальними даними, отриманими при дослідженнях ГСО з різним радіальним зазором, в роботах Інгерта Г.Х., Снеговського Ф.П., Федориненка Д.Ю. Експериментальні результати підтвердили, що зменшення радіального зазору в опорі підвищує її демпферні властивості і жорсткість, зменшуючи амплітуду коливань шпинделя.

8. Встановлено залежність радіального зміщення шпинделя від функції регульованого зазору у виконавчому механізмі приводу керування. В результаті зменшення радіального зазору за допомогою регульованої ГСО величина зміщень осі шпинделя зменшується, окрім того, зменшується рух осі відносно власної системи координат.

9. Запропонована методика гідродинамічного аналізу ГСО, яка дозволяє на етапі проектування визначати фізичні явища та процеси, що відбуваються в машинах, без розробки складних математичних моделей. Отримані дані можуть надати корисну інформацію інженерам - проектувальникам під час розробок нових конструкцій опор.

10. Розроблена конструкція опори впроваджена у виробництво на підприємстві ТОВ «Український кардан» (акт прийому - передачі науково-технічної інформації від 03.10.2007 р., акт використання науково-технічної інформації від 19.05.2008) дана опора використана в модернізованій шпиндельній бабці торцекруглошліфувального верстата моделі 3Т161.

Список опублікованих праць здобувача

1. Сахно Ю.О. Исследование виброактивности шпиндельного узла прецизионного токарного станка на гидростатических опорах / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Промислова гідравліка і пневматика. -- 2005. -- №3(9). -- С. 101--105.

2. Сахно Ю.О. Компенсація зміщень шпинделя під навантаженням в гідростатичній опорі / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Промислова гідравліка і пневматика. -- 2006. -- №3(13). -- С. 92--97.

3. Сахно Ю.О. Модернізація системи змащування підшипників колінчастого валу / Ю.О. Сахно, Є.Ю. Сахно, Я.В. Шевченко, С.В. Бойко // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. -- 2008. -- № 34. -- С 95--99.

4. Сахно Ю.О. Компенсація витрат рідини гідроопори при навантаженні / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. -- 2006. -- №26. -- С. 41--47.

5. Сахно Ю.О. Підвищення точності обробки на шліфувальному верстаті моделі 3Т161 / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Вісник інженерної Академії України. -- 2006. -- №2-3. -- С. 104--109.

6. Сахно Ю.О. Математична модель приводу керування товщиною масляної плівки в регульованих гідростатичних опорах / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. -- 2007. -- №3. -- С. 201--206.

7. Сахно Ю.О. Динамічний аналіз електрогідравлічного приводу керування товщиною масляної плівки в регульованих ГСО / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Вісник інженерної Академії України. -- 2007. -- №2. -- С. 83--89.

8. Сахно Ю.О. Динамічні характеристики шпиндельних регульованих гідростатичних підшипників торцекруглошліфувального верстата / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Промислова гідравліка і пневматика. -- 2007. -- №1. -- С. 81--84.

9. Сахно Є.Ю. Вібростійкість незрівноваженого шпиндельного вузла / Є.Ю. Сахно, С.В. Бойко, В.С. Волик // Вібрації в техніці та технологіях. -- 2007. -- №2. -- С. 86--90.

10. Сахно Ю.О. Адаптивне керування точністю обертання шпинделя на гідростатичних опорах / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Промислова гідравліка і пневматика. -- 2007. -- №3. -- С. 56--59.

11. Сахно Ю.О. Дослідження приводів керування величиною діаметрального зазору в гідростатичних опорах / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.А. Іванець, С.В. Бойко // Вісник інженерної Академії України. -- 2008. -- №2. -- С. 177--182.

12. Бойко С.В. Дослідження коливань шпиндельного вузла торцекруглошліфувального верстата / С.В. Бойко // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. -- 2008. -- № 34. -- С. 100--109.

13. Сахно Ю.О. Дослідження жорсткості шпинделя шліфувального верстата на регульованих гідростатичних опорах / Ю.О. Сахно, Д.Ю. Федориненко, С.В. Бойко, В.С. Волик // Промислова гідравліка і пневматика. -- 2008. -- №3. -- С. 43--45.

14. Федориненко Д.Ю. Мехатронна система керування положенням шпинделя в радіальних гідростатичних підшипниках / Д.Ю. Федориненко, С.А. Іванець, С.В. Бойко // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. -- 2008. -- № 36. -- С. 54--64.

15. Пат. 77639 UA, МПК F16C 32/06. Регулятор жорсткості гідростатичних опор / Струтинський В.Б., Сахно Є.Ю., Федориненко Д.Ю., Бойко С.В.; заявник і патентовласник Чернігівський державний технологічний університет. - № а 2005 12380; заяв. 22.12.2005; опубл. 15.12.2006. Бюл. №12.

16. Пат. 82425 UA, МПК F16C 27/00, F16C 33/04. Спосіб регулювання зазору в гідростатичному підшипнику / Сахно Ю.О., Федориненко Д.Ю., Бойко С.В., Волик В.С.; заявник і патентовласник Чернігівський державний технологічний університет. - № а 2006 07254; заяв. 30.06.2006; опубл. 10.04.2008, Бюл. №7.

Анотації

Бойко С.В. Привод безступінчастого регулювання зазору в гідростатичних опорах для компенсації зміщень шпинделя. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.02 - Машинознавство. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2009 р.

У дисертаційній роботі розглянуто новий спосіб керування радіальним зазором в гідростатичних опорах і конструкцію опори для реалізації даного способу. За допомогою побудованих математичних моделей проведено аналіз трьох різноманітних приводів призначених для автоматизації процесу керування радіальним зазором в регульованій опорі, що є виконавчим механізмом приводу. Встановлено найбільш раціональний тип приводу. Визначені елементи електрогідравлічного приводу, що є джерелом процесу перерегулювань вихідного параметру - розміру радіального зазору. Проведено дослідження впливу радіального зазору у виконавчому механізмі на динамічні характеристики шпиндельного вузла. Зокрема, встановлено вплив розмірів радіального зазору на форми коливань шпинделя і його амплітуду. Отримано графіки поперечних коливань шпинделя і спектри вібропереміщень при різних значеннях зазору в опорі. Досліджено динамічні характеристики розробленої конструкції регульованих гідростатичних опор. Проведено експериментальні дослідження промислового зразка виконавчого механізму приводу - регульованих гідростатичних опор. Отримано експериментальні значення зміщень і статичної жорсткості переднього кінця шпинделя при різних значеннях навантаження і розмірів радіального зазору. Запропонована методика гідродинамічного аналізу гідростатичних опор.

Ключові слова: виконавчий механізм приводу, регульована гідростатична опора, шпиндельний вузол, привод, радіальний зазор.

Бойко С.В. Привод бесступенчатого регулирования зазора в гидростатических опорах для компенсации смещений шпинделя. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. - Винницкий национальный технический университет, Винница, 2009 г.

В диссертационной работе рассмотрен новый способ управления радиальным зазором в гидростатических опорах и конструкция опоры для реализации данного способа. При помощи построенных математических моделей проведен анализ трех разнообразных приводов, предназначенных для автоматизации процесса управления размером радиального зазора в регулируемой опоре, которая является исполнительным механизмом привода. Определен наиболее рациональный тип привода. Определены элементы электрогидравлического привода, которые являются источником перерегулирования выходного параметра - размера радиального зазора. Проведены исследования влияния радиального зазора в исполнительном механизме привода на динамические характеристики шпиндельного узла. Определено влияние размеров радиального зазора на формы колебаний шпинделя и его амплитуду. Получены графики поперечных колебаний шпинделя и спектры виброперемещений при различных значениях зазора в опоре. Исследованы динамические характеристики разработанной конструкции регулируемых гидростатических опор. Проведены экспериментальные исследования промышленного образца исполнительного механизма привода - регулируемых гидростатических опор. Получены экспериментальные значения смещений и статической жесткости переднего конца шпинделя при различных значениях нагрузки и размеров радиального зазора. Предложена методика гидродинамического анализа гидростатических опор.

Ключевые слова: исполнительный механизм привода, регулируемая гидростатическая опора, шпиндельный узел, привод, радиальный зазор.

Boiko S.V. Drive of the adjusting of gap in hydrostatical supports for indemnification of displacements of the spindle. - The Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.02.02 - Mechanical engineering. - Vinnitsa national technical university, Vinnitsa, 2009.

In thesis the new way of management a radial gap in hydrostatic support and construction of support is considered for realization of this way. Through the built mathematical models the analysis of three various drives is conducted intended for automation of process of management the size of radial gap in the managed support which is the executive mechanism of drive. The most rational type of drive is certain. The elements of electrohydraulic drive, which are the source of deregulation out parameter, are certain - size of radial gap. Researches of influencing of radial gap are conducted in the executive mechanism of drive on dynamic descriptions of spindle knot. Influence of sizes of radial gap is certain on the forms of vibrations of spindle and his amplitude. The graphs of transversal vibrations of spindle and spectrums of vibration are got at the different values of gap in support. Dynamic descriptions of the developed construction of the managed hydrostatical supports are probed. Experimental researches of industrial prototype of executive mechanism of drive are conducted - the managed hydrostatical supports. The experimental values of displacements and static inflexibility of front end of spindle are got at the different values of loading and sizes of radial gap. The method of hydrodynamic analysis of hydrostatical supports is offered.

Keywords: executive mechanism of drive, managed hydrostatical support, spindle knot, drive, radial gap.

Размещено на Allbest.ru