Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

место :в других узлах станка, например станине, может приводить к смещению нуля измерительного устройства. Для устранения воз­ никающей при этом погрешности, что весьма важно при определе­ нии контакта инструмента с деталью (момента врезания), запоми­ наются показания датчика, когда инструмент не производит реза­ ние. Определенная таким образом величина смещения нуля в даль­ нейшем вычитается из показаний датчика, обеспечивая необходи­ мую периодическую коррекцию.

В отечественной и зарубежной печати имеются сообщения об использовании в качестве чувствительного элемента при измерении составляющих сил резания непосредственно самого инструмента, в основном рёзца при токарной обработке. Следует отметить, что такая схема измерений, несмотря на то, что она позволяет макси­ мально приблизиться к зоне обработки, пригодна только на стадии экспериментальной проверки систем. В реальных станках приме­ нение такого метода сложно из-за необходимости смены инстру­ мента, повышенной трудности компенсации погрешностей (вызван­ ных, например, высокой температурой), необходимости тщательной защиты измерительных устройств от попадания стружки, охлажда­ ющей жидкости, и. пр.

Большая группа методов измерения предназначена для опреде­ ления составляющих силы резания на шпинделе станка в непо­ средственной близости от зоны резания путем измерения деформа­ ций шпинделя или реакций в опорах шпиндельного узла.

Измерение деформаций или отжима шпинделя позволяет в об­ щем случае определять три составляющие силы резания: одну — в направлении оси шпинделя и две —в плоскости, перпендикуляр­ ной оси шпинделя. В патенте фирмы Cincinnati Milling Machine Со. (США) [55] описан метод измерения осевых и радиальных состав­ ляющих силы резания. Для измерения осевой составляющей на шпиндель станка (рис. 50) наклеены две пары полупроводниковых тензодатчиков, расположенных параллельно образующей. Пары датчиков размещаются друг против друга в диаметральной плос­ кости и соединены в мостовую схему. Датчики в каждой паре имеют разную проводимость, так что при приложении нагрузки сопротивление одного элемента увеличивается, а другого умень­ шается. Схема обеспечивает высокую чувствительность и позволяет компенсировать погрешности от воздействия других силовых фак­ торов. Для измерения радиальных усилий по двум взаимно перпен­ дикулярным направлениям располагаются четыре датчика (по два на каждое направление), жестко соединенные с корпусом бабки и использующие в качестве преобразователей тензорезиеторы, рабо­ тающие на изгиб. Контакт с шейкой шпинделя осуществляется при

помощи подшипников качения с предварительным натягом. Недо­ статкиконструкции состоят в низкой долговечности и сложности защиты зоны измерения.

Более надежное решение используется в шпиндельных узлах, централизованно выпускаемых фирмой Setco Industries Inc. (США) для фрезерных станков с адаптивным управлением и ис­ пользуемых в станке фирмы Turehan Hydro-Mill (США) [52]. Со­ ставляющие силы по осям X и У (в плоскости стола) и осевая си­ ла измеряются с помощью бесконтактных магнитных датчиков.

Рис. 50. Схема устройства для измерения момента и осевых усилий на шпинделе фрезерного станка:

/ — заж имное кольцо; 2 — токосъем; 3 — изоляционная втулка; 4 — шпиндель; 5 — датчик осевых усилий; 6 — датчик момента

расположенных в корпусе, прикрепленном к переднему фланцу корпуса бабки. Радиальные силы определяются путем измерения деформаций шпинделя в сечении основной плоскости конуса для крепления инструмента. К шейке шпинделя, по которой осуществ­ ляется измерение, предъявляются высокие требования по некруг­ лости (не более 0,25 мкм). По рекламным данным, датчики обес­ печивают разрешающую способность лучше 0,25 мкм при общей величине перемещения 0,05 мм (т. е. 0,5%) и. высокую величину выходного сигнала. Значительные трудности при осуществлении такого метода измерений состоят в защите зоны измерения от по­ падания стружки. В описанной конструкции с этой целью, помимо защитного кожуха, используется подача масляного тумана в зону измерений.

Имеются данные, что аналогичный метод измерения сил реза­ ния применяется в адаптивной системе управления фрезерным станком Acramizer [61], в которой в качестве преобразователей ис­ пользуются индуктивные датчики.

В расточном станке фирмы Sperry Giroscope Со. (Канада) [57] измерение усилий при резании производится с целью повышения точности и производительности обработки. Как показано на схеме (рис. 51), измерение при обработке детали 1 осуществляется с помощью полупроводниковых тензодатчиков 2, наклеенных внутри

Рис. 51. Схема измерений силы резания при рас­ точке с устройством для компенсации деформации борштанги:

/ — деталь; 2 — тензодатчик; 3 — пьезокристалл; 4 —по­ датливый фланец; 5 — борштанга; 6 —резец

борштанги 5, выполненной в виде полого конуса с толщиной стен­ ки 1,3 мм. Управление положением инструмента производится с помощью пьезокристаллов 3, соединяющих борштангу со шпинде­ лем. Сигнал от тензодатчиков, воздействуя на кристалл, приводит к деформации фланца 4 относительно оси, лежащей в плоскости вершины инструмента 6. Отмечается, что коррекция положения ин­ струмента осуществляется не позже, чем через 6° поворота бор­ штанги. Преимущества этой системы состоят в сочетании измери­ тельного и исполнительного элементов в одной детали, что устра­ няет необходимость применения токосъемных устройств. Этот метод возможен при сравнительно небольших силах резания, когда не требуется дополнительных усилителей и исполнительный механизм имеет -малые габариты. При размещении измерительных средств внутри борштанги удачно решается проблема защиты.

Измерение составляющих силы резания путем определения ре­ акций в подшипниках шпиндельного узла позволяет частично устранить трудности, связанные с защитой измерительных средств. Однако в ряде случаев усугубляются трудности, связанные с выбо­ ром преобразователей, особенно, если шпиндель установлен на подшипниках качения, как это имеет место в подавляющем боль­ шинстве металлорежущих станков. Для таких подшипников опи­ сано только одно решение, предложенное фирмой SKF (Швеция).

[50]. Малогабаритные тензодатчики установлены между внутренним кольцом подшипника и шпинделем (рис. 52) или между наружным кольцом и корпусом. В обоих вариантах все трудности, связанные с использованием тензореаисторов, усугубляются малыми габари­ тами, труднодоступностью зоны наклейки, сложностью обработки сигнала в связи с необходимостью выделения полезного сигнала из шумов, создаваемых телами качения, а также необходимостью то­ косъемных устройств (при установке датчика на внутреннем кольце).

Более просто может быть осуществлено измерение реакций в опорах при применении гидростатических подшипников с исполь­ зованием в качестве преобразователей датчиков давления. Этот метод позволяет осуществлять измерение практически без искаже­ ний статических и динамических характеристик шпиндельного узла и отличается простотой размещения датчиков. Его применение ог­ раничено небольшим распространением гидростатических опор в станках, а также сравнительно невысоким быстродействием, обу­ словленным значительным демпфированием.

В настоящее время этот метод измерения составляющих силы резания при решении некоторых задач адаптивного управления используется в нескольких моделях шлифовальных станков, где применение гидростатических подшипников, позволяющих одновре­ менно повысить точность обработки, наиболее перспективно.

Вшлифовальных станках фирмы Brown and Sharpe (США)

[62]измерение реакций в гидростатических подшипниках исполь­ зуется для управления дисбалансом шлифовального круга и опре­ деления момента касания инструмента с деталью.

Схема конструкции шпинделя с гидростатическими подшипни­ ками, используемой в круглошлифовальном станке с ЧПУ фирмы Toyoda (Япония), в котором осуществляется адаптивное управле­ ние процессом резания, обеспечивающее получение изделий с за­ данной чистотой поверхности при максимальной производительнос­ ти процесса, показана на рис. 53 [53]. В системе осуществляется

Рис. 53. Схема шпинделя на гидростатических подшипниках круглошлифо­ вального станка с системой ЧПУ фирмы Toyoda (Япония):

1— регулятор расхода с приводом от шагового двигателя; 2 — несущие карманы для измерения силы резания; 3 —опора для тонкой подачи; 4 —шкив; 5 — система ЦПУ

стабилизация силы резания, величина которой определяется по давлению в карманах 2 подшипника, измеряемому малогабарит­ ными полупроводниковыми датчиками давления. Интересно отме­ тить, что для повышения точности измерений, устранения влияния натяжения ремня на реакции в опорах приводной шкив 4 выпол­ нен разгруженным.

Особенностью описываемой конструкции является использова­ ние дополнительных гидростатических опор 3 для тонкой подачи, переход на которую определяется датчиком активного контроля; управление давлением для осуществления подачи производится с помощью шагового двигателя и соединенного с ним регулятора

расхода /. Скорость тонкой подачи может изменяться от 0,005 до 0,150 мм/мин при максимально возможном перемещении 0,005 мм.

Метод измерения составляющих силы резания «а шпинделе станка позволяет обеспечить высокую точность измерений, которая по существу определяется точностью измерительных преобразова­ телей, так как влияние погрешностей холостого хода минимально за счет того, что измерение производится в непосредственной бли­ зости от зоны резания. В зависимости от расположения и исполне­ ния приводных деталей, устанавливаемых на шпинделе, могут иметь место дополнительные погрешности, которые полностью устраняются при использовании разгруженных конструкций шки­ вов, зубчатых колес и пр. Такое решение является желательным тогда, когда измерение производится только на одной передней опоре или когда приводные детали расположены между опорами. При расположении приводных деталей'на задней консоли шпинде­ ля их влияние на реакции в передней опоре невелико и может быть оценено расчетным путем.

Метод измерения составляющих силы резания на шпинделе в большинстве случаев ограничен видами резания с постоянным плечом обработки. Это ограничение может быть снято при измере­ нии реакций в двух опорах или деформаций шпинделя в двух се­ чениях, которое позволяет получить информацию не только о ве­ личине силы, но и о плече обработки. При этом необходима раз­ грузка приводных деталей независимо от места их расположения. Кроме того, к измерительным устройствам, располагаемым у зад­ ней опоры, предъявляются повышенные требования по чувстви­ тельности, так как реакции, соответствующие изменению условий резания, изменяются у задней опоры в значительно меньшей сте­ пени, чем у передней.

В некоторых конструкциях измерение производят в узлах, .уда­ ленных от зоны резания, в основном в механизмах подач. При на­ личии гидроцилиндров подачи определять осевую или радиальную составляющие можно с помощью датчиков давления, включенных либо в одну, либо в обе полости цилиндра (дифференциальный датчик). Если система регулирования чисто гидравлическая, дат­ чики давления могут быть выполнены в виде соответствующего ре­ гулятора, изменяющего расход масла в цилиндре подачи. Так, на­ пример, построены системы регулирования подачи отрезного круг­ лопильного автомата модели 8В66АСАУ и одна из систем к гидро­ копировальным токарным станкам станкозавода им. Серго Орджо­ никидзе.

Часто в качестве измерительного элемента выбирают винт ме­ ханизма подачи. Невысокая жесткость узла позволяет в этом слу­ чае использовать широкую номенклатуру измерительных средств, а удаленность от зоны резания создает более стабильные условия измерений (например, температурные), упрощает защиту и дает возможность более простой (без существенных переделок станка) встройки датчиков. Однако в станках с программным управлением