Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

к жесткости механизмов подачи предъявляются повышенные тре­ бования и вследствие этого преимущества, обусловленные исполь­ зованием простых измерительных средств с невысокой чувствитель­ ностью, становятся незначительными. Существенным недостатком измерений составляющих силы резания в механизмах подач яв­ ляется низкая точность измерений, связанная с наличием между зоной резания и измерительными средствами узлов (в основном направляющих), в которых потеря информации о силовых пара­ метрах процесса резания может быть значительной. Например, в токарных станках измерение сил Рх и Ру может осуществляться на гайках винтов продольной и поперечной подач. При этом наря­ ду с величинами указанных сил резания датчики, установленные на гайках, будут регистрировать также силы трения в направляю­ щих. Точность измерения составляющих сил резания будет зави­ сеть как от абсолютной величины, так и от стабильности силы тре­ ния, обусловленной величиной коэффициента трения и действую­ щими на направляющие нормальными усилиями (в данном случае силой Р г). Нестабильность силы трения может быть уменьшена за счет использования современных конструкций направляющих качения или гидростатических направляющих и фильтрацией высо­ кочастотных пульсаций силы трения. Однако в рассматриваемых узлах сила трения может иметь существенные, по сравнению с из­ меряемыми усилиями, значения. Это связано с тем, что сила Pz в несколько раз. моя{ет превышать силы Рх и Р ѵ. В современных конструкциях направляющих качения коэффициент трения имеет значения порядка 0,01. Учитывая изменения коэффициента трения в зависимости от скоростного режима и погрешности самих изме­ рительных преобразователей, можно предположить, что погрешнос­ ти измерений будут не меньше 10%. В узлах с направляющими смешанного трения погрешности будут еще больше и необходимы специальные схемные решения для их устранения. В результате схемы измерений иконструкция измерительных устройств могут ока­ заться не проще, чем в описанных ранее примерах. Подобные ме­ тоды измерения находят применение в основном для решения частных задач адйптивного управления, например, для защиты ме­ ханизма подач от поломок, определения момента касания инстру­ мента и детали, предохранения от перегрузок и пр.

В качестве примера может быть приведена конструкция вер­ тикально-сверлильного станка фирмы Asquith (Англия), в котором

используются гидростатические направляющие и гидростатические опоры винта подачи. Давление смазки в последних используется для определения' момента касания инструмента с деталью и опре­ деления предельной нагрузки. Следует отметить, что применение

гидростатических направляющих позволяет существенно повысить точность измерений, так как сила трения в них очень мала и прак­ тически не зависит от скорости, приложенных усилий и других факторов.

Методы измерения момента силы резания. Момент силы резания при обработке вращающимся инструментом (сверление, фрезеро­ вание) является основным силовым параметром, определяющим эффективность обработки. Однако в станках с адаптивным управ­ лением датчики момента находят применение и при токарных и при расточных работах. Их использование в этих случаях оправда­ но тем, что, несмотря на трудности пересчета момента в мощность или в тангенциальную составляющую силы реЗания, удается обес­ печить высокую точность и быстродействие измерений при сравни­ тельно простом конструктивном решении.

Требования, предъявляемые к устройствам для измерения мо­ мента, аналогичны требованиям, предъявляемым к устройствам для измерения силы резания. Наилучшим методом, как и при из­ мерении сил, является измерение в непосредственной близости от зоны резания. Возможны два основных варианта: измерение мо­ мента на вращающемся шпинделе при креплении в нем детали или инструмента или измерение в приспособлении для крепления де­ тали, совершающей поступательное движение. Во втором случае устройство для измерения момента отличается от устройства для измерения сил (см. рис. 47) только расположением чувствительных элементов, т. е. момент по существу определяется как одна из со­ ставляющих силы резания, действующая на определенном плече. Примером такой конструкции служит динамометрическая резцедержка ВНИИ, упомянутая ранее. В динамометрическом столике ЭНИМСа для фрезерного станка используется несколько иной ме­ тод. Момент определяется путем пересчета в системе управления измеренных составляющих силы резания. Этот метод имеет невы­ сокую точность, зависящую от точности расчетных соотношений между составляющими силы резания и моментом. Основным мето­ дом измерения крутящего момента в адаптивных системах являет­ ся измерение на вращающихся валах, в первую очередь на шпин­ деле. Измерение на шпинделе в непосредственной близости от зо­ ны резания позволяет обеспечить высокую точность и быстродей­ ствие, определяемые в основном параметрами измерительного устройства и практически не зависящие от характеристик механиз­ мов станка. Измерение момента на промежуточных валах коробок скоростей уменьшает эти преимущества, так как при этом резуль­ таты зависят от потерь в механизмах станка.

Измерение момента силы резания на шпинделе станка наряду с указанными ранее особенностями измерения составляющих сил сопряжено с некоторыми трудностями, связанными с низким уров­ нем напряжений и деформаций, обусловленным высокой крутиль­ ной жесткостью шпинделя, с необходимостью передачи информа­ ции с вращающегося вала, а также с высокими требованиями к конструкции шпиндельного узла в целях обеспечения точности, виброустойчивости, долговечности.

Низкий уровень напряжений и деформаций в шпинделях опре­ деляется непосредственным влиянием жесткостных характеристик

шпинделя на выходные параметры станка — точность и производи­ тельность. При проектировании станков основное внимание уделя­ ют нагибной жесткости шпинделя, для повышения которой в со­ временных станках увеличивают диаметры шпинделей, что одно­ временно приводит к повышению крутильной жесткости. Анализ конструкций шпиндельных узлов некоторых моделей токарных и фрезерных станков с ЧПУ показал, что касательные напряжения при максимальном крутящем моменте достигают 0,8—1,0 кгс/мм2,

что в прокатных станах, где результаты измерения крутящего мо­ мента используются для управления технологическим процессом, максимальные касательные напряжения достигают 5—6 кгс/мм2 [44]. Кроме того, на современных станках диапазон изменения момента при разных режимах резания и разных операциях достигает 500:1, что значительно усложняет создание датчиков крутящего момента, разрешающая способность которых должна составлять доли про­ цента.

Для передачи информации с вращающегося вала используются токосъемные устройства контактного и бесконтактного типа [49]. Первые отличаются сравнительно простой конструкцией, однако имеют ограничения по долговечности, рабочим скоростям и требу­ ют значительного места для установки. Более перспективно приме­ нение бесконтактных токосъемов. В последнее время разработаны конструкции токосъемов к индуктивным датчикам и датчикам на основе тензорезисторов. В бесконтактных токосъемах использован принцип трансформаторной передачи сигнала или принцип радио­ связи с амплитудной или частотной модуляцией. Трансформатор­ ные токосъемы более просты в изготовлении и выполняются как составная часть датчика. Например, при рассмотрении конструк­ ций современных датчиков момента, работающих на индуктивном принципе с трансформаторным токосъемом, разделение конструк­ ции на измерительную и передающую оказывается весьма слож­ ным. Токосъемные устройства, использующие принцип радиосвязи с амплитудной модуляцией, имеют сильно изменяющийся коэффи­ циент передачи, что требует частой тарировки. Системы с частот­ ной модуляцией более стабильны, однако выбор несущей частоты сопряжен с рядом ограничений, обусловленных радиопомехами и расстоянием до приемного устройства.

Следует отметить, что токосъемное устройство является весьма ответственной частью измерительной .системы и оказывает непо­ средственное влияние на точность измерений. Вследствие этого в зарубежных станках используют токосъемы, которые изготавлива­ ются специализированными фирмами, например Phillips (Голлан­ дия), Höttinger (ФРГ).

Желательно, чтобы конструкция датчика не приводйла к ус­ ложнению технологии изготовления шпинделя. При выборе датчи­ ка следует также учитывать значительные габариты шпинделя,

длина которых в станках средних размеров достигает 1 м, а вес — сотни килограммов.

Из всех датчиков крутящего момента [49] наиболее пригодны­ ми для использования на шпинделях металлорежущих станков яв­ ляются датчики на основе тензорезисторов, индуктивного типа и магнитоупругие.

За рубежом широко применяются датчики с полупроводнико­ выми тензорезисторами и контактными токосъемами. Конкретные данные по этим датчикам отсутствуют, однако в каталогах отме­ чается, что датчики поставляются специализированными фирмами. Некоторое представление об установке датчиков может быть полу­ чено из патента фирмы Cincinnati Milling Machine Со. [55], схема установки датчиков показана на рис. 50. Тензорезисторы 6 для измерения момента наклеивают на втулку под углом 45° к обра­ зующей вала, т. е. в направлении действия главных касательных напряжений,'и соединяют в мост. Контактный токосъем выполнен в виде щеток, установленных во втулке из электроизоляционного материала, которая смонтирована на шпинделе на подшипниках качения. Описанная схема является классической. Ее преимущест­ ва и недостатки могут рассматриваться только по параметрам тен­ зорезисторов, усилительной аппаратуры и токосъемных устройств.

Интерес представляет конструкция шпиндельного -узла с тензо­ датчиками момента [56], показанная на рис. 54. Конструкция поз­ воляет производить измерение в широком диапазоне моментов за счет разбиения его на два поддиапазона с дистанционным авто­ матическим переключением. Чувствительным элементом измери­ тельного устройства является штифт 4, на котором наклеены тен­ зорезисторы 2. Штифт соединен с задним концом шпинделя 8 и

осуществляется гидроцилиндром с рабочими полостями 9, 12, 15 и поршнями 6 и 14. При включенных цангах эффективная длина со­ ответствует расстоянию между штифтами И и 13, при включенных цангах — расстоянию между торцами цанг. В описании отмечается, что для повышения точности измерений привод должен осущест­ вляться через разгруженную шестерню. Без учета характеристик измерительных преобразователей такая схема измерения представ­ ляется удачной. Уменьшение жесткости шпинделя, необходимое для ее осуществления, не должно существенно сказаться на выход­ ных характеристиках узла, так как ослабленным является конец шпинделя после задней опоры. Такая компоновка шпиндельного узла встречается в основном во фрезерных станках.

В отечественных станках широко распространен метод измере­ ния момента с помощью индуктивных преобразователей. Здесь

<D S

о

ce s B O)

eu

<D

S •

R 4 et

5 O

5*«

fl)

«Ч&

Я Й Н

ь a

>>. .

S* 3

I c

1s

* a

tr2 »я 3 J3 O POO.0

3: gg O

sQ3

eu

e

c3 S 03 X

U