Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи шсвдования
1.1. Анализ гидравлических двухкоординатных копировальных систем фрезерных станков 8
1.2. Обзор и анализ электрогидравлических, электрических и электронно-оптических двухкоординатных копировальных систем фрезерных станков 14
1.3. Обзор литературы по исследованию и проектированию копировальных систем 37
1.4. Требования, предъявляемые к двухкоординатным копировальным системам.фрезерных станков 44
1.5. Задачи исследования 47
Глава 2. Анализ структур двухкоординатных гщравлических копировальных систзм и определение направлений совершенствования их конструкции 48
2.1. Анализ влияния элементов копировальной систе мы на точность воспроизведения профиля копира 48.
2.2. Анализ структур, двухкоординатных гидравлических копировальных систем фрезерных станков 54
2.3. Определение направлений совершенствования конструкции двухкоординатной гидравлической копировальной системы ЛЗФС 67
2.4. Разработка конструкции двухкоординатной гид равлической копировальной системы 70
Глава 3. Разработка инженерной методики расчета двухкоординатной гщрашической копировальной систжы 80
3.1. Статические характеристики копировальной системы 84
3.2. Определение параметров синусного распределителя из условия обеспечения заданной точности воспроизведения профиля копира и устойчивости .. 88
3.3 Определение необходимой частоты вращения гидромотора 404
3.4, Определение усилия контакта щупа с копиром 408
Глава 4. Совершенстювание конструкции систеш и ее экспериментальное исследование . 448
4.1. Экспериментальный станок-стенд 443
4.2. Регистрирующая аппаратура 448
4.3. Методика экспериментального исследования 423
4.4. Результаты экспериментального исследования 428
4.5. Совершенствование конструкции двухкоординатной гидравлической.копировальной.системы... 446
Выводы. 464
Литература 466
Приложения 463
- Обзор и анализ электрогидравлических, электрических и электронно-оптических двухкоординатных копировальных систем фрезерных станков
- Требования, предъявляемые к двухкоординатным копировальным системам.фрезерных станков
- Анализ структур, двухкоординатных гидравлических копировальных систем фрезерных станков
- Определение параметров синусного распределителя из условия обеспечения заданной точности воспроизведения профиля копира и устойчивости
Обзор и анализ электрогидравлических, электрических и электронно-оптических двухкоординатных копировальных систем фрезерных станков
Синхронный поворот золотников синусного распределителя осуществляется с помощью зубчатой передачи, установленной на каждом из золотников, и гибкого тросика, соединяющего их. Оригинальную конструкцию представляет собой механизм, соединяющий золотники синусного распределителя и щуп. Он представляет собой две вилочки, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях и охватывающие своей внутренней поверхностью диск (соединение между диском и внутренней поверхностью вилочек беззазорное), соединенный со щупом. При этом вилочки могут смещаться вправо или влево относительно своей оси или поворачиваться вокруг той же оси не вызывая тем самым осевого смещения золотников синусного распределителя. Установка золотников в нейтральное положение осуществляется за счет осевого перемещения втулки, расположенной в корпусе золотника.
Механизм прижима щупа, который в отличие от рассмотренных конструкций, представляет собой дополнительную следящую систему (вне контура основной), позволяющую в зависимости от величины рассогласования регулировать скорость отрабатывания этого рассогласования (имеется ввиду несовпадение направления скорости копирования и направления касательной в данной точке контура).
Механизм состоит из вращающейся обоймы I с управляющим соплом 2 и двумя шариками 3, обеспечивающими поджим щупа к поверхности копира, золотника 4, управляющего реверсивным гидромотором 5, который через ременную передачу 6 вращает обойму (рис.1.2 и 1.3). К шарикам, обеспечивающим поджшл щупа к копиру, и к управляющему соп лу, через редукционные клапаны 7 и 8, от системы подается сжатый воздух.
Нейтральному положению золотника 4 (рис.1.3), при котором гидродвигатель не получает никаких команд соответствует определенный (заранее настроенный) зазор между управляющим соплом в обойме и копировальным пальцем. В случае изменения этого зазора в сторону увеличения или уменьшения, золотник смещается из нейтрального положения, давая команду на вращение гидромотора, который в свою очередь, через ременную передачу 6 осуществляет поворот обоймы 14 до тех пор, пока зазор между управляющим соплом 2 и копировальным пальцем 9 не достигнет первоначального значения, при котором золотник 4 займет нейтральное положение. При этом двумя шариками 3, оси которых составляют между собой угол 90, осуществляется поджим щупа к поверхности копира. Давление, определяющее усилие поджима, регулируется редукционным клапаном 8. Настройка механизма поджима щупа к копиру производится таким образом, чтобы в процессе работы происходило колебание обоймы с большой частотой и малой амплитудой. Это необходимо для повышения чувствительности системы. В то же время, колебания направления вектора силы прижима щупа к копиру в пределах + 15 относительно заданного направления, составляющего с касательной к контуру угол в 45, не оказывает существенного влияния на работу системы.
Копировальный прибор системы " True -ТГОСВ " позволяет осуществлять процесс копирования в ручном режиме при отключенной системе поджима щупа к поверхности копира, которая в этом случае заменяется усилием руки, приложенным к щупу.
К недостаткам рассмотренной системы фирмы "True-Тгосе" (США) ограничивающим область ее применения следует отнести: сложность конструкции; высокую точность изготовления ее элементов, увеличивающих ее стоимость; сложность настройки и регулировки в процессе работы. Двухкоординатные копировальные системы третьего типа
Наиболее сущеетвенным конструктивным отличием копировальных систем третьего типа [48],[бэ] является отсутствие жесткой связи между синусным распределителем, принцип действия которого аналогичен синусным распределителям систем первого и второго типа и щупом. В системах третьего типа управление синусным распределителем осуществляется реверсивным гидромотором, получающим команды от следящего золотника, связанного со щупом, отклонение щупа от вертикальной оси изменяет положение золотника и, соответственно, направление и скорость поворота вектора скорости копирования в соответствии с профилем копира1.
Копировальная система фирмы "Cincinnati " (США.) L 1[ 8J» ко торую можно отнести к системам третьего типа, является одной из первых конструкций, позволяющих обрабатывать детали сложной конфигурации. Отличительной особенностью этой системы является наличие дополнительной обратной связи, выполненной в виде эксцентрично установленного наконечника щупа и управление золотниками синусного распределителя, осуществляемое не непосредственно щупом, а через механическую передачу эксцентрик синусного распределителя - зубчатая передача - гидромотор.
Требования, предъявляемые к двухкоординатным копировальным системам.фрезерных станков
От возможностей копировальной системы» которой оснащаются копи-ровально-фрезерные станки» зависит ряд показателей, наиболее важными из которых являются: точность воспроизведения заданного профиля; диапазон подач копирования; минимальный радиус эквидистанты траектории перемещения щупа; надежность;
Точность воспроизведения определяется степенью соответствия размеров полученной детали параметром заданного профиля. Повышение точности воспроизведения заданного профиля позволяет сократить, а в некоторых случаях, полностью избежать последующую слесарную доводку деталей, обработанных на копировально-фрезерных станках [l5J, [53] . Этот показатель не являетоя величиной постоянной, а изменяется в зависимости от режима и вида обработки [її] Поэтому точность воспроизведения заданного профиля необходимо рассматривать как совокупность значений при статическом - наиболее благоприятном режиме работы, и динамическом - наиболее тяжелом режиме работы [12 [во].
Статический режим работы характерен для обработки контуров с плавно изменяющимся углом копирования и небольшими скоростями копирования. Статическая погрешность воспроизведения заданного профиля соответствует максимально достижимой точности.
Динамический режим работы системы наблюдается при копировании контуров с резко изменяющимся профилем, когда радиус эквидистанты, по которой перемещается щуп копировального прибора близок к 0. Динамический режим работы может быть получен так же, при резких колебаниях усилий резания, вследствии неравномерности припуска на обработку. Точность воспроизведения заданного профиля, полученная при обработке на данном режиме, определяет гарантированную точность системы.
Комплексным показателем, позволяющим судить одновременно о производительности и точности воспроизведения в статическом режиме, является добротность системы по скорости. Она может быть определена как отношение максимальной скорости копирования к значению погрешности воспроизведения заданного профиля [llj,[l7j,[47ji
Диапазон подач копирования должен быть достаточным для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочная и легированная сталь, а также обработки цветных металлов и легких сплавов. Кроме того, на участках профиля копира, не подлежащих обработке, должна обеспечиватьоя возможно большая скорость перемещения по контуру, которая для современных копировальных систем находится в пределах 1000 1200 мм/мин;;
Необходимо отметить, что важно обеспечить не только абсолютное значение скорости копирования в заданном диапазоне, но стабильность ее, характеризующуюся отклонением от номинального значения, нестабильность скорости обуславливается нелинейностью характеристик элементов системы, колебанием сил резания при обработке, влиянием температуры и т.д. Для большинства копировальных систем этот показатель равен отклонению скорости копирования в пределах + 20$ от номинального значения [її].
Часто, при копирований внутренних контуров, встречаются поверхности типа прямого утла или паза, которые необходимо обрабатывать инструментом, радиус.которого был бы равен радиусу закругления угла или ширине паза. Применение инструмента меньшего диаметра не желательно из-за уменьшения его стойкости и снижению соответственно скорости резания, что в конечном счете сказывается на производительности. Из сказанного следует, что копировальная система должна обеспечивать воспроизведение контуров с радиусом эквидистанты, по которой перемещается щуп копировального прибора и инструмент, близкий к 0% Сравнительные данные существующих отечественных гидравлических копировальных систем и систем зарубежных фирм, полученные по литературным источникам [23],[48] , приведены в таблице I;
Технические возможности 2-х координатных гидравлических копировальных систем фрезерных станков
Немаловажное значение для работы копировально-фрезерных станков, оснащенных копировальными системами, имеют показатели надежности и удобства эксплуатации; Особенно большое значение эти показатели приобретают в том случае, когда предлагается встройка копировальных станков в автоматическую линию. Необходимо также отметить, что усложнение конструкции копировальных систем приводит к увели чению числа отказов и, соответственно, времени на их устранение и поддержания оборудования в иоправном состоянии;
Из приведенной таблицы I видно, что серийно выпускаемая гидравлическая копировальная система Львовского завода фрезерных станков по основным показателям уступает системе фирмы " Truerace " (США.), Поэтому при разработке новой двухкоординатной гидравличеокой копировальной системы необходимо, по сравнению с системой ЛЗФС, улучшить технические характеристики по точности и расширить диапазон скоростей копирования
Анализ структур, двухкоординатных гидравлических копировальных систем фрезерных станков
Копировальная система конструкции ІЗФС установлена на серийно выпускаемом станке мод,6530К, имеющему следующие основные характеристики:
Размеры рабочей поверхности стола (ширина х длина), мм - 320x880 Наибольшие перемещения» мм: продольное - 500 мм поперечное - 320 мм Частота вращения шпинделя, об/мин - 31,5-1600 Скорость рабочих подач, мм/мин - 40 800 Скорость установочных перемещений, мм/мин - ЮОО
В качестве исполнительных двигателей в данном станке использованы гидроцилиндры диаметром 100 мм и диаметром двухстороннего штока 30 мм, которые перемещают рабочий орган станка по направляющим скольжения. Класс точности станка - нормальный»
Определим, согласно рассмотренной выше методики, влияние элементов системы ЛЭФС на погрешность воспроизведения заданного профиля. Полученные результаты будут исходным материалом для определения направлений совершенствования конструкции системы ;
Геометрические погрешности для рассматриваемой системы будут включать только геометрические погрешности направляющих и погрешности вращения шпиндельной группы. Погрешности кинематических цепей отсутствуют, т.к. применение гидроцилиндров в качестве исполнительных двигателей обеспечивает безлюфтовую передачу.
Погрешности следящей системы ЛЗФС, по данным завода, составляют: статическая погрешность - 0,085 мм динамическая погрешность - 0,14 мм
Погрешности копировального прибора для рассматриваемой системы возникают из-за биения щупа, которое равно Ап =0,01 мм. Данные расчета точности воспроизведения для статического (А) и динамического (Б) режимов работы системы ЛЗФС приведены в табл.2 .
На основании проведенного анализа точности двухкоординатной гидравлической копировальной системы конструкции ЛЗФС мояно сделать следующие выводы: 1, Наибольшее влияние на суммарную погрешность воспроизведения заданного профиля оказывает погрешность, вносимая следящей системой, как в статическом, так и в динамическом режимах работы, 2, Геометрические погрешности станка незначительны, вследствие небольших величин перемещений по координатам.
Следовательно, основным направлением для увеличения точности является усовершенствование следящих систем. Анализ структур гидравлических двухкоординатных копировальных систем фрезерных станков
Для анализа взяты гидравлические копировальные системы Львовского завода фрезерных станков, фирмы " Cincinnati " (США) и пТгив ТГйСв " (США), представляющие основные группы систем, конструкции которых рассмотрены в главе 1
Основными показателями качества копировальных систем является точность воспроизведения профиля копира и зависимость ее от утла копирования и скорости копирования. Для оценки точности и устойчивости двухкоординатных копировальных систем необходимо проанализировать их структурные схемы и определить передаточные функции, что позволит выбрать рациональные конструктивные параметры [б],[ю], [33],[50] .
Погрешность воспроизведения профиля копира образуется вследствие несовпадения направления вектора фактической скорости копирования и направления касательной в данной точке контура [п]. На рис,2.1, графически представлено образование погрешности воспроизведения профиля копира» где: U - угол профиля копира; Ьс - фактический угол копирования; 8 - угол рассогласования между заданным и фактическим на-правлением вектора скорости копирования; У и - скорость, направленная по нормали к поверхности копира; VK - скорость, направленная по касательной к поверхности копира; Vc - фактическая подача копирования; и - рассогласование по нормали к копиру; SXWDY - составляющие рассогласования S по соответствующим координатам; 6І - эксцентриситет, вызванный отклонением щупа в направлении перемещения относительно центра копировального прибора.
Основные линеаризованные соотношения, полученные при рассмотрении процесса образования.ошибки воспроизведения заданного профиля, представленного на рис.2;1 следующие: T XIS) и WS) - передаточные функции следящих систем по соответствующим координатам; ЛХ и А У - приращения перемещений рабочего органа станка по соответствующим осям координат» вызванные рассогласованием О ; - - - коэффициент пропорциональности (т— );
Так как при установившемся режиме VH=0, 0=0 , то приращение этих величин равны собственно этим величинам, т.е.
Совместное рассмотрение уравнений 2.4 дает возможность получить передаточные функции разомкнутого и замкнутого приводов. На рис.2.2 представлена структурная схема линеаризованной системы первого типа, конструкция которой изображена на рис ДД» глава I.
При изменении профиля копира WK возникает скорость направленная по нормали к поверхности копира, вследствие чего вектор подачи копирования отклоняется от направления касательной на угол рассогласования и , что из-за эксцентричности ( 6 ) центра щупа по отношению к оси копировального прибора вызывает рассогласование О , направленное по нормали к копиру. Смещение щупа и по нормали к копиру приводит к смещению золотников распределителя.
Определение параметров синусного распределителя из условия обеспечения заданной точности воспроизведения профиля копира и устойчивости
Для копировальной системы с синусным распределителем, выполненным на базе регулируемых сопротивлений типа сопло-заслонка предлагается следующая последовательность выбора конструктивных параметров. I. Определяется допускаемая погрешность копирования, вносимая собственно следящей системой, исходя из требуемой точности воспроизведения профиля копира и величины составляющих суммарную погрешность Определение суммарной погрешности воспроизведения и ее составляющих производится руководствуясь рекомендациями [п]. 2. Выбираются исходные конструктивные параметры копировальной системы» такие как средний радиус р , длина щели в направлении движения потока жидкости L , ширина сопла, определяемая центральным углом vp , число подводных канавок П , а также давление в нагнетательной магистрали привода. При выборе среднего радиуса р и зазора мекду соплом и зас-лонкой при их концентричном положении (в нейтрали) исходят из влияния величины зазора на точность воспроизведения профиля копира в зависимости от заданных нагрузок и подачи копирования. 3- Определяется площадь F гидроцилиндра исходя из нагрузки, действующей на исполнительный орган системы [47J Нагрузка, действующая на исполнительный орган системы, складывается из суммарной силы трения в уплотнениях штока гидроцилиндра, силы трения в направляющих от веса стола, затяжки клиньев и т.д. 4. Производится расчет максимального расхода рабочей жидкости через сопла синусного распределителя по следующей зависимости: где р - средний радиус копировального прибора; R - радиус внутреннего отверстия корпуса копировального прибора; Р - радиус заслонки в сечении перекрытия сопел синусного распределителя; Р х - входное давление рабочей жидкости; }\ - коэффициент динамической вязкости рабочей жидкости; L - длина щели в направлении движения потока жидкости; П - число канавок для подвода рабочей жидкости. Определив максимальный расход через сопла синусного распределителя и зная площадь поршня гидроцилиндра можно найти максимальную скорость копирования, которая сравнивается с заданным значением 5.
Определяется максимально возможная динамическая погрешность копировальной системы исходя из того, что при максимальном отклонении ротора (заслонки) гидромотора его эксцентриситет относительно внутреннего отверстия корпуса равен зазору По . С учетом передаточного отношения передачи от ротора гидромотора к щупу копировального приіора погрешность воспроизведения определяется по формуле или в общем виде, преобразовав формулу (3.18) Расчет максимального значения погрешности воспроизведения профиля копира может.быть упрощен при использовании номограмм, представленных на рис.3,4. Номограммы построены на основе зависимости (3.21) и включают в себя графические зависимости. О =/ , , 4,1 ) 6.Производится проверка копировальной системы с выбранными параметрами на устойчивость. Проверка может быть произведена по условию обеспечения минимального рассогласования при заданной скорости копирования по передаточным функциям [l0j,[6Ij,(_82j. Для этого необходимо рассмотреть линеаризованную модель гидравлической следящей системы, сделав следующие допущения; 1, Разрывная характеристика зависимости силы трения в направ ляющих рабочего органа системы от скорости отсутствует. 2. Отклонения всех координат от их установившихся значений малы. 3
Внешняя нагрузка отсутствует. Уравнение равновесия системы в соответствии с принципом Далам-бера запишется в следующем виде где ГТ7 - приведенная масса рабочего органа машины с учетом масла в цилиндре и трубопроводах; D - коэффициент зависимости вязкого трения в направляющих рабочего органа от скорости; F - площадь поршня гидроцилиндра; APjUAPz - изменение давления в полостях гидроцилиндра. Уравнение (3.21) в безразмерных координатах может быть записано в ел едущем виде: При нулевых начальных условиях это уравнение мояно записать в виде где Т-Щ- - постоянная времени рабочего органа системы; S--M- - оператор Лапласа. При отсутствии внешней нагрузки R =0 Обозначив разность A CP2=vp , где f характеризует относительное изменение разности давлений в полостях гидроцилиндра, получим передаточную функцию рабочего органа системы При рассмотрении переходных процессов необходимо учитывать сжимаемость рабочей жидкости в гидроцилиндре и трубопроводах. Считая, что длина трубопроводов незначительна, можно пренебречь сжимаемостью рабочей жидкости в них. Уравнения неразрывности, полученные ранее [l7j , при переход ных процессах принимают вид: расходы рабочей жидкости через сопла синусного распределителя; Н Нг - длины полостей гидроцилиндров; Ео - модуль упругости рабочей жидкости. Линеаризация уравнений (3.24) осуществляется путем разложения их в ряд Тейлора по двум переменным (первое поД&иДр4 , а второе по ДО/МРг). Переходный процесс рассматриваем около нулевых значений переменных, т.е. в нейтральном положении заслонки синусного распределителя. Линеаризованные уравнения (3.24) в приращениях имеют вид Построив логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики, соответствущие этой передаточной функции при принятых значениях конструктивных параметров, можно определить условия устойчивости системы [ioj, [бі]. Постоянные времени и коэффициенты, выраженные через основные конструктивные параметры» сведены в табл.3. На рис.3.5 представлены амплитудная и фазовая частотная характеристика разомкнутой следящей системы каждого канала.
