Принцип действия гидравлического следящего привода с ЧПУ

Стремление полностью автоматизировать управление работой станка, улучшить шероховатость обработанной поверхности, по­высить точность и производительность, а также обеспечить быст­рую переналадку станка для обработки различных деталей, что характерно для мелкосерийного и серийного производства, при­вело к созданию станков с числовым программным управлением.

Рассмотрим принцип действия гидравлического следящего привода подач с фазовой системой числового программного уп­равления [24], нашедшей широкое применение для управления работой фрезерных станков средних и крупных размеров. Схема простейшего привода, использованного для управления работой фрезерного станка, показана на рис. 6.

В случае числового программного управления отпадает необ­ходимость в шаблоне и таким образом размеры рабочего стола /, на котором крепится заготовка 2, могут быть уменьшены. Каж­дая из координат: вертикальная и продольная — независимо уп­равляются системами управления и приводами аналогичной кон­струкции от одной магнитной ленты 6. Координатам обычно при­сваиваются определенные индексы, например, для вертикальной индекс «у», а горизонтальной «х».

Числовое программное управление предусматривает задание программы для работы станка в форме чисел. Например, фасонный контур детали BCDEFIKL (рис. 7) можно обработать на станке (рис. 6), если сообщить центру фрезы движение отно­сительно заготовки по траектории, обозначенной буквами B₁C₁D₁E₁F₁I₁K₁L₁ (рис. 7), эквидистантной относительно профи­ля обрабатываемой детали. Законченный цикл движения может быть получен при начале движения фрезы из точки А\, находя­щейся на некотором расстоянии от обрабатываемой поверхности, и возвращении в эту точку, например, по траектории L₁M₁A₁ по окончании обработки.

Переход фрезы из точки A₁ в точку B₁, которая соответствует началу обработки, можно осуществить за счет хода (перемеще­ния) вертикальной каретки 17 станка (рис. 6). Величина этого хода может быть выражена в миллиметрах. Единицей перемеще­ния может быть также импульс, составляющий часть миллиметра или несколько миллиметров. В этом случае расстояние А₁В₁ мо­жет быть выражено числом импульсов, представляющим частное от деления расстояния А₁В₁ на цену импульса t_и (например, рас­пространено значение t_и = 0,01 мм). Иногда может быть удобно числовую форму выразить через какой-либо аналог, например величину  фазового сдвига, причем фазовому сдвигу  = 2  бу­дет соответствовать определенное число импульсов n _ио (распро­странено значение n _ио = 64).

 

 

 

Рис. 6. Схема гидравли­ческого следящего при­вода с фазовой систе­мой числового програм­много управления

Рис. 7. Схема перемеще­ния инструмента при об­работке фасонного кон­тура

Рис. 8. Характеристики отдельных элементов фазовой системы ЧПУ: а — характер записи сигналов на магнитной ленте; 6 и в - характеристики вращаю­щегося трансформатора ВТ

 

 

Перемещение, соответствующее  = 2  составляет цену оборота фазы t _ф. Таким образом, число­вое выражение размера в сантиметрах (миллиметрах) или им­пульсах перемещения может быть однозначно выражено величи­ной фазового сдвига.

Переход от числа к фазе обычно автоматизируется и совер­шается специальным импульсно-фазовым преобразователем.

Работа гидравлического следящего привода с фазовой систе­мой числового управления осуществляется следующим образом. На магнитную ленту, движущуюся со строго определенной ско­ростью, например, 50 мм/с, наносится опорный сигнал О_с (рис. 8, а) синусоидальной формы определенной частоты ₀, на­пример, 250 Гц. Тем самым образуется дорожка опорного сигнала О_с. На других, параллельных, дорожках наносятся рабочие сигналы Р_х и Р_у для каждой из управляемых по числовой про­грамме координат X и У. Магнитная головка МГС (см, рис. 6) считывает величины сигналов на каждой дорожке по линии А-А (рис. 8, а). Движение магнитной ленте сообщается тонвалом 7 (см. рис. 6), приводимым во вращение электродвигателем 4. Для исключения проскальзывания ленты и повышения силы трения между магнитной лентой и тонвалом служит подпружиненный ролик 8. Магнитная лента наматывается на бобины 3 и 5, причем электродвигатели, соединенные с их осями, осуществляют непре­рывную подмотку ленты, не допуская ее ослабления. Опорный О_с и рабочие сигналы Р_х и P_v, считанные с магнитной ленты, после усиления по амплитуде до величины U _m поступают соответ-ственно во вращающиеся трансформаторы ВТ_х и ВТ_У и фазовые дискриминаторы ФД_Х и ФД_У.

Рассмотрим работу гидравлического следящего привода по вертикальной координате у при равных частотах ω_р = ω₀) и раз­ности фаз фу сигналов (рис. 8, а) на рабочей и опорной дорожках магнитной ленты. Опорный сигнал О_с от магнитной головки счи­тывания МГС поступает в фазовый дискриминатор ФД_У не непо­средственно как рабочий сигнал Р_у, а пройдя через вращающий­ся трансформатор ВТ_У. Последний представляет собой синусный датчик положения, электрический угол φ (рис. 8, б) на выходе которого изменяется пропорционально углу α поворота его вала. При подаче на обмотки статора вращающегося трансформатора синусоидального напряжения с частотой ω₀ и угле поворота ро­тора α = О, на обмотках ротора будет трансформироваться на­пряжение той же частоты без фазового сдвига α = 0 (рис. 8, в). При повороте ротора вращающегося трансформатора на угол α выходное напряжение будет сдвигаться на пропорциональный этому повороту электрический угол φ_ВТ.У. Вал вращающегося трансформатора с помощью шестерни 11 (см. рис. 6) зацепляется с рейкой 12, скрепленной со штоком силового цилиндра 14. При нулевом положении вала вращающегося трансформатора ВТ_У опорный сигнал без изменений поступает по каналу 9 в фазовый дискриминатор ФД_У, на выходе которого формируется управляю­щий сигнал—напряжение U_у   и ток 1_у, величина которого пропор­циональна сдвигу фазы φ _у или его синусу—в зависимости от уст­ройства фазового дискриминатора между опорным и рабочим сигналом, а знак определяется знаком сдвига фазы. Увеличенный в усилителе постоянного тока УПТ_У управляющий сигнал по­ступает в электрогидравлический преобразователь 10, аналогич­ный по конструкции показанному на рис. 4. В результате золотник 15 гидроусилителя смещается вниз (см. рис. 6) от среднего положения на величину, пропорциональную величине входного сигна­ла U_у, а значит разности фаз φ_у между рабочим и опорным сигна­лами на магнитной ленте. При этом в полости А золотника, тру­бопроводе 16 и полости Г гидроцилиндра устанавливается низкое давление, а в полостях £ и В и трубопроводе 13 — высокое. Вследствие этого поршень и шток вместе с вертикальной карет­кой 17, рейкой 12 и режущим инструментом начнет перемещаться вниз. В процессе перемещения рейка 12 с помощью шестерни 11 поворачивает вал вращающегося трансформатора ВТ_У, в связи с чем в канал 9 поступает опорный сигнал О_с, сдвинутый на угол φ_ВТ.У. По мере увеличения угла φ_ВТ.У и приближения его к вели­чине фу соответственно будет уменьшаться управляющий сигнал на выходе фазового дискриминатора, а значит и смещение золот­ника 15 от среднего положения. В итоге наступит момент, когда величины сдвигов фаз φ_у и φ_ВТ.У и соответственно проходные се­чения всех щелей золотника сравняются настолько, что разность давлений в полостях Б и А, а также В и Г станет недостаточной для продолжения движения поршня гидроцилиндра, и вертикаль­ная подача прекратится. Таким образом, величина пути, который пройдет вертикальная каретка, будет пропорциональна сдвигу φ_у фаз его рабочего и опорного сигналов.

Можно записать на магнитной ленте рабочий сигнал таким образом, чтобы непрерывно изменялся сдвиг фаз φ_у ра­бочего и опорного сигналов при протягивании магнитной ленты относительно магнитной головки считывания, например, путем изменения частоты рабочего сигнала с ω₀ до ω_р (сдвиг фаз меж­ду рабочим и опорным сигналами будет изменяться во времени пропорционально разности этих частот ( ω_р - ω₀)t). В результа­те поршень гидроцилиндра и вертикальная каретка с инструмен­том будут перемещаться со скоростью, пропорциональной разно­сти величин указанных частот, причем направление перемещения будет определяться знаком разности частот рабочего и опорного сигналов: например, при ω_р > ω₀ движение будет идти вниз, а при ω_р < ω₀ — вверх.

Рассмотрим снова обработку контура, показанного на рис. 7. Для записи перемещения фрезы на расстояние A₁ B₁ необходимо знать цену оборота фазы t _ф привода. В приводе вертикального перемещения (рис. 6) цена оборота фазы составляет, очевидно, длину начальной окружности шестерни 11, так как на такое рас­стояние перемещается вертикальная каретка при одном обороте вращающегося трансформатора ВТ_У,   установленного в цепи об­ратной связи привода. Следовательно, суммарный сдвиг фазы рабочего сигнала на магнитной ленте за время движения верти­кальной каретки на расстояние A₁B₁ = S должен составить

                      (1)

а для того, чтобы перемещение осуществлялось со скоростью хо­лостого хода υ_xxy необходимо, чтобы разность частот рабочего ω_р и опорного ω₀ сигналов составила

                     (2)

Для прекращения движения вертикальной каретки при дости­жении координаты В ₁ после получения суммарного сдвига фазы рабочего сигнала величиной φ_y(S) относительно опорного следует записывать рабочий сигнал с частотой ω₀ опорного сигнала. Оче­видно, что на участке магнитной ленты, соответствующем одному перемещению вертикальной каретки, на дорожке рабочего сиг­нала продольного перемещения по координате х должен быть записан сигнал, равный опорному. Для осуществления перемеще­ния центра фрезы относительно заготовки по горизонтальной траектории В ₁С ₁ на рабочей дорожке координаты у следует за­писать сигнал, равный опорному, а по рабочей дорожке коорди­наты х — сигнал с частотой, отличающейся от опорного при суммарном сдвиге фазы, определяемые согласно выражениям (1) и (2).                                                      .                             

Движение по наклонному участку C₁D₁ (см. рис. 7) траектории центра фрезы достигается при записи на обеих дорожках магнитной ленты рабочих сигналов Р_х и Р_у с частотами, разность которых относительно частоты опорного сигнала пропорциональ­на слагающим v_x и v_y общей рабочей скорости подачи вдоль контура.

Очевидно, что варьируя сдвиги фаз φ_х и φ_у по обеим коорди­натам в соответствии с требуемыми величиной и скоростью пере­мещения вертикальной и продольной кареток в каждый момент времени, можно обеспечить строго определенный обвод инстру­ментом, укрепленным на вертикальной каретке, заданного профиля на заготовке, укрепленной на продольной каретке.

Следовательно, принцип действия и структура построения гидравлического следящего привода с числовым программным управлением аналогичны гидравлическим приводам с механиче­ским и электрическим копировальным управлением, а отличают­ся от них характером задающего устройства и средствами пере­дачи команд от задающего устройства к золотнику, управ­ляющему работой гидродвигателя, и от гидродвигателя к сравнивающему устройству по цепи обратной связи. Привод задающей подачи в этом случае заменен лентопротяжным меха­низмом, выполняющим его функции.

В рассмотренном примере гидравлический следящий привод с числовым программным управлением включает звенья, связан­ные в структурную схему, показанную на рис. 9. Схема аналогич­на показанной на рис. 5 для электрогидравлического привода с копировальным управлением, однако конструктивное исполне­ние звеньев иное: функции источника воздействия ИВ здесь вы­полняет (применительно к приводу на рис. 6) лентопротяжный механизм, задающего устройства ЗУ — магнитная (перфориро­ванная) лента, промежуточного устройства ПУ — магнитная го­ловка считывания МГС, сравнивающего устройства СУ — фазо­вый дискриминатор ФД, а обратная связь ОС — электрическая, от вращающегося трансформатора ВТ.

На схеме штрихпунктиром обведен регулируемый разомкну­тый по выходному параметру (по положению) электрогидравли­ческий привод, под которым обычно понимают собственно гидро­привод. Он включает усилитель У, электромеханический преобразователь ЭМП, гидроусилитель ГУ и гидродвигатель Д, а также может иметь внутренние обратные связи. Следящим является привод, замкнутый по регулируемому выходному параметру, ко­торый включает помимо регулируемого привода также сравни­вающее устройство СУ и средства обратной связи ОС по регули­руемому параметру (в рассмотренном примере по положению двигателя Д или рабочего органа РО). На схеме следящий при­вод обведен штриховой линией.

 

Рис. 9. Структурная схема гидравлического следящего привода с числовым программным управлением

Рис. 10. Отличие профиля изделия от теоретического контура при обработке на станке с ЧПУ

Произведенный анализ показывает, что рассмотренные выше положения относительно образования погрешности воспроизведе­ния, нечувствительности и устойчивости гидравлического следя­щего привода с копировальным управлением, действительны так­же для привода с числовым программным управлением. В по­следнем случае погрешность воспроизведения определяется отличием детали от теоретического контура, определенного чис­ловой программой, а не от профиля шаблона.

Отличительной особенностью приводов с числовым программ­ным управлением является то, что задающее и следящее переме­щения (скорости) сосредоточены у них в каждой координате, в то время, как в однокоординатных приводах с копировальным управлением эти перемещения разнесены на две различные коор­динаты: задающую и следящую (рис. I и 4). В результате кар­тина распределения погрешностей на изделии относительно тео­ретического контура при числовом программном управлении бу­дет отличаться от показанной на рис. 2.

Действительно, при обработке участка ВС контура (рис. 10) центр фрезы по вертикальной координате у может смещаться от теоретического положения О_1т, заданного числовой програм­мой, на величину h_нyнечувствительности привода по координа­те у, а по продольной координате х — на величину h_υx скорост­ной (точнее — суммарной: скоростной и нагрузочной) погрешно­сти привода по координате х. В результате центр фрезы будет фактически располагаться в точке О_1ф, а на детали оста­нется припуск величиной  нечувствительности привода по координате у. При обработке наклонного участка DE контура центр фрезы по координате у может смещаться от теоретическо­го положения О_2т на величину h_υу, скоростной погрешности при­вода У и по координате х — на величину h_υx скоростной по­грешности привода X. В результате фактическое положение цен­тра фрезы будет в точке О_2ф. Если приводы по координатам х и X выбраны таким образом, что при равных скоростях погрешно­сти у них также равны, причем размер погрешности изменяется пропорционально величине скорости, то смещение центра фрезы О_2ф будет направлено по касательной к обрабатываемой поверх­ности и контур детали будет точно совпадать с теоретическим контуром. Таким образом, в результате существования погреш­ности воспроизведения в приводах пропорционального управле­ния фактическое положение инструмента будет как бы отставать от теоретического, задаваемого числовой программой, смещаясь приблизительно по касательной к контуру в теоретически обра­батываемой точке, а погрешность обработки будет тем больше, чем меньше радиус контура и больше несоответствие между по­грешностью и скоростью приводов по координатам, участвующим в обработке детали.

Общая картина отклонения контура детали от теоретического контура будет характеризоваться заштрихованным участком, показанным на рис. 10. Несмотря на возможные значительные величины погрешностей воспроизведения по каждой из коорди­нат, обработанная деталь может весьма близко совпадать с тео­ретическим контуром, заданным числовой программой.

Применительно к приводу с фазовой системой ЧПУ устанав­ливается следующая терминология.

Цена оборота фазы — величина перемещения в сантиметрах (миллиметрах) рабочего органа машины, соответствующая обо­роту фазы измерительного устройства в обратной связи привода по перемещению на угол 2π.

Количество импульсов в одном обороте фазы — количество импульсов унитарного кода системы ЧПУ, соответствующих обо­роту фазы измерительного устройства в обратной связи привода по перемещению на угол 2π.

Цена импульса — размер перемещения в см (мм) рабочего органа машины, соответствующий одному импульсу унитарного кода системы ЧПУ.