книги из ГПНТБ / Сергиевский, Л. В. Наладка, регулировка и испытание станков с программным управлением учебное пособие

тивления и емкости, то, для того чтобы эту цепь включить в схему, необходимо согласовать сопротивление диффе­ ренцирующей цепи с входным и выходным сопротивлени­ ями схемы относительно точек присоединения.

Дифференцирующая цепь является пассивным четы­ рехполюсником, так как его коэффициент усиления не может быть больше единицы. Фактически происходит даже ослабление сигнала. Вносимое ослабление можно компенсировать соответствующим увеличением коэффи­ циента усиления усилителя системы. Для повышения точности дифференцирования необходимо уменьшать по­ стоянную времени t = RC, однако это приводит к умень­ шению выходного напряжения. Такая схема применяется там, где точность дифференцирования несущественна, например для заострения импульсов на входе триггера.

При RC ta за время действия импульса конден­ сатор успевает практически полностью зарядиться и к мо­ менту окончания прямоугольного импульса напряжение на выходе спадает по экспоненциальному закону. После окончания импульса конденсатор С разряжается на со­ противление R, вследствие чего образуется отрицатель­ ный экспоненциальный импульс. В результате прохо­ ждения прямоугольного импульса по дифференцирующей цепи на выходе образуются два экспоненциальных разно­ полярных импульса.

На рис. 23, б показано прохождение прямоугольного импульса через дифференцирующую цепь и показана

получения линейно изменяющихся напряжений и токов в системах коррекции. При подаче на вход интегрирующей цепи прямоугольного импульса иг (см. рис. 24, б) напря­ жение на выходе представляет две экспоненты: нарастаю­ щую и спадающую, которые тем меньше отличаются от отрезков прямых (точного интеграла), чем больше нера­ венство RC > tH.

Основными погрешностями электрических корректи­ рующих цепей являются неустранимые ошибки при диф­ ференцировании и интегрировании, вносимые самими схемами; разброс выходных параметров схемы при коле­ баниях напряжения питания; зависимость результатов от нагрузки, колебаний температуры, влажности; старение

60

элементов и разброс их параметров; низкие коэффициенты передачи (меньшие единицы); значительная зависимость выходных параметров от применяемого диапазона частот.

Погрешности, которые появляются в гидравлических и механических корректирующих устройствах, обусло­ влены появлением люфтов, излишним трением, утечками жидкостей, загрязнениями гидравлических систем, тем­ пературой и др.

§ 6. УПРАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Следящие гидросистемы широко применяют в металло­ режущих станках с ЧПУ. Применение этих систем поз­ воляет получить ряд преимуществ. Прежде всего они обладают большей мощностью на единицу объема и могут развивать в несколько раз большие моменты, чем электри­ ческие устройства тех же размеров и веса. Гидросистемы имеют к. п. д., близкий к к. п. д. силовых электрических двигателей. Малая сжимаемость рабочей жидкости обес­ печивает плавное и надежное действие исполнительных устройств и двигателей. Смазывающие свойства рабочего масла устраняют необходимость предусматривать допол­ нительные смазывающие средства. Одновременно высо­ кая вязкость масла выгодна для подавления вредных высокочастотных сигналов помехи. К недостаткам гидро­ систем следует отнести ббльише неудобства работы с ма­ слопроводом, чем с электрическими проводами. Утечка масла из двигателей, трубопроводов и управляющих эле­ ментов ухудшает динамические свойства системы. Изме­ нение вязкости с температурой может внести нежелатель­ ные изменения в работу системы регулирования, а инер­ ция масла может привести к сильному возрастанию пико­ вого давления, вызывающего гидравлический удар в си­ стеме. Опыт показал, что при достаточно большой массе нагрузки значительное влияние на характеристики си­ стемы оказывает сжимаемость рабочей жидкости и упру­ гость трубопроводов.

Рассмотрим гидропривод, показанный на рис. 25. Он состоит из насоса переменной производительности 2 с приводом от электродвигателя постоянной скорости /, сравнительно короткой гидравлической магистрали, гидро­ двигателя постоянного расхода 3 и рабочег о органа 4. При подаче сигнала от усилителя 8 в катушку 7 золотник 6, сместившись, соединит линию нагнетания Р с левой ча-

61

тельностью 2 и гидродвигатель 3. Золотник в первой си­ стеме является управляющим звеном, а сервоцилиндр — усилительным.

В качестве управляющих звеньев в станках с ЧПУ применяют электромеханические преобразователи (ЭМП), шаговые двигатели (ШД), управляющие золотники, сер­ воцилиндры. Рассмотрим их работу и возникающие в них погрешности и неисправности.

При работе электромеханических преобразователей, управляющих перемещением золотников, должны быть обеспечены необходимые перемещения подвижного эле­ мента, быстродействие, чувствительность, линейность ха­ рактеристики, минимальные гистерезис и потребляемая мощность и необходимая величина осцилляции, препят­ ствующая затиранию золотников.

Электромеханические преобразователи представляют собой электромагнитные устройства с подвижным якорем. Применяемый ЭМП на станках с фазовой системой ЧПУ изображен на рис. 26. Управление преобразователем осу­ ществляется электрическим током при помощи магнит­ ного поля. Обычно в преобразователях с поступательным движением якоря из-за небольшой асимметрии, вызван­ ной неточной сборкой механической системы, могут воз-

62

никнуть поперечные силы, создающие серьезные ослож­ нения при жестком соединении управляющего элемента— золотника с якорем преобразователя. Так как якорь преобразователя покоится на мембранах, то в зависимости от степени натяжения и жесткости этих мембран возни­ кают большие силы, изменяющие характеристику, а сле­ довательно, и быстродействие и линейность ЭМП. На быстродействие преобразователя оказывают влияние не только механические параметры и действующие силы, но также и электрические параметры, так как электри­ ческая постоянная времени обмотки является основным фактором, определяющим скорость, с которой может быть создано нужное тяговое усилие. Поэтому изменение количества витков и диаметра провода катушек ЭМП при ремонте нежелательно. Явление гистерезиса, появле­ ние которого возможно в ЭМП, имеет электромагнитное

имеханическое происхождение.

Кхарактерным неисправностям преобразователя не­ обходимо отнести поломку мембран (пружин), электри­ ческий пробой обмоток катушек, попадание металличе­ ской стружки или пыли в воздушные зазоры подвижного якоря, неправильную центровку якоря преобразователя.

Другим звеном управляющих элементов в гидросисте­ мах станков с ЧПУ является золотниковая пара (золот­ ник) — регулируемый гидравлический дроссель, широко применяемый в гидропередачах в качестве устройства

Рис. 26. Конструкция электромеханического преобразователя:

I — крышка; 2 — корпус; 3 — электрический разъем; 4 — обмотка;

63

управляющего гидроцилиндрами, гидронасосами, гидро­ двигателями. Золотник применяется для управления по­ током жидкости высокого давления, идущим от источника питания (насосной станции) к исполнительному устрой­ ству или гидродвигателю.

Золотниковая пара конструктивно проста, надежна, требует сравнительно небольших усилий для перемещения золотника относительно втулки. В зависимости от числа рабочих окон золотниковые пары бывают одно-, двух- и четырехщелевые. На рис. 27 показан простой золотник поршневого типа. Работа такого золотника происходит следующим образом. Жидкость под постоянным давлением подается в полость I. При смещении плунжера 2 относи­ тельно корпуса 1 в направлении А жидкость из полости / попадает в полость II и далее, например, гидродвигатель, пройдя через который и заставив его вращаться, попадает в полость III, а затем в полость IV и далее на слив. При смещении золотника в противоположную сторону жидкость

станка с ЧПУ необходимо, чтобы его коэффициент усиле­ ния был постоянен. Первым фактором, влияющим на коэф­ фициент усиления золотника, является его перемещение. При малых перемещениях и увеличенной вязкости масла реальный расход жидкости становится меньше. Очевидно, следует отдавать предпочтение большим перемещениям золотника, но при больших перемещениях золотника величина утечек через радиальный зазор между золотни­ ком и втулкой увеличивается. Увеличение радиального зазора в 2 раза за счет износа дает увеличение утечек жидкости в 8 раз.

Одним из наиболее серьезных аргументов в пользу ограничения перемещения золотника является величина мощности, требующейся для перемещения золотника.

64

Выходная мощность электромагнитного привода никогда не бывает избыточной, и даже сравнительно небольшое увеличение хода золотника требует увеличения мощности привода, а это приводит иногда к значительному умень­ шению быстродействия.

Применение кольцевых проточек во втулках золот­ ников в значительной степени позволяет им самоочищаться от частичек загрязнения, которые прилипают к буртику золотника в зоне щели. Однако другие частички, нахо­ дящиеся в пространстве между буртиками золотника и закрытой частью втулки, создают значительное трение между золотником и втулкой и в конце концов могут вы­ вести золотник из строя.

Одной из наиболее общих трудностей, с которыми приходится встречаться, является трение и заедание зо­ лотников. Вследствие малой жесткости соединения зо­ лотника и привода система золотник—привод считается неустойчивой, что может привести к автоколебаниям этой системы.

Во многих золотниках промышленного производства применяют отверстия с конической резьбой для монтажа арматуры. Такой метод соединения не всегда является качественным, так как часто вызывает деформацию кор­ пуса золотника при ввинчивании соединительной арма­ туры, потому что каждый монтажник стремится ввернуть эти соединения в корпус как можно птотнее. Если рабочий зазор между золотником и втулкой составляет 2,5 мкм, корпус золотника не должен испытывать сильной дефор­

Обычно в высококачественных системах используется отрицательная обратная связь; хорошие динамические свойства таких систем обеспечиваются за счет большого коэффициента усиления по замкнутому контуру. Доста­ точно большие коэффициенты усиления можно применять без нарушения устойчивости системы только в том случае,

к зависимости между расходом и перемещением золотника, т. е. при данном перепаде давлений на рабочей щели равные приращения перемещения золотника должны вы­ зывать равные приращения расхода. Даже при точно вы­ полненных прямоугольных окнах крутизна расходной

характеристики золотника (рис. 28) при отсутствии пол­ ной отсечки заметно уменьшается вблизи начала коор­ динат. Это уменьшение крутизны объясняется чрезмер­ ным предварительным открытием или перекрытием, а также закруглением или притуплением кромок рабочих щелей, вызываемых в результате эрозии острых кромок втулки и золотника.

Это явление почти не зависит от размеров золотника. Неустойчивость гидросистем может возникать по двум причинам: либо из-за неустойчивости всей системы, либо из-за неустойчивости части системы, обычно управляю­ щего золотника. Неустойчивость, вызываемая пульса­ цией давления в насосе и подобными периодическими воз­ мущениями, связана с резонансными колебаниями зо­ лотника. Явление неустойчивости потока является об­ щим, поскольку почти все виды потоков, за исключением случаев течения очень вязких жидкостей, по крайней мере частично неустойчивы. Когда жидкость обтекает препятствие или даже течет по гладкому каналу со ско­ ростью, превышающей определенную минимальную ве­ личину, ее течение неустойчиво; эта неустойчивость про­ является в образовании завихрений рабочей жидкости. Неустойчивость золотников не обязательно имеет ко­ лебательный характер, во многих случаях золотник может быть прижат к одному из упоров силами, которые суще­ ствуют и при постоянном расходе. В золотниках с неустой­ чивостью такого типа перепад давлений, действующих на некоторую площадь торца золотника, вызывает силу, перемещающую золотник в сторону открытия или закры­

тия рабочей щели.

Гидроусилителями называют усилительно-преобразо­ вательные устройства, которые позволяют управлять больщими мощностями. Они предназначены для управления

66

гидронасосами, гидродвигателями, регулируемыми дрос­ селями и клапанами. Различают одно,- двух- и трехкас­ кадные гидроусилители.

В гидросистемах объемного регулирования станков с ЧПУ наибольшее распространение получили гидроуси­ лители золотникового типа — золотник (I каскад) и сер­ воцилиндр (II каскад) и электрогидравлические усили­ тели — электромеханический преобразователь (I каскад), золотник (II каскад).

Гидроусилителям присущи недостатки, общие для си­ стем на гидравлических элементах (высокая точность изготовления отдельных деталей с целью уменьшения утечек и улучшения динамических характеристик, на­ пример для увеличения рабочего давления; зависимость вязкости рабочей жидкости от температуры, относитель­ ная сложность эксплуатационной наладки и др.).

Из существующего большого количества гидроусили­ телей, применяемых в различных типах станков, в рас­ сматриваемых станках с ЧПУ пока применены только два, один из которых приведен на рис. 29. Характерной

потока гидромотора (см. рис. 31). Методы ана­ лиза, принцип действия и расчет рассмотрены

вработах [9, 10]. Ь Гидроусилитель та- к

67

преобразователя. А это приводит к усложнению струк­ туры системы управления станка с ЧПУ. Если учесть, что собственная частота электромеханического преобразователя, примененного в станках с фазовой сис­ темой ЧПУ, лежит выше 100 Гц и при этом возникают трудности обеспечения устойчивости системы, то, оче­ видно, применение гидроусилителя с меньшей частотой снижает качественные характеристики системы. Такой системе управления гидроприводом присущи все недо­ статки, которые были рассмотрены для золотника. Кроме этих недостатков, гидроусилителям такого типа еще при­ суще и явление гистеризиса, а при появлении люфтов в системе усилителя появляются и фазовые ошибки, так как эти элементы охвачены электрической обратной связью.

Другой разновидностью гидроусилителей, применяе­ мых в станках с ЧПУ, является аксиально-плунжерный гидродвигатель, работающий с золотником вращения. Гидродвигатель с золотником образуют автономную сле­ дящую систему с жесткой отрицательной обратной связью по углу поворота выходного вала. Эта система при вра­ щении золотника шаговым двигателем может рассматри­ ваться как усилитель моментов (рис. 30).

Масло от лопастного насоса, вращаемого асинхронным

О

Рис. 30. Схема гидроусилителя моментов типа МГ-18

68

управляющего золотника 11 связан с шаговым двигате­ лем 1 и вращается во втулке 8. Во втулке имеются два отверстия, выходящие в проточку 4, соединенную с ли­ нией нагнетания насоса трубой 9, и два отверстия, выхо­ дящие в проточку 3, соединенную с линией слива тру­ бой 10. Отверстия во втулке 8, выходящие в проточки 2 и 5 через трубы 6, соединены с рабочими полостями гид­ родвигателя 7. В золотнике имеются четыре фрезерован­ ные канавки и четыре уплотняющих пояска. Когда зо­ лотник 11 находится в среднем положении, его уплотняю­ щие пояски перекрывают отверстия, выходящие в ка­ навки 3 и 4, и обе полости гидродвигателя заперты. Ра­ бочий орган станка не двигается. При повороте золот­ ника 11 от среднего положения в ту или другую сторону шаговым двигателем 1 одна из полостей гидродвигателя соединяется с линией нагнетания, а вторая — со сливом в бак. Гидродвигатель приходит в движение. Втулка 8 жестко связана с валом гидродвигателя. Вал гидродви­ гателя вместе с втулкой 8 поворачивается до тех пор, пока отвертия, входящие в проточки 3 и 4 втулки 8, не будут перекрыты поясками золотника И (жесткая обрат­ ная связь уменьшает рассогласование в системе). Угол поворота золотника 11 соответствует углу поворота шаго­ вого двигателя; следовательно, гидродвигатель точно от­ рабатывает углы поворота шагового двигателя 1.

Крутящий момент двигателя пропорционален перепаду давления в гидросистеме между обеими его полостями.

Гидроусилители имеют ряд преимуществ по сравнению с усилителями другого типа: меньшую инерционность

илучшие динамические характеристики, малые веса и габариты, кроме того, удобны для преобразования энер­ гии потока жидкости в механическую энергию и поз­ воляют управлять большими мощностями. Но им присущи

инедостатки: высокая точность изготовления отдельных деталей и, как следствие, быстрый износ при эксплуата­ ции, утечки масла и ухудшение из-за этого динамических характеристик, зависимость вязкости рабочей жидкости от температуры, относительная сложность эксплуатацион­ ной наладки.

Для гидроусилителей типа МГ-18 характерным не­ достатком является то, что при увеличении проходного сечения золотника момент на выходном валу гидродви­ гателя растет, а жесткость системы золотник—гидродви­ гатель падает.

69