CC BY
46
УДК 621.9.06-82
В.С.СИДОРЕНКО, М.С.ПОЛЕШКИН
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ГИДРОМЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЦЕЛЕВЫХ МЕХАНИЗМОВ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ ПОВЫШЕННОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ТОЧНОСТИ
Предлагается и исследуется многофункциональное гидромеханическое управляющее устройство (МФГМУ) позиционирования в составе привода технологических систем повышенного быстродействия и точности. Физическим экспериментом получены расходно-перепадные характеристики устройства, которые в дальнейшем учтены при вычислительном эксперименте процесса позиционирования, установлены зависимости выбега объекта управления от скорости позиционирования, момента инерции заготовки, противодавление на сливе. Разработкой реального гидромеханического устройства позиционирования на основе МФГМУ для координатно-сверлильного станка подтверждается практическая значимость разработанного схемотехнического решения.
Ключевые слова: гидромеханические устройства позиционирования, поворотноделительные механизмы, позиционирование, гидравлические линии связи, точность, быстродействие, исполнительные механизмы
Введение. Современное автоматизированное технологическое оборудование (АТО) характеризуется многообразием исполнительных движений (ИД) его целевых механизмов (ЦМ), обеспечивающих пространственную ориентацию деталей, инструментов, их базирование и фиксацию, организацию процесса металлообработки.
Повышение производительности и качества обработки АТО требует совершенствования действующих и создания новых целевых механизмов повышенного быстродействия и точности [1].
Наиболее эффективны решения, построенные на принципах оптимального управления исполнительных движений в АТО.
Постановка задачи. Целью выполненного исследования является повышение быстродействия и точности исполнительных движений целевых механизмов АТО многофункциональным гидромеханическим устройством (МФГМУ), управляющим позиционными циклами ЦМ с оптимальными траекториями и идентификацией их рабочих процессов.
Обладая известными свойствами, широкое применение получают позиционеры с гидравлическими линиями связи (ГЛС), наиболее полно отвечающие принципам оптимального управления, например, организация рациональных траекторий движения исполнительных механизмов, обеспечивающих достижение максимального быстродействия при заданной точности позиционирования ИМ наиболее простыми средствами [1, 2]. Задачи оптимального управления такими механизмами, решаемые в работе [3], показывают, что наиболее эффективно они решаются гидромеханическими позиционерами с управляемой сливной линией и гидромеханическим тормозом. Формирование требуемых управляющих воздействии, организация рациональных позиционных циклов возможны применением многофункциональных управляющих устройств. На их выходах формируют-
ся управляющие сигналы, достаточные для прямого управления потоками рабочей жидкости по мощности и быстродействию (0,001...0,004с). Кроме того, появляются реальные возможности управления процессом позиционирования изменением структуры ГМУП внутри цикла «на ходу», расширяя возможности традиционного параметрического управления траекториями движения ИМ. Это и являлось основой схемотехнического поиска решения данной задачи.
Результатом схемотехнического поиска является оригинальное устройство позиционирования ГМУП с широкими возможностями структурно-параметрического управления процессами позиционирования целевых механизмов АТО. Обобщенная структурная схема ГФГМУ на рис.1 поясняет состав и взаимные связи элементов устройства.
__ - Кинематические линии связи
- Электрические линии связи
Рис.1. Структурная схема устройства позиционирования с ГЛС: АЗП - автономный задатчик перемещений; ДГП - датчик грубого перемещения; УГП - устройство грубого перемещения; ДТП - датчик точного перемещения; УУ - устройство управления; ИЛИ - логический элемент «или»; ЭСУ - энергосиловая установка; ГД - гидродвигатель; ИУ - исполнительное устройство; ТУ - тормозное устройство; СИ - счетчик импульсов; ОУ - объект управления
Гидравлическая подсистема (ГПС) включает энергосиловую установку ЭСУ, гидродвигатель (ГД) и тормозное устройство (ТУ). ГПС формирует параметры потока жидкости р1,р2^1^2, преобразует его энергию в движение выходного звена гидромотора с заданными скоростью «1 и крутящим моментом МГМ .
Управление ГПС обеспечивает контур гидравлического управления (КГУ). Его составляют датчик точного перемещения (ДТП), кинематически связанный с гидродвигателем. Срабатывание ДТП и формирование управляющего сигнала происходит в точке позиционирования, задаваемой автономным задатчиком перемещений АЗП. Гидравлический сигнал на выходе ДТП сформировывается за 0,001.0,003 с [2] давлением для прямого управления одним из исполнительных устройств, встроенных в гидравлическую силовую систему (гидрозамок, гидроуправляемый клапан или тормоз и др.) и управляющих основными потоком гидродвигателя. Передачу сигналов обеспечивают управляющие гидролинии связи (УГЛС).
Особенностью КГУ являются незначительные расходы управляющих потоков в УГЛС, что позволяет минимизировать объемы жидкости в КГУ и повысить его быстродействие 1<гу. Замена нескольких исполнительных устройств одним многофункциональным, также повышает быстродействие и стабильность срабатывания КГУ. Схемотехническое решение такого подхода и предлагается в настоящей работе.
Для построения принципиальной схемы МФГМУ структурную схему на рис.1 преобразовали в соответствии с типовым процессом позиционирования траекторий движения объекта управления (ОУ):
1. Исходное положение (стоп) с фиксацией положения ОУ.
2. Разгон ОУ до заданной угловой скорости оз2 с максимальным
М ГМ .
3. Замедление движения до ®3 за одну дискрету (оборот) ГД до заданной координаты.
4. Останов исполнительного механизма ГД и ОУ в точке позиционирования перекрытием сливной гидролинии гидродвигателя, УУ - фиксация ИМ гидродвигателя тормозным устройством ТУ для сохранения положения ОУ при воздействии на неё технологических и позиционных нагрузок.
Организация позиционного цикла с максимальным быстродействием при заданной точности возможна построением ГМУП с автоматически изменяемой структурой при выполнении алгоритма позиционного цикла. Принципиальная гидрокинематическая схема ГМУП представлена на рис.2.
Рис.2. Принципиальная гидрокинематическая схема МФГМУ
Угловые координатные перемещения ОУ обеспечивает гидромотор (ГМ) (через передаточно-преобразующий механизм с передаточным отношением О, управляемый вращающимся распределителем (ВР), кинематически связанным с валом гидромотора. Положение устройства управления -ГУКа определяется уровнем управляющего давления р^, подводимого в его заклапанную полость и формируемого распределителем Р4. Положение золотника распределителя Р4 определяется управляющими сигналами ру1 и ру2, в гидравлических линиях связи его управления соответственно от распределителя Р2 и ВР при совпадении его рабочих окон.
Очередное угловое перемещение ОУ задается автономным задатчиком перемещения АЗП. При подаче сигнала (после отработки рабочего движения) на электромагнит YA3 распределителя Р2 жидкость поступает к распределителю Р4, обеспечивая р подвод этого сигнала в заклапанную полость ГУКа, открывая его, и разгон ГМ до максимальной скорости. Система управления (счетчик или программируемый контроллер и датчик оборотов) следит за поворотом вала ГМ и при прохождении «точки замедления» отключает электромагнит YA2 распределителя Р2, ГУК переходит в подпорный режим. Противодавление на сливе гидромотора увеличивается, скорость вращения вала уменьшается. За один оборот ВР до останова включается электромагнит YA3 распределителя Р3. При движении с замедлением происходит совмещение рабочих окон ВР, что соответствует координате, заданной АЗП. В гидролинии формируется сигнал управления ру2, переключающий распределитель Р4. При этом давление в заклапанной полости уменьшается, клапан закрывается под действием пружины, перекрывая слив, гидромотор ГМ останавливается.
АЗП, обеспечивающий адаптацию ГМУП к изменяющимся скоростным характеристикам, состоит из: шагового электродвигателя (ШЭД), обеспечивающего смещение координаты позиционирования в зависимости от скорости подхода к координате; датчика перемещения ВЕ-175А, дающего информацию о скорости подхода к координате; электронной системы управления, обеспечивающей согласование сигнала от датчика с ШЭД. Настройка системы управления производится по экспериментальным данным.
Управляющие устройства в программном и следящем гидроприводах станков и технологических машин обеспечивают заданный закон траектории движения и во многом определяют качество рабочих процессов. Поэтому разработка и исследование таких устройств являются актуальной задачей при создании механизмов позиционирования исполнительных механизмов станков и машин.
Процессы течения рабочей жидкости в машинах или аппаратах учитываются при проектировании приводов расходно-перепадными характеристиками, которые получают в результате экспериментов, выполненных при нескольких фиксированных положениях дросселирующего потока жидкости элемента, и определяются внешними воздействиями, т.е. давлением, вязкостью, температурой рабочей жидкости, коэффициентом расхода, формой сечения проточной части и пр.
Для исследования статических и динамических расходно-перепад-ных характеристик разработанного устройства - ГУК было спроектировано и изготовлено специальное стендовое оборудование: измерительный комплекс с оснасткой. В результате серии экспериментов по полученным
данным были построены расходно-перепадные характеристики гидроуправляемого клапана.
Наиболее четкое представление о поведении ГУК в позиционном рабочем цикле дает анализ полученных результатов экспериментов, интерпретированный в зависимостях от коэффициента расхода, поскольку данная характеристика является совокупной по числу факторов, влияющих на процесс открытия-закрытия клапана.
После полиномиальной аппроксимации функции м=1"(х) на всем интервале открытий (0<х<1,9) математически зависимость представлена полиномом 6-го порядка и имеет вид:
М = -1,0135х5 + 3,4454х4 - 3,4177х3 + 1,182х2 - 0,0343х - 0,0049. (6)
Величина максимальной погрешности аппроксимации - отклонения от экспериментальной зависимости м=^(х) составила 0,998.
Постоянно растущие требования к точности и быстродействию гидроприводам обусловливают необходимость проведения динамического анализа как всей системы (исследовалось в работе [6]), так и ее компонентов еще на этапе проектирования, что в свою очередь позволяет сокращать время проведения испытаний и улучшать качество рабочих процессов реальных ГМУП.
Моделирование динамических процессов в гидравлических системах обычно сопровождается некоторыми сложностями, связанными с поведением потока рабочей жидкости. Поэтому при формировании математической модели ГМУП, расчетная схема которой представлена на рис.3, были приняты следующие допущения [4]:
- рабочая жидкость сжимаемая, капельная и в каналах присутствует нерастворенный воздух;
- утечки малы и могут быть ограничены коэффициентом;
- трубопроводы короткие, гладкие, жесткие, что позволяет не учитывать волновые явления;
- динамические процессы рассматриваются при Qн=const , рн=
const;
- коэффициент расхода управляющего устройства ГУК представлен аппроксимированной зависимостью от числа Рейнольдса ^=^(Re), полученной экспериментально.
Исследование модели выполнено с использованием программного пакета matlab.7.0.5 и её подсистемы моделирования динамических процессов simulink. Введение в модель динамической системы ГМУП уравнений, описывающих нелинейные изменения давлений р1 ,р2, при дросселировании потока в напорной и сливной гидролиниях заметно усложняет модель. Поэтому управляющие устройства, вращающийся распределитель, распределители Р1,Р2,Р3 моделировались релейно, что допустимо при коротких управляющих гидролиниях связи (< 0,5м) и быстром за 0,002.0,003 с.
Математическая модель, характеризующая динамическую систему МФГМУ на всем этапе функционирования, представляет систему уравнений. Математическая модель, характеризующая работу МФУУ на всех трех этапах функционирования, представляет систему уравнений:
1. Уравнение моментов:
2-(p, - р) = + MTO signj, (i)
где pi - давление на входе ГМ, Па; Р2 - давление на выходе из ГМ, Па; YПр - приведенный момент, кг*м2; ф - угловая координата, рад; Mo - момент сил, кг*м2.
2. Уравнение расходов:
QrM + Qn - &ж = QryK + 0УГЦ + Qw , (2)
где Qm - расход гидромотора, м3/с; Qn - расход, м3/с; Qcж - потери расхода на сжимаемость рабочей жидкости, м3/с; Qmк - расход рабочей жидкости через ГУК, м3/с; Qyn/к - расход рабочей жидкости в канале управления ГУК, м3/с.
2 , ч %dd 3(р2 - рсл)
- (Pi - Рз) + 12 У 2 сл), (3)
р 12р ' V ' хгут
к (р_ - Рг) +
40 йі ^ ЕЛ у
где qo - рабочий объем гидромотора, м3; к - коэффициент перетечки; V и Е- объем и модуль упругости рабочей жидкости, соответственно в м3 и Па; р - коэффициент расхода через золотник ГУК (устанавливаем экспериментально); 5 - площадь проходного сечения, м2; р - плотность рабочей жидкости; рз - давление на выходе из ГМ, Па; d - диаметр золотника, м; 6 - концентрический зазор золотника, м; р - давление слива ГУК, Па; V - коэффициент вязкости рабочей жидкости; Хгут - величина осевого перемещения золотника, м; рз - давление управления ГУК, Па.
3. Уравнение гидравлических линий связи:
Р3 = Ь-7-Y d
4QryK 2 (%d2) 2g(—)
ДР
(4)
при условиях:
1) t=0; Рут=РвФ , Рзк=0 - ГУК закрыт;
2) 0< t < іфпі, Рут=0; Рур=Ро; Рзк=Ро - ГУК в режиме открытия;
3) іфпі < t < tфп2; Рі=Рн, Рі=Р2з ГУК в режиме закрытия;
4) tфп2 < t < Тпз; Рут=Рвгр, Рі=Р2=Рн ГУК в режиме позиционирования.
4. Уравнение нагрузки:
m
пр
d2x
d 2t т dt
dx
+ kT — + c(x + ^x) = (p ■ - Рз)
dx
Sd2 4
(5)
Ft ■ sign ± FГд • sign "dt,
где m„p - приведенная масса золотника, кг; kT - коэффициент; с - жесткость пружины клапана; Ах - приращение перемещения золотника; Ру, - давление управления ГУК, Па; Рз - давление слива ГУК, Па; Fт - сила трения золотниковой пары, Н; Fгд - гидродинамическая сила,Н.
Осциллограмма на рис.4 отражает характер изменения управляющих воздействий Хрі, управляющих Хгук и вызываемые при этом изменения основного параметра ГМУП: ру на участках разгона tр, установившегося движения tycT, замедления движения t3l ,й2 и останова trop.
к-
ч
J
іроз
fycm
0.26 tзон 1
O.J6
ізаи2
016
fmap
Рис.4. Осциллограмма зависимости давления управления Ру от времени t
В процессе испытания МФГМУ на стендовом оборудовании при производственных условиях проводили экспериментальные исследования точности позиционирования при вращательном координатном столе.
2
Результаты экспериментальной проверки
Ха- рак- тери- стика ППМ Способ позицио- нирования Р пд/ МПа Пгм/ об/мин Поу, об/мин Мгм/ Нм ф гм/ рад Дф гм/ рад Д ф ПДМ, рад с ^т, с
Ір=1/1 с гидрозамком - 0,345 0,052 0,004 0,055 0,07
2 с МФГМУ 1,7 140 11/6 10 0,215 0,01 0,003 0,42 0,54
Іу=1 3 0,108 0,029 0,002 0,46 0,41
Изменением значений основных параметров ГМУП исследовали их влияние на точность позиционирования планшайбы поворотного стола. В таблице представлены зависимости выбега от противодавления на участке замедления и скорости позиционирования ш2 (зона устойчивого позиционирования показана заштрихованной). Здесь же представлены результаты экспериментальной проверки (см. таблицу). Отклонения не превышают 9.12%, что подтверждает адекватность модели и достоверность полученных результатов.
Результаты научно-исследовательской работы и проверка работоспособности предлагаемого решения ГМУП прошли апробацию на координатно-сверлильном станке с гидравлическим приводом. Станок, разработанный на базе вертикально-сверлильного станка 2А135, обеспечивает сверление большого количества отверстий в узлах крепления ферменных конструкций.
Предлагаемый проект координатно-сверлильного полуавтомата реализован путем модернизации станка 2А135 оснащением его поворотным координатным столом с приспособлением для базирования и закрепления деталей типа узел крепления форменных конструкций. Поворот стола в заданную позицию и подачу инструмента при сверлении, нарезании резьбы обеспечивают разработанные ГМУП.
Гидрокинематическая схема привода станка представлена на рис.5. Станок работает по полуавтоматическому циклу и состоит из механизмов: привода главного движения, привода подачи, вывода обрабатываемой детали на заданную координату в полярной системе координат и закрепления ее в этом положении.
Гидравлический привод с МФГМУ осуществляет задание и отработку координат без применения прецизионных датчиков положения и специальных систем обратной связи, управляет автоматическим разгоном и снижением скорости, торможением поворотного стола при останове.
Для упрощения кинематической схемы привода подачи, обеспечения ускоренного и рабочего перемещений шпинделя в общем автоматическом цикле, а также для задания и отработки точного перемещения инструмента привод подачи станка осуществляется от гидравлического мотора с МФГМУ.
Наличие в схеме МФГМУ упрощает гидрокинематическую схему позиционной системы программного управления станками без применения сложных электромагнитных систем обратной связи.
В результате проведения испытаний поворотно-делительного стола из 100 остановов при угловой скорости вала ш=10рад/с разброс выбега планшайбы находился 2.9...3.1угл.минут, т.е. разброс составил 0,2 угл.мин.
Основное влияние на величину выбега оказывают: скорость перемещения, момент сил сопротивления и приведенный момент инерции перемещаемых масс. Важным фактором при исследованиях является разброс выбега, погрешность предыдущего останова стола не влияет на последующий, что исключает накопление ошибок.
Выводы. Качество процесса позиционирования объектов управления гидромеханическими устройствами во многом определяется структурой и техническим исполнением контура гидравлического управления, организующего задаваемую траекторию движения. Введением в КГУ оригинального многофункционального управляющего устройства минимизируется его состав, протяженность управляющих гидролиний, что позволяет существенно (« на 30%) сократить время формирования управляющего сигнала и точек их переключений. И, как следствие, повысить быстродействие процесса позиционирования при заданной точности.
В результате выполненного исследования появляются возможности для создания рациональных по структуре и параметрам КГУ механизмов позиционирования с МФГМУ уже на этапе проектирования таких механиз-
мов, сокращая затраты времени и средств на последующую их доводку испытаниями и уточнением их параметров.
Результаты данной работы были апробированы на гидрофициро-ванном вертикально-сверлильном станке типа 2А135. Экспериментальные исследования позволили определить степень влияния конструктивных и эксплуатационных параметров привода на выбег объекта управления (делительного стола) при останове. Доказали, что станок обеспечивает стабильную работу с заданной точностью позиционирования.
Библиографический список
1. Сидоренко В.С. Синтез быстродействующих позиционирующих гидромеханических устройств / В.С.Сидоренко // СТИН - 2003. - №8.
- С.16-20.
2. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: учеб. для вузов. / Д.Н.Попов. - М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2001. - 320 с., ил.
3. Цуханова Е.А. Динамический синтез дроссельных управляющих устройств гидроприводов. / Е.А. Цуханова. - М.: Наука, 1978.
4. Аль-КудахА.М. Моделирование процесса позиционирования поворотно-делительных механизмов автоматического технологического оборудования устройствами с гидравлическими линиями связи. / А.М. Аль-Ку-дах, В.С.Сидоренко, В.И. Грищенко. //Вестник ДГТУ. - 2008. - Т.8. -№4(39). - С.447-457.
Материал поступил в редакцию 22.07.09.
V.S. SIDORENKO, M.S. POLESHKIN
HYDROMECHANICAL MULTIPURPOSE DEVICE POSITIONING PROCESS OF AUTOMATED MANUFACTURING EQUIPMENT ROTARY-DIVIDED MECHANISMS WITH HYDRAULIC LINES
Offered and researched multifunctional hydromechanical controlling device of the positioning in composition of the drive of the technological systems of the raised speed and accuracy. The Physical experiment are received expense-differential of the feature device, which are hereinafter taken into account under computing experiment of the process of the positioning, is installed dependencies stopway object of management from velocity of the positioning, moment to inertias of the stocking up, counterpressure on discharge. The Development real GMUP for coordinate-drill tool is confirmed practical value designed circuit of the decision.
СИДОРЕНКО Валентин Сергеевич (р.1942), заведующий кафедрой «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы» ДГТУ, доктор технических наук, профессор. Окончил РИСХМ (1964).
Область научных интересов: синтез гидромеханических позиционирующих устройств металлообрабатывающего оборудования.
Опубликовано 140 научных работ, имеет 18 патентов РФ на изобретения.
ПОЛЕШКИН Максим Сергеевич (р.1986), ассистент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы» ДГТУ. Окончил ДГТУ (2008).
Область научных интересов: гидропривод повышенного быстродействия и точности механизмов станочных систем.
Количество публикаций - 9.
Poleshkin. Maks@gmail. com
