CC BY
33
Key words: laser processing, working environment, surface quality, surface roughness.
Sidorov Vasiliy Nikolaevich, student, vasili-sidorov. tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.06:004 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-4-153-158
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
СТРУЖКОУДАЛЕНИЕМ ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ СО ШНЕКОВЫМ КОНВЕЙЕРОМ
Я.Л. Либерман, Л.Н. Горбунова
При обработке резанием на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах с многообразными технологическими возможностями, большое значение имеют системы автоматического регулирования удалением стружки с помощью шнековых конвейеров. Рассмотрена подобная система применительно к токарному станку с ЧПУ, которая содержит станину с направляющими, установленный на станке шпиндель с приводом, соединенный с датчиком скорости его вращения, суппорт с приводами его продольного и поперечного перемещения по направляющим, кинематически связанный с датчиком величины продольной подачи и датчиком обработанного на станке диаметра детали, блок управления формообразованием детали на станке, входы которого соединены с датчиком скорости шпинделя, с датчиком величин продольной подачи и с датчиком обработанного диаметра, а выходы связаны с приводами шпинделя и приводами перемещения суппорта, стружкоуборочный транспортер, размещенный в нижней части станины станка под его рабочей зоной. Электродвигатель соединен с рабочим органом через редуктор и снабжен блоком бесступенчатого регулирования его скорости в зависимости от объема металла, срезаемого на станке в единицу времени.
Ключевые слова: металлообрабатывающий станок, стружка, привод, автоматическое регулирование скорости, экономичность, надежность.
В последние десятилетия в нашей стране широко используются металлорежущие станки с многообразными технологическими возможностями. Поскольку такие станки дорогостоящи, вопрос об эффективности и надежности их использования является актуальным [1, 2].
Для повышения экономичности и надежности станочных стружкоуборочных конвейеров их начали выпускать с приводами, скорость которых можно изменять с помощью механической коробки скоростей, размещаемой между электродвигателем и шнеком [3-6]. Таковы, в частности, конвейеры, производимые совместным российско-германском предприятием ООО «ХЕННЛИХ» в г. Твери и др. [7]. Однако коробки скоростей позволяют регулировать скорости ступенчато и далеко не всегда оптимально [8, 9]. Кроме того, в существующих шнековых конвейерах они переключаются вручную, что рабочий-станочник часто сделать забывает [10].
Постановка задачи. Разработка системы бесступенчатого автоматического регулирования скорости шнековых конвейеров в зависимости от объема металла, срезаемого на станке в единицу времени.
Теоретическая часть. Разработанная система (рис. 1) ориентирована на применение в токарном станке с ЧПУ модели СА500С10ФЗ [11-13] и имеет в своем составе устанавливаемый в нижней части станины под рабочей зоной станка конвейер, состоящий из шнека 1, электродвигателя 2, редуктора 3 и муфты предельного момента 4. Она также содержит блок бесступенчатого регулирования скорости 5, связанный с электродвигателем 2; четырехвходовой блок умножения 6; выделитель модуля сигнала 7; усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 8; импульсный датчик скорости вращения шпинделя станка 9; датчик величины продольной подачи суппорта станка 10, аналогичный датчику 9; задатчик обрабатываемого на станке диаметра заготовки 11; импульсный датчик обработанного диаметра заготовки 12; компаратор 13; счетчик импульсов 14; частотомеры 15 и 16; преобразователи «код - напряжение» 17, 18 и 19 и задатчик 20 коэффициента усиления усилителя 8. Выходы датчика 9 скорости вращения шпинделя и датчика 10 величины продольной подачи через частотомеры 15 и 16 и преобразователи 17 и 18 соединены, соответственно, с первым и вторым входами блока умножения 6; задатчик 11 обрабатываемого диаметра - с его третьим входом; выход компаратора 13 соединен с его четвертым входом; первый (прямой) вход компаратора соединен с задатчиком 11 обрабатываемого диаметра; второй (инвертирующий) вход компаратора через счетчик 14 и преобразователь 19 соединен с датчиком 12 обработанного диаметра; выход блока умножения 6 соединен со входом выделителя модуля 7; выход выделителя модуля соединен со входом усилителя 8, а выход усилителя подключен ко входу регулятора скорости 5.
Рис. 1. Схема управления шнековым конвейером
При эксплуатации системы вначале настраивают усилитель 8, регулируя его коэффициент усиления К. Затем с помощью задатчика 11 в блок умножения 6 и компаратор 13 вводят сигнал, отображающий П1 - диаметр заготовки, обрабатываемой на станке (обрабатываемый диаметр). Далее начинают обработку заготовки. При этом происходит следующее. Датчик 9 и блоки 16 и 17 выдают сигнал напряжения, отображающий п об/мин - скорость вращения шпинделя станка. Датчик 10 и блоки 15 и 18 выдают сигнал напряжения, отображающий ^ мм/об - величину подачи суппорта станка. Датчик 12 и блоки 14 и 19 выдают сигнал напряжения, отображающий ^2 - диаметр, получающийся в результате обработки (обработанный диаметр). На выходе компаратора 13 возникает сигнал, отображающий П1 - П2, то есть глубину резания I мм (отображающий, но не равный ей, так как I = (П1 - ^)/2).
154
Все эти сигналы и сигнал от задатчика 11, поступая на блок умножения 6, дают на его выходе сигнал, отображающий
А = А • п • ^ (А - Б2).
Но известно, что объем срезаемого металла в единицу времени при токарной обработке равен [14]
в = V • ^ • г,
где V - скорость резания, равная, в свою очередь,
V = п • П1 • п, мм/мин.
Отсюда
в = (п/2) • А • п • ^ (А - Б2) = (п/2) А.
Таким образом, сигнал на выходе блока 6 отображает объем металла, срезаемого на станке в минуту. Если принять во внимание, что этот объем металла уходит в стружку, то, учитывая усадку стружки и ее рыхлость при попадании на стружкоубо-рочный конвейер, скорость работы конвейера (необходимую и достаточную ее величину) наиболее экономично и наиболее рационально нужно выбирать пропорционально величине в. Но так как величина в пропорциональна А, то сигнал, отображающий А, и должен задавать скорость двигателя конвейера. Выбрав при настройке усилителя 8 величину К с учетом усадки стружки, ее рыхлости и величины п/2, это легко обеспечить. Если теперь при работе станка объем стружки будет меняться (из-за изменения п, s, Б1 или П2), то скорость работы двигателя конвейера будет тоже меняться, оставаясь все время такой, чтобы убирать нужный объем стружки, а не работать вхолостую или с излишней производительностью. Это и наиболее энергосберегающий режим работы транспортера, и режим, обеспечивающий его наибольшую надежность. Такой результат будет иметь место как при наружном точении на токарном станке, так и при растачивании отверстий, что обеспечивается использованием выделителя модуля сигнала 7.
На рис. 2 приведена схема привязки системы к станку СА500С10ФЗ. Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки на этом станке - 200 мм. В кинематической схеме станка отсутствуют зубчатые колеса, что обусловливает малошумную работу его основных цепей.
Рис. 2. Схема связи станка с управляемым шнековым конвейером
Вращение на шпиндель 1 передается от электродвигателя постоянного тока 2 через поликлиновые ременные передачи 3 или 4 (переброска ремня с одной пары шкивов на другую производится вручную).
Фотоимпульсный датчик 5 выполняет функции датчика скорости вращения шпинделя 9 на рис. 1. Перемещение суппорта в направлении, перпендикулярном оси шпинделя, осуществляется от высокомоментного электродвигателя 6 через зубчатую
ременную передачу 7 и шариковую винтовую пару 8. Два ролика 9 и 10 предотвращают колебания зубчатого ремня. Датчик 11 (датчик 12 - на рис. 1) измеряет перемещение поперечных салазок суппорта 12 с дискретностью 5 мкм. Аналогичный привод (от двигателя 13) предусмотрен и для продольного перемещения суппорта - каретки 14. Только датчик 15 в нем (датчик 10 - на рис. 1) измеряет перемещение каретки с дискретностью 10 мкм.
МО) « {[„_i
\ wir ШЩ а
В / |апс
_4=, У о | Э
h lern и п ! м
Ч / гу- 2 5 1 I /
{ 1
м ЦП!...... МММ!
з ^ 1 ц ^ |
1 - ' Л
в-1
Рис. 3. Установка конвейера на станке модели СА500С10Ф3
Выходы датчиков 5, 11 и 15 соединены с элементами 5-20 согласно рис. 1 (на рис. 2 они все в совокупности изображены как блок 16), а выход блока 16 подключен к электродвигателю 17 и тахогенератору 18 конвейера. Через соединительную муфту 19, редуктор 20 и предохранительную муфту 21 двигатель 17 соединен со шнеком 22, имеющим диаметр 200 мм. Шаг шнека также равен 200 мм.
Конвейер встроен в станок в соответствии с рис. 3 [15], где 1 - станок с загрузочным устройством 2 типа промышленного робота и тактовым столом 3 для автоматизированной подачи заготовок; 4 - шкаф электрооборудования с аппаратурой системы управления конвейером; 5 - конвейер, доставляющий стружку из-под рабочей зоны станка на общецеховой конвейер, размещаемый под полом цеха.
Выводы. Установка конвейера на станке с загрузочным устройством типа промышленного робота и тактовым столом для автоматизированной подачи заготовок, а также конвейера, доставляющего стружку из-под рабочей зоны станка на общецеховой конвейер, размещаемый под полом цеха, обеспечивает энергосберегающий режим работы оборудования, и режим, обеспечивающий его наибольшую надежность.
Список литературы
1. Громаков Е.И., Каранкевич А.Г. Проектирование систем управления для гибких автоматизированных производств. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2008, 152 с.
2. Трухин В.В., Петроченко Д.В. Система удаления стружки в условиях автоматического производства // Сборник материалов VII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Россия молодая», 21-24 апреля 2015. Кемерово, 2015. 225 с.
3. Шарламов В.Г., Плаксин А.В., Сметанин С.Д. Моделирование элемента стружки при ротационном фрезеровании // Металлобработка. № 4. 2018. С. 7-13.
4. Исаков Д.Ц., Коваленко А.С. Способ формирования элементов стружки при вибрационном фрезеровании отходов металлов и пластмасс // Металлобработка, № 4, 2009. С. 2-11.
5. Кижянев Ю.И., Немецев Б.А., Щербакова А.П. Проектирование операций глубокого сверления отверстий малых диаметров инструментом с внутренним отводом стружки // Металлобработка, № 2. 2020. С. 12-23.
6. Маслеников И. А. Формообразование стружки за пределами зоны контакта при механической обработке лезвийным инструментом пластичных материалов // Металлобработка, № 2. 2018. С. 12-18.
7. ООО «ХЕННЛИХ» - промышленные насосы, пружины, уплотнения [Электронный ресурс]. URL: http://www.hennlich.ru (дата обращения: 10.02.2021).
8. Никольская Э.В. Анализ фондоотдачи // Бухгалтерский учет. 2006. № 3. С. 24-27.
9. Форум «Зарулем.РФ» / Как рассчитать стоимость токарных и фрезерных работ по металлу. Саратов, 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://forum.zr.ru/forum/ topic/ 383667-kak-raschitat-stoimost-tokarnykh-i-frezernykh-r/ (дата обращения: 10.02.2021).
10. Воскобоев В.Ф. Надежность технических систем и техногенный риск. М.: ООО ИД «Альянс», 2008. 200 с.
11. Либерман Я. Л., Летнев К.Ю. Специальные и специализированные системы управления транспортирующими машинами. Екатеринбург: Типография для Вас, 2017. 312 с.
12. Либерман Я.Л. Эффективность использования металлорежущих станков с ЧПУ / СТИН, № 10, 2009. С. 17-20.
13. Либерман Я.Л. Практика реализации технологических возможностей современных токарных станков // Современные проблемы машиностроения: труды V Международной научно-практической конференции. Томск: Издательство ТПУ, 2010. С. 456-461.
14. Жуков Э.Л., Козарь И.И. Основы технологии машиностроения. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. 118 с.
15. Патент 135279, Российская Федерация. МПК В23В3/00. Токарный станок с ЧПУ / Я. Л. Либерман, А. И. Хвостикова (Россия). № 2013128170/02; Заявлено 19.06.2013; Опубл. 10.12.2013; Бюл. № 34.
Либерман Яков Львович, канд. техн. наук, доцент, yakov_liberman@,list. ru, Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени Первого президента России Б.Н. Ельцина,
Горбунова Любовь Николаевна, канд. техн. наук, доцент, Lubov202055@,yandex. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет
DEVELOPMENT OF AUTOMATIC CHIP REMOVAL CONTROL SYSTEM FOR METAL CUTTING MACHINES WITH SCREW CONVEYOR
Y.L. Liberman, L.N. Gorbunova
When cutting on CNC machines and machining centers with a variety of technological capabilities, automatic control systems for chip removal using screw conveyors are of great importance. The article considers such a system as applied to the lathe with CNC, which contains a frame with guide rails mounted on the machine spindle with the drive coupled to the sensor speed of rotation, the support drives its longitudinal and transverse travel rails, kinematically associated with the sensor values of the longitudinal feed sensor machined diameter of the workpiece, the control unit forming parts of the machine, inputs cou-
157
pled to a speed sensor of the spindle, sensor longitudinal feed and processed sensor diameter, and the outputs are connected to the spindle drives and the caliper movement drives, a chip conveyor located in the lower part of the machine bed under its working area. The electric motor is connected to the working body through a gearbox and is equipped with a block for continuously regulating its speed depending on the volume of metal cut on the machine per unit of time.
Key words: metalworking machine, shavings, drive, automatic speed control, efficiency, reliability.
Lieberman Yakov Lvovich, candidate of technical sciences, docent, ya-kov libermanalist.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin,
Gorbunova Lyubov Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, Lubov202055ayandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University
