CC BY
7УДК 621.316
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА МНОГООПЕРАЦИОННОГО СТАНКА
С.И. Захаров1
Самарский государственный технический университет 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Рассмотрена система автоматического управления движением и позиционированием шпиндельного узла прецизионного координатно-расточного станка, оснащенного системой динамической разгрузки.
Ключевые слова: многооперационный, динамическая разгрузка, осцилляция, шпиндельный узел, передаточная функция
Экономические и технические возможности в развитии станкостроения формируют новые подходы к расширению функционального назначения станков. Это касается и координатно-расточных станков с беспинольным шпиндельным узлом (ШУ). Обладая высокой жесткостью, он способен кроме лезвийной обработки выполнять и прецизионное шлифование при осцилляции ШУ с частотой 3-5 Гц, что
позволяет увеличить точность и производительность станка на 25^30%. Необходи-
мость осцилляции ШУ требует замены статической разгрузки с помощью противовеса динамической, исключающей удары при изменении направления движения (реверсе) ШУ.
В работе рассматривается вариант электромеханической разгрузки ШУ. Её схема показана на рис. 1 и включает электропривод 1 с шариковинтовой парой (ТТТВП) 2 и связанной со ШУ 4
тросовым соединением 3. Привод подачи ШУ 4
состоит из электропривода 6 и ШВП 5. Таким об-
разом, привод ШУ реализует подачу ШУ и преодолевает трение в направляющих и усилия при выполнении технологических операций. Привод динамической разгрузки компенсирует вес ШУ и его динамические составляющие при пуске, торможении и реверсе.
Структурная схема предлагаемой системы управления показана на рис. 2 и состоит из канала управления перемещением ШУ и канала динамической разгрузки. Канал управления перемещением ШУ включает в себя контур тока, контур скорости, контур положения. Канал динамической разгрузки замкнут по току и скорости.
Системы управления приводами подач ШУ и динамической разгрузки (ДР) по-
Р и с. 1. Общий вид станка с системой разгрузки ШУ
1Захаров Сергей Игоревич, аспирант. E-mail: Sergey. 929@mail. ru
строены по принципу систем подчиненного регулирования [1] и настроены на технический оптимум с учетом противо-ЭДС двигателей. При анализе регулятора тока в канале динамической разгрузки особое внимание уделяется влиянию инерционной составляющей ШУ, которая определяется передаточной функцией, связывающей угол поворота ф(p) и M(p).
1
1
Wконт 1( р)
Ф( Р) M (p)
K 2 Р1
KMF mp
1 +
^ 2 Р
KMF mp
і р Jдв р
К
MF
т
J ■ і,
+1
(1)
Здесь Кмр - коэффициент, связывающий М с силой ^, т - масса ШУ, г^-
коэффициент передачи редуктора, ./ - момент инерции двигателя.
Для синтеза контура тока передаточная функция связи тока двигателя и силового преобразователя примет вид
I (Р) = Тм 1 р________
ит(р) Яя \гяТм 1р " + Тмр р +
К
конт2
( р ) = -
(2)
где Тм 1 = Т,
1м
К
MF
т
J ■ і,
+1
эквивалентная электромеханическая постоянная времени
двигателя с учетом массы ШУ, Tм - электромеханическая постоянная времени электродвигателя.
При этом передаточная функция регулятора тока имеет вид
Крт (р) =
кя (Tм 1ТЯ р + ^ 1р +1)
2ТТП рКТП ^ 1рК ДТ а передаточная функция регулятора скорости запишется как
Крс (Р) =
К ДТ ^ 1СеФ 4ТТП К Я К ДС
=К
РС ■
(3)
(4)
В (3) и (4) обозначено: Ктп, Ттп - коэффициент передачи и постоянная времени тиристорного преобразователя. Постоянная Тш принята как малая постоянная времени; К дТ - коэффициент передачи датчика тока.
На контур тока воздействуют следующие помехи: изменение силы трения при движении ШУ и нагрузка G( р) от веса ШУ.
Аналогично построена САУ подачи ШУ, в которой добавлен регулятор положения, обеспечивающий точное позиционирование ШУ как при лезвийной обработке заготовки, так и при её шлифовании. В контуре тока учтены действие силы трения, знак которой зависит от направления движения ШУ, и величина усилия трения, приложенного к направляющим, по которым происходит его качение. Это величина определяется экспериментально.
Сигналом задания для САУ подачи ШУ, поступающим с устройства ЧПУ, является перемещение Zзд , для САУ динамической разгрузки - сигнал ТГ, т.е. сигнал с
1
1
1
Рис. 2. Структурная схема автоматического управления разгрузкой ШУ
датчика К дС (ию). Цель системы - поддерживать равенство скоростей м1(р) и ю 2 (р) при одной и той же кинематической цепи приводов либо обеспечить постоянство отношения скоростей при различных кинематических цепях, что разгружает ШУ и устраняет недопустимые нагрузки на узлы станка.
Для решения поставленной задачи необходимо синтезировать звено, обеспечивающее синхронизацию приводов, т.е. обеспечить Аю = ю1 -ю 2 = 0 или Ат , равное минимально допустимой величине, определяемой допустимой нагрузкой на узлы станка.
Расчет упомянутой передаточной функции, обозначенной как Жх (р), осуществляется в два этапа. На первом этапе определяется Жх (р) без учета действия силы трения в каналах, поскольку учет нелинейностей и связность двух контуров делает задачу трудноразрешимой чисто аналитическим способом. На втором этапе уточняются параметры Жи (р) методом имитационного моделирования.
Для решения задачи на первом этапе сведем структурную схему рис. 2 к схеме, показанной на рис. 3. Здесь введем следующие обозначения: ЖРП (р), ^ЗАМю (р)-передаточные функции регулятора положения и замкнутого контура по скорости канала подачи ШУ; ЖРС (р), WЗАМi (р)- передаточные функции регулятора скорости и замкнутого контура по току электродвигателя канала динамической разгрузки ШУ. На схеме также обозначены КдС , КдТ , гр - коэффициенты передачи датчика скорости, тока в каналах подачи и разгрузки ШУ и коэффициент передачи редуктора в канале подачи ШУ.
Электропривод динамической разгрузки Ш.Б.
Р и с. 3. Упрощенная структурная схема автоматического управления разгрузкой ШУ
Я я К дс
Передаточная функция W2(р) =--------------- учитывает инерцию при переходе от
ТМ 1СеФ
тока якоря двигателя разгрузки к частоте вращения. Расчет Wх (р) выполняется из
1 • (1 + Wpc (рЖзам, (р) — W2 (р))
Wх (р) =-------------------------Кж-------. (5)
Wpc (рЩзам, (р) — W2(р)
К ДТ
Подставляя в (5) значения соответствующих передаточных функций, получим
Wх (р) = 8Т2ТПр2 + 4Ттпр +1. (6)
На втором этапе путем имитационного моделирования находится Wи (р), обеспечивающая компенсацию нелинейностей силы трения, наличие люфта и возможность пренебрежения членами второй производной при расчете регуляторов тока и скорости в рассматриваемых каналах САУ. Наилучший результат получен при
Wи ( р) = ТТлПрг, .
ТТП р +1
Данная система была смоделирована в среде МайаЬ для станка, оснащенного электроприводами подачи и динамической разгрузки модели ЭПТ-1, выпускаемыми научно-производственным предприятием ИЖПРЕСТ (г. Ижевск).
На рис. 4, 5 представлены осциллограммы Аю и А1 переходных процессов отклонений ю и Ю2 каналов ШУ и динамической разгрузки, а также разность токов в этих системах при осцилляции ШУ с /=2Гц (со=12,56 с-1), из которых следует, что инерционность удается компенсировать на 90%.
Это удовлетворяет требованиям подвижных узлов прецизионных станков. Результаты моделирования были проверены экспериментально и полностью подтвердили полученные в работе выводы. На основании проведенных исследований на предприятии «Стан-Самара» разрабатывается проект системы динамической разгрузки ШУ для станка модели 24К40СФ4.
Р и с. 4. Осциллограммы переходных процессов Аю
дІ,А 60 40 20 0 -20 -40 -60
-80
і
P и с. 5. Осциллограммы переходных процессов DI
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. - М.: Машиностроение, 1990. - 304 с.
Статья поступила в редакцию 9 сентября 2008 г.
UDC б21.31б
SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL OF GIVING SPINDLE KNOT OF THE MULTIOPERATIONAL JIG-BORING MACHINE
S.I. Zakharov1
Samara State Technical University 244, Molodogvardeyskaya str., 443100
The system of automatic control by movement and positioning spindle knot of the precision jig-boring machine tool equipped with system of its dynamic unloading is considered
Key words: multi-operational, dynamic unloading, oscillation, spindle knot, transfer function
1 S.I. Zakharov, Postgraduate student
1б3
