Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

 

Д.т.н. Усупов С. С.

Казахстанско-Британский технический университет,  Казахстан

Исследование и выбор элементов системы стабилизации зазора в гидростатической направляющей металлорежущих станков

 

В работе [1] представлена схема и принцип работы автоматической системы стабилизации зазора в гидростатической направляющей металлорежущих станков, которая позволяет обеспечивать постоянство зазора не только расходом рабочей жидкости в ней, но и величиной нагрузки посредством изменения режимов резания. Для разработки математической модели всей системы, прежде всего, необходимо выбрать и исследовать основные элементы данной автоматической системы.

Выбор типа измерительного устройства - датчика.

Основным источником погрешностей измерения являются элементы измерительного устройства, осуществляющие кинематическое преобразование, и, следовательно, повышение точности измерения в первую очередь связано с совершенствованием этих элементов [2].

Величина зазора в гидростатической направляющей соизмерима с высотой микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Поэтому, применение контактного способа измерения невозможно, вследствие большой погрешности измерения. Во всех случаях, независимо от типа применяемых дистанционных передач, в соответствии с их ролью в процессе измерения, к ним предъявляются следующие требования:

- безопасность устройств преобразования, непосредственно воспринимающих перемещение;

- возможность точного кинематического преобразования сложных и разнообразных функциональных зависимостей, заложенных в измерительное устройство;

- возможность регулировки параметров кинематического преобразователя, для компенсации неизбежных производственных отклонений от номинала;

- возможность дистанционной передачи величины перемещения;

- высокая стабильность характеристик, нечувствительность их к изменению условий окружающей среды.

Механические передачи, обладая рядом достоинств: простотой конструкции, надежностью, широкими возможностями кинематического преобразования, при этом имеют ряд серьезных недостатков, основными из которых следует считать: ограниченную возможность дистанционной передачи (особенно малых перемещений), относительно большое трение, и люфты в кинематических парах. В результате, возникает значительная инструментальная ошибка при измерении.

Гидравлические и пневматические дистанционные передачи требуют приложения больших измерительных усилий, со стороны чувствительного элемента, сложны и неудобны в эксплуатации [3]. Кроме того, эти передачи косвенного измерения перемещения. При этом часто имеют место нелинейные зависимости между измеряемой величиной и первичным параметром, воздействующим на чувствительный элемент.

Наиболее удобными, с точки зрения обеспечения кинематического преобразования, являются различного рода электрические дистанционные передачи с электрическими преобразователями измеряемого параметра. Из числа известных электрических преобразователей перемещения большими достоинствами обладают емкостные преобразователи, которые, в принципе, удовлетворяют всем перечисленным требованиям [4]. Широкому внедрению емкостных преобразователей в измерительной технике препятствуют два обстоятельства:

- отсутствие инженерных методов расчета и синтеза емкостных преобразователей как в функциональных и линейных кинематических преобразовательных системах, так и в дистанционных передачах;

- конструктивно-технологические недостатки преобразователей, выражающиеся в недостаточной стабильности их характеристик в условиях широкого диапазона изменения внешних условий - температуры, влажности и т. д. [4].

Основными узлами емкостных преобразователей являются статор -неподвижная часть преобразователя, на которую обычно подается ЭДС питания преобразователя и ротор - подвижная часть преобразователя, с которой обычно снимается сигнал; в этом случае, ротор одновременно является токосъемной деталью (токосъемник) [2]. Для гидростатической незамкнутой направляющей выбираем однолучевой преобразователь с переменным зазором. Величина емкости определяется по формуле [2]:

                                                      ,                                         

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 - диэлектрическая постоянная; F1 - активная площадь датчика; δ - расстояние между пластинами.

Для стабилизации характеристик датчика встроенного в мостовую схему, связанных с изменением состояния диэлектрика (рабочей жидкости), рекомендуется установить задающее устройство в непосредственной близости от датчика так, что бы рабочая жидкость в гидростатической направляющей поступала в задающее устройство. Либо в систему должна быть введена холодильная установка с целью термостабилизации рабочей жидкости. Поскольку, рабочая жидкость является агрессивной средой, то пластины должны быть покрыты, полностью, изолирующим материалом фторопластом.

Таким образом:

                                               ,                      

где   δ1 - суммарная толщина изоляционного материала; δ2- толщина масляного слоя; ε1, ε2 - относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала и рабочей жидкости, соответственно.

При отключенном питании карманов гидростатической направляющей не должен происходить пробой изоляции. Допустимое напряжение на пластинах не должно превышать величины рассчитанной по формуле [2]:

,                                                

где Uпр - пробивное напряжение изоляционного материала; К3 - коэффициент запаса.

Чувствительность датчика встроенного в мостовую схему определяется по формуле:

,                             

где   f - частота питающего генератора; Р - мощность потребляемая мостом.

Передаточная функция будет иметь вид:

                                             .                                        

Привод подач. Станок оснащен гидравлическим дискретным приводом подач с амплитудной модуляцией. В роли модулятора выступает золотниковый дроссель с электромагнитным управлением. Форма импульсов, генерируемая им, прямоугольная. Модулятор осуществляет широтно-импульсную модуляцию 2-го рода (т.е. амплитуда импульса во время его существования соответствует величине сигнала).

Передаточная функция дросселирующей щели имеет вид [5]:

,                                    

где К5 - амплитуда импульса; а – длительность импульса; р – корень характеристического уравнения; Р – параметр Лапласа

,                                                  

где   γ - скважность импульса; Q2cp - заданный расход рабочей жидкости.

Величина открытия щели при дискретном приводе подач рассчитывается по формуле:

                                                ,                              

Длительность импульса в этом случае определяется по формуле [6]:

                                                         ,                                              

где  f - частота периодических колебаний золотника.

Известные средства форсирования и современные методы проектирования оптимальных по быстродействию, от которых не требуется линейных характеристик, позволяют добиться переключения золотниковых распределителей с электромагнитным управлением на частотах 500 Гц с общим ходом перемещения 1 мм и более (время переключения в одну сторону менее 1 мс). При столь высоком быстродействии запаздывание, вносимое электрогидравлическим дискретным усилителем в процессе преобразования энергии из электрической в гидравлическую, практически равно нулю.

Быстродействующий электрогидравлический дискретный усилитель, нельзя не подчеркнуть, что это устройство работает в режиме насыщения по расходу. Это означает, что:

- двигатель развивает максимальное ускорение, во всем диапазоне значений управляющего сигнала начиная с наименьшего;

 - система работает с проходными рабочими щелями значительной площади;

- невозможна облитерация;

- допустимо повышение допусков на изготовление элементов гидроусилителя;

- не предъявляются столь жесткие требования к фильтрации рабочей жидкости.

Еще одним достоинством электрогидравлических дискретных усилителей является то, что электромагнитный привод такого усилителя легко может быть выполнен достаточно мощным, чтобы обойтись однокаскадной конструкцией. В силу значительного запаса по тяговому усилию в гидроусилителе теряют свое значение осевые гидродинамические силы, силы радиального зажима. Это повышает надежность системы.

Изменение величины амплитуды генерируемого импульса осуществляется с помощью электромагнита регулирующего величину открытия дросселирующей щели.

Электромагнит имеет передаточную функцию вида [7]:

                        ,           

где   - коэффициент передачи электромагнита;

К01 - коэффициент пропорциональности; IК1 - сила тока в катушке; R01 - активное сопротивление катушки;

  - электрическая постоянная времени электромагнита;

L01 - индуктивность обмотки катушки;

- механическая постоянная времени;

m1 - масса подвижных частей электромагнита;

 - постоянная демпфирования;

КД1 - коэффициент демпфирования; CП1 - жесткость пружины.

Следует отметить, что данная передаточная функция составлена только для электромагнита регулирующего величину открытия щели. Действие электромагнита осуществляющего гармоническое колебание поршня, не учитывается т.к. считаем, что величина сил трения и сил радиального зажима настолько мала, что ей можно пренебречь.

Исполнительный орган

Исполнительным органом подач, является силовой цилиндр плунжерного типа. Передаточная функция имеет вид:

                    ,                         

где  - коэффициент пропорциональности;

Fпл – площадь сечения плунжера;

 - постоянная времени;

М – масса плунжера и присоединенных к нему частей;

КЖ – коэффициент сжимаемости рабочей жидкости, зависящей от модуля упругости, рассчитываемого по формуле:

                                                    ,                                          

где   lх – рабочий ход силового цилиндра;

модуль упругости рассчитывается по формуле:

                                                ,                                                

где А, В – эмпирические константы рабочей жидкости при t=200C;

РН2 – давление развиваемое силовым цилиндром;

                                                    .                                           

где Т6 – постоянная времени, характеризует способность демпфировать колебания при переходном процессе;

QТ – средний расход; υ – коэффициент вязкого трения жидкости.

Регулятор расхода для гидростатической направляющей

Регулятором расхода является золотниковый дроссель типа МПГ55 по ГОСТ 21352-75, представляющий  собой комбинацию дросселя с регулятором, поддерживающим постоянный перепад давлений на  дросселирующей щели [8].

Дросселирующая щель имеет передаточную функцию:

                                              ,                               

где   - коэффициент пропорциональности;

b2 =πd;  μ2 – коэффициент расхода; γ – удельный вес жидкости.

Передаточная функция электромагнита [9]:

,              

где    коэффициент передачи;

  - электрическая постоянная времени электромагнита;

L02 - индуктивность обмотки катушки;

 - механическая постоянная времени;

m2 - масса подвижных частей электромагнита;

  - постоянная демпфирования;

КД2 - коэффициент демпфирования; CП2 - жесткость пружины.

Усилитель

В качестве усилителя для каждой ветви выбираем транзисторный усилитель (рисунок 1), который может обеспечивать усиление сигнала в широком диапазоне, и обладает линейностью характеристик:

,                 ,

где  К9, К10 - коэффициенты усиления по напряжению, определяемые по формуле:                  ,                                   

где   RH - сопротивление нагрузки;

RГ - сопротивление генератора;

 - входное сопротивление усилителя;

β - тангенс угла наклона характеристики тиристора;

RЭ, Rб - сопротивление эмиттера и базы.

Рисунок 1 - Схема транзисторного усилителя

 

Таким образом, все основные элементы выбраны и составлены их математические модели, что в дальнейшем представляется возможным приступить к разработке математической модели всей автоматической системы управления.

Литература:

1. Усупов С.С. Система автоматического управления величиной зазора в гидростатических направляющих металлорежущих станков. //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2008, №3. – С. 49-52.

2. Ацюковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения. – Л.: Энергия, 1986. – 278 с.

3. Объемные гидравлические приводы. /Под ред. Т. Башта – М.: Машиностроение, 1978. – 810 с.

4. Конюхов Н.Е. и др. Электромагнитные датчики механических величин. – М.: Машиностроение, 1987. – 25 с.

5. Хаймович Е.М. Гидроприводы и гидроавтоматики станков. – М.: Машгиз, 1999. – 277 с.

6. Гийон М. Исследование и расчет гидравлических систем. – М.: Машиностроение, 1994. – 173 с.

7. Хохлов В.А. и др. Электрогидравлические следящие системы. – М.: Машиностроение, 1981. – 432 с.

8.    Лещенко В.А. Гидравлические следящие приводы для автоматизации станков. –  М.: Машгиз, 1984. – 237 с.

9. Гомельский Ю.С. Электрические элементы электрогидравлических устройств автоматики. – М.: Энергия, 1978. – 114 с.