Виды гидрокопировальных приводов
Типовая структура следящего гидропривода (ГП) включает в себя:
- гидравлический усилитель или распределитель, обеспечивающий управление потоками рабочей жидкости;
- гидродвигатель, преобразующий энергию жидкости в механическое движение;
- обратную связь, формируемую по регулируемому параметру;
- систему гидропитания, создающую требуемое давление и расход рабочей среды.
Ключевая особенность следящих гидроприводов заключается в наличии отрицательной обратной связи. Она замыкается по одному из регулируемых параметров — положению управляемого звена, его скорости или ускорению. Благодаря этому обеспечивается автоматическое устранение рассогласования и поддержание требуемого режима работы.
Рис. ZSK.27.1. Схема работы гидрокопировального суппорта с однокоординатным приводом
Работа однокоординатного следящего привода
В качестве примера однокоординатного следящего привода можно рассмотреть токарный гидрокопировальный станок (см. рис. ZSK.27.1, а). В этой конструкции продольные салазки 5 перемещаются вдоль направляющих станины 4 под действием электропривода или гидравлического следящего механизма. На салазках смонтирован поперечный копировальный суппорт 6, который перемещается по направляющим, расположенным под углом p к оси вращения шпинделя 9. На практике угол наклона p обычно составляет 45° или 60°.
На суппорте закреплён резцедержатель 7 с рабочим инструментом — резцом 8. Шаблон 1 жёстко фиксируется на станине. Поперечные перемещения суппорта 6 выполняются при помощи гидравлического следящего привода, конструктивно аналогичного ранее рассмотренному (см. рис. 6.2).
Регулирование работы распределительного золотника (РДР) осуществляется через щуп 2, который поджат подпружиненным элементом 3. Пружина щупа обладает большей жёсткостью, чем возвратная пружина золотника, что обеспечивает устойчивый контакт щупа с шаблоном и поддерживает высокую точность следящей работы.
В процессе обработки продольные салазки 5 движутся влево с постоянной скоростью, задавая основное (ведущее) перемещение. Наконечник щупа 2 плотно прижимается к контуру шаблона 1, скользя по его поверхности. Так как ось вращения щупа закреплена на копировальном суппорте, при изменении профиля шаблона щуп совершает поворот вокруг своей оси. Это отклонение передаётся на золотник РДР, который регулирует подачу рабочей жидкости в силовой цилиндр, что обеспечивает следящее движение суппорта 6 и точное воспроизведение контура шаблона.
Комбинация продольного и поперечного перемещений позволяет резцу 8 повторять траекторию наконечника щупа 2. В результате на заготовке формируются поверхности 10…14, которые в продольном сечении полностью повторяют форму шаблона.
На цилиндрических участках 10, 12 и 14 щуп не отклоняется поперечно, поэтому резец остаётся неподвижным по этой координате. При этом подача инструмента V вдоль обрабатываемой поверхности (по касательной к профилю) равна величине ведущей подачи Vy.
При переходе на наклонный участок 11 щуп 2 смещается, вызывая движение копировального суппорта 6 по наклонным направляющим с поперечной скоростью Vy2. Суммирование продольного перемещения Vy и поперечного Vy2 по правилу параллелограмма скоростей (см. рис. ZSK.27.1, б) формирует результирующую скорость V2, направленную под углом a к оси вращения заготовки.
Зная величину задающей подачи Vy, а также направления скоростей Vy и Vy2, можно вычислить как скорость перемещения суппорта в поперечной координате Vy2, так и результирующую подачу вдоль обрабатываемой поверхности.
На участке 13 (при обработке торца) результирующая скорость V14 должна быть перпендикулярна к оси вращения заготовки. Для этого следящий привод обеспечивает вертикальное перемещение копировального суппорта со скоростью Vy. В общем случае результирующая подача для данного типа привода выражается зависимостью:
где a — угол направления результирующей подачи к оси вращения заготовки, p — угол установки направляющих копировального суппорта.
При обработке прямого торца (a=90°) формула принимает вид:
Из этого соотношения следует, что в станках с постоянной задающей подачей невозможно разместить копировальный суппорт строго перпендикулярно оси заготовки (p=90°), поскольку в таком случае sin p=0 и результирующая подача становится бесконечной.
По этой причине суппорт располагают под наклоном. Однако подобное решение накладывает ограничения на обработку поверхностей со спадом профиля. Для их устранения в практике наряду с простыми схемами с постоянной задающей подачей применяются более совершенные системы — с зависимой подачей. В таких приводах величина задающей подачи автоматически уменьшается при росте следящей подачи и наоборот, что позволяет поддерживать результирующую подачу на постоянном уровне независимо от формы обрабатываемого профиля.
Рис. ZSK.27.2. Схема однокоординатного следящего гидропривода копировально-фрезерного станка
Рассмотрим принцип работы однокоординатного следящего гидропривода в копировально-На фрезерном станке (см. рис. ZSK.27.2) следящее движение выполняется шпиндельной бабкой 5, к которой крепится фреза 4. Заготовка 3 и шаблон 7 закрепляются на столе 2. Сам стол движется продольно по направляющим салазок 1 с постоянной скоростью задающей подачи.
Вертикальные колебания щупа 6 передаются на шпиндельную бабку, благодаря чему фреза точно повторяет профиль шаблона в текущем продольном сечении заготовки. После окончания прохода стол смещается поперечно по направляющим основания 8 на малую величину. Затем выполняется обратный продольный ход, формируя новый срез, полностью повторяющий контур шаблона. Таким образом, объёмная форма заготовки создаётся как последовательность отдельных плоских сечений, обработка которых выполняется один за другим.
В станках фрезерной группы также применяются двухкоординатные следящие гидроприводы, позволяющие одновременно перемещать рабочий орган по двум координатам в режиме слежения. Управление в таких системах осуществляется с помощью одного щупа, обеспечивая согласованность движения инструмента с профилем шаблона.
Однако при возрастании скорости слежения проявляется заметный недостаток — увеличивается скоростная погрешность. Это связано с тем, что для преодоления сил сопротивления, действующих на рабочий орган, необходимо создавать перепад давлений в рабочих полостях гидродвигателя. Для этого золотник должен дополнительно смещаться относительно корпуса, что вызывает дополнительное отклонение.
В условиях копировальной обработки такие ошибки приводят к тому, что фактический профиль обработанной детали отклоняется от контура шаблона. Иными словами, появляется погрешность копирования, величина которой зависит от динамических свойств следящей системы.
Для обеспечения более высокой точности копировальной обработки необходимо увеличивать чувствительность следящего гидропривода. Под чувствительностью понимают изменение скорости V, приходящееся на единицу погрешности Δ.
Величина чувствительности может быть охарактеризована двумя коэффициентами усиления:
- коэффициент усиления по скорости Kv, который показывает изменение скорости рабочего органа при изменении ошибки на единицу:
- коэффициент усиления по нагрузке Kf, отражающий изменение усилия, действующего на рабочий орган, при единичной погрешности:
Однако чрезмерное увеличение чувствительности гидропривода имеет и отрицательную сторону. При слишком больших значениях коэффициентов усиления входное звено вместе с рабочим органом перестаёт останавливаться в положении равновесия и начинает совершать колебательные движения вокруг него.
Эти колебания могут быть не только затухающими, но и постепенно усиливающимися, что приводит Нестабильность работы гидропривода может привести к самовозбуждающимся колебаниям, при которых устройство теряет устойчивость, а точность обработки резко падает из-за вибраций.
Следящие гидроприводы (ГП) различают по типу исполнительного механизма и конструкции распределительного узла. Среди распространённых схем выделяют:
- Однокоординатный привод с недифференциальным цилиндром и четырёхкромочным золотником.
- Однокоординатный привод с дифференциальным цилиндром и однокромочным золотником (см. рис. ZSK.27.3, а).
В данной конструкции поршень 5 исполнительного цилиндра обладает полостью В, площадь которой вдвое превышает площадь полости А. Цилиндр жёстко закреплён на движущемся элементе станка, обеспечивая основное перемещение, тогда как шток поршня соединён с копировальным суппортом 6. В теле поршня выполнен канал а, соединяющий рабочие полости А и В.
Корпус золотника 2 связан с копировальным суппортом, а плунжер 3 — с щупом. Пока щуп не касается копира 1, плунжер остаётся в крайнем нижнем положении, перекрывая слив рабочей жидкости. В этот момент насос подаёт масло в штоковую полость А. Благодаря сообщению полостей через канал а давление в них выравнивается, однако из-за разницы площадей поршня сверху и снизу формируется результирующая сила, направленная вниз, что перемещает суппорт к заготовке.
Когда щуп прикасается к копиру, его движение прекращается, но суппорт продолжает смещаться по инерции. В этот момент открывается слив жидкости из полости В, давление в которой снижается (канал а имеет малое сечение). Если подобрать проходное сечение золотника так, чтобы давление в В уменьшилось до половины давления в А, силы на поршень уравновешиваются, и суппорт останавливается — это соответствует процессу продольного точения цилиндрической поверхности.
При дальнейшем воздействии копира на щуп плунжер смещается сильнее, увеличивая проходное сечение, что снижает давление в В и формирует следящую подачу суппорта относительно заготовки.
В варианте, где золотник встроен непосредственно в шток исполнительного цилиндра 3 (см. рис. ZSK.27.3, б), плунжер 2, находясь в крайнем левом положении под действием пружины, перекрывает соединение полостей А и В через каналы 4 и 5, пока щуп 7 не контактирует с копиром. В это время насос подаёт жидкость в полость А, и поршень 6 смещается вправо, приближая щуп к копиру.
При соприкосновении щупа с копиром плунжер смещается вправо, открывая канал и соединяя полости А и В. Давление в В растёт, и как только создаваемая им сила уравновесит давление в А, поршень останавливается. При дальнейшем воздействии копира плунжер перемещается ещё сильнее, давление в В увеличивается, что создаёт силу, превышающую давление в А. В результате поршень меняет направление движения и смещается влево.
Рис. ZSK.27.3. Виды гидрокопировальных приводов
Система с дифференциальным цилиндром и двухкромочным золотником
Однокоординатная система, оснащённая дифференциальным цилиндром и двухкромочным золотником (см. рис. ZSK.27.3, г) отличается тем, что поршень 5 не имеет сквозного отверстия, вследствие чего полости А и В цилиндра 4 остаются изолированными друг от друга. Масло от насоса подаётся сначала к золотнику 2, а затем распределяется между рабочими камерами цилиндра. Пока щуп золотника не контактирует с копиром 1, плунжер 3 фиксируется в нижнем положении, открывая канал подачи жидкости в полость В. Жидкость одновременно поступает в обе полости цилиндра, а за счёт различий площадей поршня сверху и снизу возникает результирующая сила, которая приводит в движение суппорт в направлении заготовки.
При контакте щупа с копиром плунжер смещается вверх, что может перекрыть подачу масла в полость В. В этот момент следящая подача прекращается, и суппорт останавливается. Если плунжер продолжает движение, полость В соединяется со сливной магистралью, давление в ней падает, и суппорт отходит от изделия.
Система с односторонним цилиндром и однокромочным золотником
Система с односторонним исполнительным цилиндром и однокромочным золотником (см. рис. ZSK.27.3, в) имеет в своем составе цилиндр одностороннего действия: рабочее перемещение выполняется только по вертикали вверх, а возвратный ход происходит под действием собственного веса стола. Поток масла от насоса распределяется между цилиндром и золотником.
До момента контакта щупа с копиром плунжер золотника находится в крайнем верхнем положении, перекрывая слив в бак. Стол перемещается вверх, выполняя рабочую подачу. Когда щуп касается копира, плунжер опускается, открывая сливное отверстие. По мере увеличения проходного сечения растёт поток в бак, и когда весь объём масла идёт в слив, давление в цилиндре падает, а стол фиксируется на достигнутой высоте. При дальнейшем увеличении проходного сечения давление снижается настолько, что стол под действием силы тяжести начинает опускаться.
Системы с зависимой скоростью ведущего движения
В этих системах рабочая подача формируется как геометрическая сумма скоростей ведущего и следящего перемещений. Для поддержания стабильной подачи при обработке профилей с различными углами наклона копира (в том числе до 180°) применяют зависимую ведущую подачу. Принцип работы заключается в том, что скорость основного движения изменяется обратно пропорционально скорости следящей подачи: при увеличении скорости следящей подачи ведущая уменьшается, а при снижении — возрастает. Это позволяет удерживать результирующую скорость постоянной и повышает точность копирования профиля.
Рис. ZSK.27.4. Копировальное устройство
Копировальные механизмы данного типа (см. рис. ZSK.27.4) включают два поршневых гидродвигателя: один из них, двигатель 6 с наклонной шайбой, выполняет функцию ведущего перемещения, а второй, двигатель 5, обеспечивает следящую подачу. Рабочая жидкость от насоса разделяется на две части: одна направляется к ведущему двигателю 6, а другая — к распределительному золотнику 3, а затем через дроссельное (демпфирующее) отверстие 2 поступает к следящему золотнику 1.
В начальном положении, когда плунжер 4 распределительного золотника 3 расположен в среднем положении, доступ масла к следящему двигателю перекрыт. В этом режиме функционирует только ведущий гидродвигатель, и его движение осуществляется с максимальной скоростью.
При смещении плунжера 4 от среднего положения влево или вправо открывается проход масла к следящему гидродвигателю. Скорость его работы увеличивается пропорционально величине смещения плунжера. Одновременно наблюдается снижение скорости ведущего двигателя, так как через золотник постепенно уменьшается сечение для слива масла в бак.
Когда плунжер 4 достигает крайнего положения, слив от ведущего двигателя полностью закрывается, и вся подача осуществляется исключительно за счёт следящего гидродвигателя. Таким образом, регулировка соотношения скоростей двух двигателей достигается перемещением плунжера распределительного золотника. Смещение плунжера, в свою очередь, определяется давлением масла, воздействующим на его торцевую поверхность, величина которого формируется в зависимости от положения плунжера следящего золотника 1, связанного с щупом копировального устройства.
Рис. ZSK.27.5. Копировальное устройство с зависимой подачей
Сиситема с зависимой подачей
В гидрокопировальной системе с зависимой подачей (см. рис. ZSK.27.5) рабочая жидкость от насоса одновременно подводится к следящему золотнику 4 и через реверсивный золотник 2 — к гидродвигателю 6, обеспечивающему ведущее перемещение.
В исходном положении, когда щуп 7 ещё не соприкасается с копиром, плунжер следящего золотника под действием возвратной пружины (условно не показанной) находится в нижней точке. В этот момент поток из трубопровода 3 направляется в полость А двигателя следящей подачи, заставляя копир 8 перемещаться до контакта со щупом. Полость В при этом соединена с баком через шариковый клапан 5. Ведущее движение пока не включено, так как плунжер распределительного золотника перекрывает слив масла от двигателя 6 через золотник 2, редукционный клапан 1, дроссель 12 и трубопровод 9.
Когда копир воздействует на щуп 7, последний смещает плунжер следящего золотника вверх. Это открывает канал, соединяющий трубопровод 11 с трубопроводом 9, и одновременно активирует ведущее перемещение, при этом следящая подача продолжает работать. По мере увеличения смещения плунжера проходное сечение слива масла возрастает, ускоряя ведущее движение. Одновременно уменьшается поток в полость А, что замедляет следящее движение. Если плунжер занимает среднее (нейтральное) положение, доступ масла в полость А полностью закрыт, и следящая подача прекращается, оставляя активным только ведущий гидродвигатель.
При обработке участков с наклоном щуп следящего золотника отклоняется сильнее, вызывая смещение плунжера распределительного золотника так, что масло перенаправляется в полость В двигателя 6. Это приводит к обратному следящему перемещению — от изделия. В такой конфигурации рост скорости следящей подачи автоматически уменьшает скорость ведущей подачи, демонстрируя принцип их взаимной зависимости.
Рис. ZSK.27.6. Копировальное устройство с вибрирующим золотником
Система с вибрирующим золотником
Когда к точности и чувствительности работы следящих гидроприводов предъявляются особо жёсткие требования, применяют золотники с вибрацией. Использование вибрирующего режима позволяет повысить чувствительность копирования и уменьшить зону нечувствительности системы.
Вибраторы могут быть трёх типов:
- механические — колебания создаются за счёт вращающегося эксцентрика или кулачка;
- электрические — в них используется колебательная система с двумя электромагнитами, которые поочерёдно притягивают упругую пластину;
- магнитные — принцип основан на прохождении электрического тока через электромагнит, вызывающего возвратно-поступательные движения якоря.
На рисунке ZSK.27.6 показана схема копировального устройства с вибрирующим золотником. Щуп 9 способен совершать смещения как вдоль оси, так и под углом. Через шаровую головку и рычаг 2 эти перемещения передаются на плунжер 1 следящего золотника.
В исходной позиции, когда щуп ещё не соприкасается с копиром, плунжер удерживается возвратной пружиной 10 в верхнем положении (по схеме). В этом состоянии канал для рабочей жидкости закрыт, а инструмент выполняет рабочую подачу на заготовку.
При контакте щупа с копиром плунжер 1 начинает опускаться. По мере его перемещения вниз постепенно открывается канал а, позволяя рабочей жидкости из цилиндра проходить через каналы а и b в бак. Это приводит к уменьшению скорости следящей подачи. Когда плунжер достигает среднего положения, движение инструмента полностью прекращается. Дальнейшее смещение плунжера вниз меняет направление подачи на обратное: инструмент начинает отводиться от обрабатываемой поверхности.
Вибрация золотника создаётся системой рычагов. Ось 2а рычага 2 жёстко закреплена в рычаге 5, правый конец которого снабжён роликом 6, постоянно прижимающимся к профилю кулачка 7. Последний получает вращение от электродвигателя 8 через две зубчатые передачи. После включения двигателя рычаг 5 совершает колебания вокруг оси 4, что вызывает периодическое перемещение плунжера 1 вверх-вниз. Частота этих колебаний достигает 30 раз в секунду при амплитуде до 1,2 мм.
Система также снабжена элементом безопасности: при значительном осевом смещении щупа замыкается контакт микропереключателя 3, и работа станка автоматически останавливается, предотвращая повреждение копира или инструмента.
Рис. ZSK.27.7. Двухкоординатная копировальная система
Двухкоординатные следящие приводы
Двухкоординатные гидрокопировальные приводы отличаются более сложной конструкцией по сравнению с однокоординатными системами и применяются преимущественно для обработки профилей с углами более 180°.
На схеме (рис. ZSK.27.7, а) изображена система с двумя насосами:
- насос высокого давления 19, обеспечивающий рабочее питание масла для двигателей продольной (15) и поперечной (13) подач;
- насос низкого давления 20, предназначенный исключительно для управления положением распределительных золотников.
Масло от насоса низкого давления подводится через демпферные отверстия к двум парам следящих золотников (7 и 2). Положение их плунжеров определяется смещением щупа 4 под действием копира 3 (рис. ZSK.27.7, б). Изменение позиции плунжеров регулирует проход рабочей жидкости на слив, что приводит к перераспределению давления в полостях 5, 16 и 8, 12.
Это давление воздействует на плунжеры распределительных золотников 11 и 17, находящихся в состоянии равновесия между силой давления жидкости и упругостью плоских пружин 6 и 9. Регулировка силы пружин осуществляется перемещением колодок 7 и 10, что позволяет менять жёсткость и, соответственно, чувствительность системы.
Прижим щупа 4 к поверхности копира 3 обеспечивается дополнительными плунжерами 21 (рис. ZSK.27.7, а и б). Величина следящей подачи определяется жёсткостью пружин 6 и 9, а направление подачи задаётся последовательностью соединения плунжеров 21 с соответствующими золотниками 1 и 2.
Для поддержания постоянного перепада давления в сливных каналах золотников предусмотрены клапаны 14 и 18, что гарантирует стабильную работу системы вне зависимости от изменения нагрузки или скорости перемещения заготовки.