ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ЗАДАТЧИКОМ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ - Виды автоматизированных производств

Рассмотрим основные конструкции ЛЭГП с АЗП, используемые в настоящее время в металлорежущих станках с ЧПУ. На рис. 7 приведен привод трехкоординатного фрезерного станка с ЧПУ 6520ФЗ. Стол / получает перемещение от гидроцилиндра 2. Ход и скорость перемещения стола задаются шаговым двигателем 3, Откуда движение через редуктор 4, Винт 5 и рычажный механизм 9 Передается на дросселирующий распределитель. Последний состоит из ролика 7, закрепленного на подпружиненной планке 5 и ролика 6. Ролики охватывают витки прямоугольной винтовой нарезки винта 6, Образуя безлюфтовое соединение рычага с винтом. Другой конец рычага 9 Соединен с золотником 10. Корпус 11 Распределителя установлен на салазках станка, по которым перемещается стол. Перемещение стола определяется числом импульсов, подаваемых на ШД, а скорость движения -- частотой следования импульсов. Одному импульсу в данном приводе соответствует перемещение 0,01 мм, диапазон рабочей подачи 1--1200 мм/мин, а скорость быстрых перемещений 4800 мм/мин. Микропереключатели 12 Используются для остановки вращения ШД в тех случаях, когда смещение золотника относительно нейтрального положения превышает допустимое значение.

Многолетний опыт эксплуатации станков 6520ФЗ показал высокую надежность и долговечность конструкции ЛЭГП. Недостатком привода является значительная инерционность винта, длина которого соответствует длине рабочего хода стола, что снижает динамические характеристики привода, а также относительно низкая точность, связанная со сложностью конструкции рычажного механизма обратной связи.

Последний недостаток устранен в конструкции ЛЭГП с АЗП фирмы "Хартманн" (ФРГ) (рис. 8). Стол 1 Станка связан с АЗП через винтовую передачу, содержащую винт 3 И гайку 2. При работе привода управляющие импульсы поступают на задающий электродвигатель 5, Который поворачивает винт 3 Через муфту, допускающую осевое смещение. На винте 3 Жестко закреплен диск 4, Взаимодействующий с четырьмя клапанами 7, запорные элементы которых поджаты пружинами 6. При осевом смещении винта 3 Вследствие его ввертывания (вывертывания) в гайку 2 Происходит смещение запорных элементов клапанов таким образом, что проходное сечение одной пары клапанов увеличивается, а другой -- соответственно уменьшается, вызывая перераспределение давления в полостях гидроцилиндра 8 И перемещение штока 9. Шток, перемещаясь, тянет за собой винт 3 С диском 4, Стремясь вернуть клапаны в нейтральное положение. Четыре независимых распределительных элемента предназначены для регулирования нейтрального положения распределителя.

Рис. 7. Привод подачи стола фрезерного станка 6520ФЗ

Однако применение такой конструкции ограничивает варианты компоновки привода, что связано с размещением АЗП на конце ходового винта. Кроме того, возможна поломка несилового винтового механизма при перемещении штока неуравновешенной внешней нагрузкой, что происходит, например, при использовании привода для перемещения вертикально движущихся узлов, которые могут опускаться под действием собственного веса при выключенных гидравлических устройствах.

Рис. 8 Привод подачи стола фирмы "Хартманн" (ФРГ)

Другой вариант конструктивной реализации механизмов сравнения и обратной связи - привод, показанный на рис. 9. Стол станка 1 перемещается гидроцилиндром 2. Корпус цилиндра неподвижен, к нему прикреплен корпус 6 Дросселирующего распределителя. Управляющие импульсы подаются на ШД 3, Который через зубчатую передачу 4 Поворачивает золотник 5 И связанный с ним задающий винт 8. Винт ввертывается в гайку-шестерню 7, которая зафиксирована в осевом направлении относительно корпуса 6 И смещает золотник 5 из нейтрального положения. Стол 1 Перемещается и одновременно перемещает винт 10 Обратной связи. Связанная с винтом гайка-шестерня 9 Также зафиксирована в осевом направлении. Пара винт 10 -- гайка 9 Выполнена несамотормозящей, поэтому перемещение винта вызывает вращение гайки 9, Которое передается гайке-шестерне 7. Соответствующим подключением полостей гидроцилиндра 2 К распределителю и выбором направления резьбы винтов 8 И 10, Обеспечивается отрицательная обратная связь по перемещению стола.

Рис. 9 Привод подачи стола фирмы "Яутзицу" (Япония)

По сравнению с рассмотренным выше этот привод более технологичен и позволяет разместить АЗП в удобном месте. Шаговый двигатель нагружен только малоинерционным винтом сравнивающего устройства, что улучшает динамические характеристики привода. Однако кинематическая структура АЗП затрудняет получение требуемых для металлорежущих станков дискретностей, составляющих 0,005--0,02 мм. Введение же понижающих передач в АЗП приводит к снижению его точности вследствие погрешностей, вносимых дополнительными звеньями.

Другой способ уменьшения инерционной нагрузки на ШД -- применение зубчато-реечных передач в механизмах обратной связи. Такой привод разработан фирмой "Рексрот" (ФРГ) (рис. 10). Задающий ШД 8 Поворачивает по программе винт 7, который взаимодействует с гайкой 5, связанной через реечную шестерню 4 И рейку 3 Со столом / станка. Винт 7 и гайка 5 функционируют как сравнивающее устройство. Разность углов поворота винта (заданное перемещение) и гайки (отработанное перемещение) преобразуется в осевое смещение винта 7 И золотника 6, В результате чего изменяется давление в рабочих полостях гидроцилиндра 2, Поршень цилиндра и связанный с ним стол перемещаются до тех пор, пока золотник не вернется в нейтральное положение.

Рис. 10. Привод подачи стола фирмы "Рексрот" (ФРГ)

Привод прост по конструкции, однако, как и предыдущий, не обеспечивает требуемой дискретности. Кроме того, он имеет увеличенные поперечные размеры.

Рассмотренные недостатки устранены в конструкции ЛЭГП с АЗП фирмы "СИГ" (ФРГ) (рис. 11). При работе привода задающий электродвигатель 2 Через муфту, которая может смещаться в осевом направлении, поворачивает червяк <3, находящийся в зацеплении с червячным колесом 5. На одном валу с червяком расположен четырех кромочный золотник 4. При повороте вала электродвигателя червяк перемещается вдоль оси и смещает золотник, вызывая перераспределение давления в полостях цилиндра и перемещение поршня 7, а также связанного с ним стола/. Обратная связь осуществляется фрикционным роликом 5, поджатым к поверхности штока. Шток, перемещаясь, поворачивает ролик 6 И сидящее с ним на одном валу червячное колесо 5, червяк 3 И золотник 4 Перемещаются при этом к нейтральному положению. Пружина 5 служит для выбора люфта в кинематических передачах.

Рис. 10. Привод подачи стола фирмы "СИГ" (ФРГ)

Привод обеспечивает высокую технологичность изготовления, независимость исполнения задатчика от длины хода рабочего органа, малую инерционную нагрузку на ШД., предохранение от поломок в случае аварий и перегрузок, дискретность 0,002--0,05 мм.

Недостаток его -- низкая точность вследствие возможности проскальзывания фрикционного ролика по штоку.

Рис. 11. Структурная схема ЛЭГП с АЗП

Составление структурной схемы и определение

Областей устойчивости ЛЭГП с АЗП

Структурная схема привода, показана на рис. 11. Схема позволяет наглядно показать взаимосвязь элементов привода с помощью следующих передаточных функций.

Угол поворота ШД преобразуется в смещение золотника:

Смещение золотника из нейтрального положения приводит к увеличению объема масла, поступающего в полость гидроцилиндра и вытесняемого из нее.

Часть этого объема идет на сжатие масла:

Под нагрузкой расход в гидрораспределителе уменьшается:

А возникший перепад давления, воздействуя на площадь поршня F, Создает силу Р, Которая затрачивается на преодоление сил инерции движущихся масс:

Трения в направляющих и уплотнениях штока:

И полезной нагрузки R.

Расход масла, затрачиваемый на перемещение (х) Штока, характеризуется звеном

А жесткая отрицательная обратная связь между штоком исполнительного цилиндра и золотником гидроусилителя -- звеном

После преобразования структурной схемы по правилам, известным из теории автоматического регулирования, получаем передаточную функцию разомкнутой системы

Где К -- коэффициент усиления; Т -- постоянная времени; g -- коэффициент демпфирования, эти коэффициенты связаны с параметрами привода следующим образом:

Передаточная функция замкнутой системы, охваченной обратной связью,

Или, подставив выражение для WP (s) из формулы, окончательно получим

Для анализа устойчивости ЛЭГП с АЗП применяем алгебраический критерий Рауса--Гурвица для знаменателя выражения откуда находим

Подставив в формулу выражения для К, Т и G И пренебрегая величиной КРJ По сравнению с 2F2, получим следующий критерий устойчивости для линейных приводов:

В полученное неравенство входят три слагаемых, зависящих от динамических коэффициентов J, КР и КУ линеаризованных характеристик трения рабочего органа и расхода гидрораспределителя, а также от ряда конструктивных параметров F, L, М, КО. с. привода, причем первые два слагаемых повышают, а третье -- снижает устойчивость.

Таким образом, неравенство определяет область возможных соотношений основных параметров привода, обеспечивающих отсутствие автоколебаний, и будет использовано в дальнейшем при разработке методики расчета ЛЭГП с АЗП

Расчет линейного электрогидравлического привода

Подач с автономным задатчиком перемещений

Исходными данными для расчета являются: масса рабочего органа (М), Длина хода (L), Требования к точности позиционирования (Е), диапазону скоростей (uMln -- VMitx), Тяговой силе (R)T Жесткости (J), скоростной ошибке (ЕСк).

Цель расчета -- выбор модификации АЗП, площади F Поршня гидроцилиндра и подведенного давления РН

Расчет состоит из трех этапов.

1-й этап. По требуемому диапазону скоростей и точности

Позиционирования выбираем одну из модификаций привода (см. табл. 3.1) с дискретностью Д, равной 0,005; 0,01 или 0,02 мм, и коэффициентом обратной связи Ко. с. Равным 0,65 или 1,30.

2-й этап. Задаваясь несколькими значениями давления в напорной линии (например, РН равно 0,2; 4; 6; 8; 10 МПа) определяем требуемую площадь гидроцилиндра по следующим четырем критериям.

А. Требование устойчивости согласно формуле:

Где Кз. у -- коэффициент запаса по устойчивости.

Б. Требование по полезной нагрузке согласно выражению

Где Кз. в -- коэффициент запаса по нагрузке.

В. Требование по жесткости в соответствии с формулой

Г. Требование по скоростной ошибке согласно выражению

Где KF4 -- коэффициент пропорциональности.

Значения KР, K7, PY, KF4 зависят от характеристик гидрораспределителя. Так как во всех модификациях АЗП используется один и тот же гидрораспределитель, то эти параметры являются постоянными величинами (их значения указаны выше). Окончательно для расчета площади F Получаем следующую систему неравенств:

Кроме того, на параметры рН н F накладываются следующие огоаничения:

Где PНmin, pНmax, FMin, FMax -- допустимые значения соответственно давления и площади гидроцилиндра.

По результатам расчета в координатах РН -- F Строим пересечение областей, удовлетворяющих неравенствам.

3-й этап. Проверяем качество переходного процесса спроектированного привода. Если привод окажется излишне задемпфированным (время переходного процесса Т >0,1 с, перерегулирование А = vMax/vP =1), необходимо увеличить давление или уменьшить площадь в пределах их допустимых значений, если же привод окажется излишне колебательным (Т < 0,05 с, А >1,3), необходимо уменьшить давление или увеличить площадь.

Если пересечения областей в соответствии с выражениями (3.35) и (3.36) не существует, необходимо пересмотреть требования к жесткости и скоростной ошибке (уменьшить их) или, если это сделать невозможно, следует принять другую конструкцию АЗП.

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ЗАДАТЧИКОМ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ - Виды автоматизированных производств

Похожие статьи