Расточная головка с автоматическим управлением размером обработки

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК 23 Ч 49/00 1)5 ОП ДНИ РЕТЕНИ А ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Грузинский политехнический институт(56) Лихциер Г.М., Маслов А.Р. Применениеспециальной инструментальной оснасткидля повышения эффективности ГПМ. Обзорная информация, ВНИИТЭМР, Сер. 8.Автоматизированные производства и гибкие производственные системы, - М., 1987,вып. 1, с. 9-12.(54) РАСТОЧНАЯ ГОЛОВКА С АВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ РАЗМЕРОМ ОБРАБОТКИ(57) Изобретение относится к машиностроению и может быть применено для расширеИзобретение относится к машиностроению и может быть применено для расширения технологических возможностейсверлильно-фрезерно-расточных гибкихпроизводственных модулей,Целью изобретения является повышение производительности точности обработки. упрощение конструкции головки эа счетликвидации длинных кинематических цепей, люфтов и вибраций,На фиг. 1 изображена кинематическаясхема расточной головки и блок-схема управления; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг, 3 -вид Б на фиг. 2; на фиг. 4 - структурнаясхема системы управления: на фиг.5 структурная схема блока форми ровайиясигналов с датчика вращения шпинделя, на ния технологических возможног гей сверлильно-фрезерно-расточных гибких производственных модулей, Цель изобретения - повышение точности обработки и производи 1 ельности, упрощение конструкции головки за счет ликвидации длинных кинематических цепей, люфтов и вибраций, Расточная головка снабжена приспособлением для автоматического регулирования положения инструмента. приспособление состоит из корпуса, устанавливаемого в шпиндель, внутри которого установлен с возможностью вращения от регулируемого привода диск с архимедовой спиралью, взаимодействующей с пальцем установленным в кольце и перемещающимся в нем по пазу совместно с оправкой и резцом. Применение системы управления с синхронизацией чисел оборотов шпинделя и регулируемого привода дозволяет управлять перемещением инструмента, 14 ил. фиг, 6 - структурные схемы блока преобразования напряжения в частоту и блока формирования сигналов управления от ЧПУ; нг фиг, 7 - структурные схемы блока сброса сигналов с формирователей и блока имитации датчика обратной связи; на фиг, 8 принципиальная схема пропорционально- интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора; на фиг. 9 - эпюры выходных сигналов датчика и блока формирования сигналов с датчика вращения шпинделя по часовой стрелке: на фиг. 10 - то же, при вращении против часовой стрелки; на фиг, 11 - эпюры выходных сигналов блока синхронизации; на фиг 12 - характеристика преобразования напряжение - частота при подаче импульсов с частотой, прямо про 1657281МйиадУаюжжоОДАР/йу 175 10 15 20 25 30 35 40 50 55 порциональной положительному аналоговому напряжению); на фиг. 13 - то же, при подаче импульсов с частотой, прямо пропорциональной отрицательному аналоговому напряжению; на фиг, 14 - эпюры входных и выходных сигналов блока имитации датчика обратной связи.В шпиндель станка 1 вставляется оправка 2, на цилиндрической части которой свободно сидит корпус 3 приспособления,на входе которого установлена шайба 4. Наоправке 2 закреплен диск 5 с кольцевой .фрикционной накладкой 6. Под диском 5установлена шайба 7. В корпусе расположена беззазорная цилиндрическая зубчатая передача, состоящая из шестерен 8 и 9. На валу шестерни 8 расположена полумуфта 10. Полумуфта 11 соединена с приводом 12, установленным на шпиндельной бабке 13. Шестерня 8 свободно сидит на цилиндрической части оправки 2. Диск 14, на котором нарезана архимедова спираль, закреплен на шестерне 9, В пазу архимедовой спирали расположена верхняя часть пальца 15, На оправке 2 закреплено кольцо 16 с радиальным пазом, в котором может перемещаться палец 15. Нижняя часть пальца со скользящей посадкой находится в отверстии, просверленном в основании 17 оправки 18, Палец 15 прижат к диску 14 тарельчатыми пружинами 19, усилие прижима регулируется винтом-гайкой 20,Для перемещения резца 21 в радиальном направлении основание 17 перемещается в трапецеидальных направляющих,которые образуются планками 22, Планки при помощи винтов и штифтов закреплены на кольце 16. На шпинделе 1 и валу двигателя установлены датчики 23 и 24 вращения. На корпусе 3 выполнен ловитель 25, а на шпиндельной бабке расположен палец 26. В отверстии ловителя 25 и корпусе 3 перемещается толкатель 27, соединенный с плоской пружиной 28, которая одним концом закреплена в корпусе 3, а на другом конце имевт фрикционную накладку 29, расположенную над фрикционным кольцом 6,Датчики 23 и 24 электрически связаны с системой 30 управления, вход которой связан с выходом управления координатой ЧПУ 31.Система управления содержит блок 32 формирования сигналов с датчика 23 вращения шпинделя 1, блок 33 формирования сигналов с датчика 24 вращения привода 12,блок 34 синхронизации; блок 35 преобразования напряжения в частоту, блок 36 формирования сигналов управления от ЧПУ, блок 37 сбора сигналов с формирователей, реверсивный счетчик 38, цифро-аналоговый преобразователь ЦАП) 39, блок 40 регулятора, блок 41 имитации датчика обратной связи.В состав блока 32 входят синхронизированный однотактный О-триггер 42, одновибраторы 43 и 44, элемент НЕ 45, элементы И46 и 47,Блок 35 преобразования состоит иэдвух блоков 48 и 49 преобразованиянапряжение - частота. Блок 36 формирования сигналов от ЧПУ состоит из однотактных синхронизируемых О-триггеров 50 и 51,одновибраторов 52 и 53, ВЗ-триггера 54,элементов И 55-58 и элементов ИЛИ 59 и 60.Блок 41 имитации состоит из реверсивного 2-разрядного двоичного счетчика 61 иэлемента 62 логической равнозначности,Блок 37 сбора состоит из двух элементов ИЛИ 63 и 64,Принципиальная схема блока ПИД-регулятора отличается наличием ключа 65 тока,Расточная головка работает следующимобразом,При установке в шпиндель 1 оправки 2корпус 3 фиксируется относительно шпиндельной бабки ловителем 25 и пальцем 26,который одновременно нажимает на толкатель 27 и отжимает пружину 28 с фрикционной накладкой 29 от диска 5. разрешаяпроворот оправки 2 относительно копуса 3.Одновременно полумуфты 10 и 11 стыкуютпривод 12 с кинематической цепью радиального перемещения резцедержателя. Наличие тормозного механизма, состоящего издиска 5, накладки 6, пальца 26 и накладки29, гарантирует отсутствие радиального перемещения резца при транспортировке головки, хранении ее в инструментальноммагазине ГПМ,В процессе обработки цилиндрическогоотверстия вместе с оправкой 2 весь механизм вращается вокруг оси обрабатываемого отверстия, корпус 3 не вращается.Шестерня 9 вращается от привода 12 шестерни 8. движение которой передается отпривода 12. При этом система 30 управления, не получая сигнала перемещения резцаот ЧПУ 31, управляет скоростью вращенияпривода 12 так, чтобы диск 14 не проворачивался по отношению к кольцу 16 (т.е, согласует скорости вращения вала привода 12и шпинделя 1).Для изменения диаметра обработкиЧПУ 31 выдает соответствующий управляющий сигнал, на основании которого система30 замедляет или ускоряет привод 12 в зависимости от требуемого направления перемещения, При этом происходит проворотшестерни 9 и диска 14 относительно кольца16 и пальца 15, который перемещает.; е радиальном направлении и вызывает перемещение основания 17 и резца 21,Для описания функционирования системы 30 управления рассмотрим функционирование отдельных блоков.Блок 32 предназначен для синхронизации (упорядочения ео времени) фронтов сигналов, поступающих с датчиков 23, и создания по ним импульсов на двух выходах блока 32, Появление каждого импульса на первом выходе блока 32 соответствует повороту вала датчика 23 на элементарный угол, определяемый дискретностью датчика, по часовой стрелке, Появление каждого импульса на втором выходе блока 32 соответствует провороту вала датчика 23 на тот же угол против часовой стрелки. Одновременное появление импульсов на двух выходах блока 32 невозможно. С датчика 23 е блок 32 поступают сигналы. эпюры которых показаны на фиг. 9 и 10, соответствующие вращению вала датчика по и против часовой стрелки. Сигнал на втором выходе датчика 23 опережает сигнал на первом выходе датчика на 1/4 периода при вращении вала датчика 23 по часовой стрелке и запаздывает на 1/4 периода при вращении против часовой стрелки,Сигналы с первого выхода датчика 23 поступают на О-вход триггера 42, на С-еход которого поступают синхроимпульсы с постоянной частотой с первого выхода блока 34. В результате перепады сигналов 0- 1 и 1- 0 на выходе триггера 42 появляются после соответствующих перепадов сигналов с первого выхода датчика 23 одновременно с перепадом 0- 1 синхросигнала с блока 34. Одновибратор 43 генерирует узкий единичный импульс при каждом перепаде 0-1,на выходе триггера 42, а одновибратор 44 - при каждом перепаде 1 фО на выходе триггера 42. В результате, на выходе элемента 46 возникает единичный импульс. выработанный одновибратором 44, если е этот момент сигнал с второго выхода датчика 23 имеет логический уровень "1" (фиг. 9), Частота синхроимпульсов, поступающих с блока 34, гораздо больше максимальной частоты сигналов с датчика 23, что исключает возможность запаздывания сигнала на выходе триггера 42,С 1 руктура и функционировэние блока 33 формирования сигналов с дат ика 24 дополнительного двигателя аналогична блоку 32 с тем отличием. что сигналы на его входы поступаю г с датчика 24 и с второго выхода блока 34.Блок 34 синхронизации преднаэнач н для выработки последоеагельности строби го25354055 фиг. 13),Блок 36 предназначен для выработки единичных импульсов на двух своих выходах синхронно с перепадом 0-ф 1 синхросигналов с третьего выхода блока 34. На первый вход блока 36 (вход О-триггера 50) поступают импульсы с первого выхода блока 35, на второй вход блока 36 - с второго выхода блока 35, На входы О-триггеров 50 и 51 поступают синхроимпульсы с третьего выхода блока 34, В результате перепады 0.4 и 1- 0 на прямых выходах триггеров50 и 51 появляются после соответствующих перепадов сигналов с первого и второго выходов блока 35 одновременно с перепадом0 э 1 синхроимпульса с третьего выходаблока 34. Одновибраторы 52 и 53 вырабатывают узкие единичные импульсы при перепадах 0-М на их входах, соединенных поотдельности с прямыми выходами триггеров 50 и 51 фиг. 6), Импульсы с выходаодновибратора 52 поступают на первые еходы элементов И 55 и 57, а с выхода одновибратора 53 на первые входы элементов И 56 и 58,На Я- и Я-входы триггера 54 поступают узкие импульсы с первого и второго выходов блока 32 формирования соответственно.В результате триггер 54 устанавлиеэется в состояние "1" при изменении напраеления вращения датчика 23 шпинделя с направления против часовой стрелки на направление по часовой стрелке и, наоборот, е состояние "0" при обратном изменении направления вращения вала датчика 23,Прямой выход триггера 54 соединен с еторыми выходами элементов И 56 и 57 Единичные импульсы с выходов элементов 55 и 56 собираются элементом ИЛИ 59с выходов элементов 57 и 58 - элементом ИГИ 60. В результате на первом оыкоде рующих импульсов на трех выходах. Эпюры импульсов приведены на фиг, 11. При логическом уровне "1" на входе блока 34 на его выходах появляются синхроимпульсы. пои "0" выдача их прекращается,Блок 35 предназначен для преобразования аналогового напряжения, поступающего на его вход с выхода управления координатой ЧПУ 31, в импульсы на двух10 выходах. Соответствующее подключениепреобразователей 48 и 49 напряжение - частота обеспечивает выдачу на первый выход блока 35 импульсов с частотой, прямо пропорциональной положительному анало говому напряжению характеристика преобразования приведена на фиг, 12), и на второй выход блока 35 импульсов с частотой, пропорциональной отрицательному аналоговому напряжению на входе блока 35блока 36(выходе элемента 59) узкие единичные импульсы появляются одновременно с синхроимпульсами с третьего выхода блока 34 при перепадах Оимпульсов с первого выхода блока 35, если с блока 32 поступают импульсы, соответствующие вращению вала датчика 23 по часовой стрелке, или одновременно с перепадом 0 -з 1 импульсов с второго выхода блока 35, если датчик 23 вращался против часовой стрелки. На выходе элемента ИЛИ 60 единичные импульсы появляются при перепаде 0 1 импульсов с первого выхода блока 35 при вращении датчика 23 против часовой стрелки или при перепаде 0 у" 1 импульсов с второго выхода блока при вращении датчика 23 по часовой стрелке. На входы блока 37 сбора сигналов поступают узкие единичные импульсы с выходов блоков 32, ЗЗ и Зб формирования. На первом выходе блока 37 (выходе элемента 63) единичные импульсы возникают при их появлении на первых выходах блоков 32, 33 и 36, на втором выходе блока 37(элемент 64) - при появлении импульсов на вторых выходах блоков 32, ЗЗ и 36.Блок 41 имитации сигналов обратной связи предназначен для выработки сигналов, аналогичных сигналам на выходах датчиков вращения. На счетный вход "+1" счетчика 61 поступают единичные импульсы с первого выхода блока 36, на счетный вход "-1" - с второго выхода блока 36. В результате работы блока 41 каждый импульс на его входах изменяет состояние выходов блока 41 (фиг, 14).Блок 40 регулятора представляет собой ПИД-регулятор, в котором е аналоговой форме вычисляется сумма поступившего на вход блока 40 аналогового сигнала с выхода ЦАП 39.его интервал и дифференциал, умноженные иа соответствующие коэффициенты, Контакт 65 (фиг. 8) обеспечивает отключение интегратора при уровне "0" на втором входе блока 40. При уровне "1" интегрирование разрешается., Рассмотрим функционирование системы 30 управления в двух режимах; при отсутствии управляющего сигнала от ЧПУ 31 и при поступлении управляющего сигнала от ЧПУ 31,Управляющий сигнал на радиальное перемещение резца 21 вырабатывается ЧПУ аналогично управляющим сигналам, выдаваемым на приводы подач, т,е. в виде аналогового напряжения (от -10 до "- 10 В), пропорциоиальногс требуемой скорости перемещения привода рабочего органа. Отсутствие управляющего сигнала от ЧПУ (уровень напряжения равен нулю) соотеет ствует требованию неподвижности рабочего органа, что для рассматриваемой расточной головки соответствует отсутствию радиального перемещения резца 21 как при 5 вращении шпинделя 1, так и при его остановке. Для достижения этого надо осуществить вращение привода 12 с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения шпинделя 1, умноженной на передаточ ное число зубчатой передачи (шестерен8 и 9) в направлении, противоположном направлению вращения шпинделя 1, Одновременно указанное вращение должно обеспечить постоянство отношения 15 30(2) и измеряемое в количестведискретдатчика 23. Привод 12 управляется по текущему 35 рассогласованию к минимизацией его абсолютного значения,При выполнении этой задачи система 30управления работает следующим образом.40 Информация о величине и направлениивращения шпинделя 1 и вала привода 12 снимается с датчиков 23 и 24, преобразуется в импульсы в блоках 32 и ЗЗ, Каждый импульс соответствует провороту вала соот ветстеующего датчика на одну дискрету. Дискретность Ед датчика 12 привода выбрана так, чтобы выполнялось равенство(3) 50 Поэтому значение текущего рассогласования в момент времени т е (т) рассчитывается как разность количества дискрет 55 перемещения шпинделя 1 Ко и привода 12Кд за время т:(4) Я (1) - Кш(с) - Кд(т). суммарных углов поворота вала двигателя 20 привода 12 вд (со знаком "+" по часовойстрелке) и шпинделя 1 сош (со знаком "+" против часовой стрелки) на протяжении всего времени отсутствия управляющего сигнала от ЧПУ ( д = и, где и - передаточное число 25 зубчатой передачи шестерен 8 и 9). Для выполнения этого в системе 30 непрерывно подсчитывается рассогласование к, определяемое каквд =двсм+двш (5) Подстановка (5) в (2) дает 50 Таким образом, к текущему рассогласованию, имеющемуся в счетчике 38, добавляется ем, иэмеряющееся в дискретах шпинделя. Блоки 39 и 40 осуществляют управление приводом 12 стремясь свести к нулю данное рассогласование с учетом ем, чем обеспечится проворот ше 55 Блок 37 сброса обеспечивает поступление на вход "+1" реверсивного счетчика 38 импульсов, каждый из которых соответствует провороту шпинделя 1 по часовой стрелке на одну дискрету, и на вход "-1" счетчика 5 38 импульсов, каждый из которых соотвегствует провороту привода 12 на одну дискрету против часовой с релки, или наоборот.В результате, в каждый момент времени с в счетчике 38 содержится величина текуще го рассогласования. измеренная в количестве дискрет шпинделя, Отрицательное рассогласование представлено в дополнительном коде, если считать, что разряд знака кода рассогласования - старший разряд 15 счетчика 38, Полученное в счетчике 38 текущее рассогласование поступает на вход ЦАП 39, преобразуется в аналоговый сигнал, который блоком 40 преобразуется в сигнал управления напряжение задания 20 скорости вращения) приводом 12. Знак и величина этого напряжения обеспечивают вращение привода 12 со скоростью и в направлении, уменьшающем текущее рассогласование. Параметры регулятора 40 25 рассчитываются так, чтобы обеспечить оптимальное по быстродействию и точности регулирование.При поступлении сигнала управления (напряжения задания скорости перемеще ния резца 21) от ЧПУ 31 независимо от того, вращается или нет шпиндель 1, должно осуществиться радиальное перемещение резца 21 в требуемом направлении, Для этого . шестерня 9 и диск 14 должны быть провер нуты относительно кольца 16 на определенный угол смещения вм в форме, соответствующей представлению информации с датчиков обратной связи (фиг. 9, 10 и 14). Для обеспечения проворота шестерни 9 40 относительно шпинделя 1 на угол в независимо от того, вращается или нет шпиндель, необходимо провернуть шестерню 8 (привода 12) на угол д Х асм и управлением привода 12 достичь того. что 45 стерни 9 относительно шпинделя 1, что приводит к перемещению резца 21.Сигналы на входы "+1" и "-1" сетка 38 поступаю; в разные моменты времени с выходов блоков 32. 33 и 36 (через блок 37), так как стробируются синхроимпульсами с раэчых выходов блока 34 (фиг. 11), При распределении синхроимпульсов по блокам 32, 33 и 36 следует учитывать, что синхроимпульс, поступающий на блок 32, должен опережать синхроимпульс, подаваемый на блок 36, так как перед выдачей блоком 36 выходных импульсов необходимо определение направления вращения шпинделя 1. В результате разделения во времени поступления импульсов с блоков 32, 33 и 36 в счетчике 38 суммируются все импульсы, свидетельствующие о рассогласовднии.Для выдачи с ЧПУ информации об обратной связи от данного перемещения необходимо имитировать сигналы датчика обратной связи так, чтобы отразить направление и величину к, . Эту функцию выполняет блок 41.При реализации описанных действий система 30 работает следующим образом.Сигналы с датчиков 23 и 24 поступают в систему 30 и вызывают действия, аналогичные случаю, когда управляющий сигнал от ЧПУ 31 отсутствует, при этом сисгема 30 обеспечивает поддержание г, близкого к О. Управляющий сигнал от ЧПУ 31, преобразованный блоками 35 и 36, через блок 37 поступает в виде импульсов на вход счетчика 38, где, суммируясь с рассогласованием. создает в счетчике к + гсм, что в итоге обеспечит перемещение резца 21 в нужном направлении. Эти же импульсы через блок 41 поступают в ЧПУ как сигналы обратной связи о величине и знаке с Выдача информации обратной связи предшествует ее исполнению, так как указанные импульсы одновременно поступают в блоки 38 и 41, а блоками 12,39 и 40 отрабатываются с задержкой, определяемой временной характеристикой привода 12, Так как заданный управляющий сигнал обязательно будет исполнен. а высокое быстродействие привода 12 обеспечит минимальную задержку при исполнении задания на перемещение, указанное отставание не приведет к погрешности отработки перемещения резца 21,Для работы ЧПУ 31 необходим предварительный ввод в него величины дискретности датчика обратной связи каждой координаты, следовательно, и управляемой координаты перемещения резца 21,Для расчета дискретности Е (количества периодов сигналов датчика обратной свя 1657281 12зи на 1 мм линейного перемещения резца) имитатора датчика обратной связи вводимой координаты предлагается формула:2 =4 - ,6где Ь - радиальный шаг (мм) архимедовой спирали на диске 14;Еш - количество периодов сигналов с датчика 23 на один оборот шпинделя.Электронная связь шпинделя 1 и привода 12 должна быть установлена после установки оправки 2 в шпиндель 1 и сцепления полумуфт 10 и 11 и разорвана перед изъятием оправки 2 из шпинделя 1. Это обеспечивается сигналом с второго выхода ЧПУ 31 (выдача которого возможна из контроллера цикловой электроавтоматики). Рабочий уровень этого сигнала ("1") разрешает выдачу синхроимггульсов блоку 34, блоку 40 разрешает интегрирование и выдачу напряжения задания на привод 12, последнему дает готовность, Нерабочий уровень этого сигнала блокирует выдачу блоком 34 синхроимпульсов, отключает интегратор блока 40 замыканием ключа 64 и снимает готовность с привода 12.Тормоз, состояий иэ фрикционного сопряжения накладок 6 и 9, срабатывает при изъятии головки из шпинделя и препятствует провороту державки 2 с закрепленными на ней механизмами относительно корпуса, что исключает перемещение резца 21 при транспортировке головки манипулятором и ее хранении в инструментальном магазине.Учитывая, что известные устройства ПУ запоминают текущее значение координаты перемещения резца перед изъятием инструментальной головки иэ шпинделя, размерную привязку режущей кромки инструмента относительно оси шпинделя (оси конической части головки), определяющую 5 диаметр обрабатываемого отверстия, можно производить один раз на специальном стенде. При хранении и транспортировке головки между магазином и шпинделем станка привязка сбиваться не будет. При 10 повторном использовании головки текущеезначение координаты будет восстанавливаться из памяти ЧПУ.ф о рмул а и зоб ре те н ия Расточная головка с автоматическим уп равлением размером обработки, содержащая приспособление для перемещения реэцедержателя с оправкой а радиальном направлении, установленное в шпинделе и соединенное через разъемную муфту с регу лируемым приводом,. установленным нашпиндельной бабке станка и кинематически свяэаннь м с датчиком вращения, и систему управления, от лича ю ща я с я тем. что.с целью повышения производительности, 25 точности обработки и упрощения конструкции, приспособление для перемещения реэцедержателя снабжено диском с выполненным на его торце пазом в виде архимедовой спирали, соединенным с регу лируемым приводом через разъемную муфту, а оправка снабжена кольцом с радиальным пазом и пальцем, установленным в кольце с воэможностью взаимодействия с пазом диска, шпиндель снабжен 35 датчиком вращения, а система управлениясогласующим блоком, входы которого подключены к датчикам вращения шпинделя и регулируемого привода, а выход - к регулируемому приводу.