Author: Пуш В.Э.
Tags: формообразование со снятием стружки молоты и прессы разделительные операции без образования стружки, дробление и измельчение, обработка листового материала, изготовление резьбы отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства машиностроение металлорежущие станки станки
Year: 1985
Text
ББК 34.63-5
М54
УДК 621.9.06(075)
В. Э. Пуш д-р техн, наук, В. Г. Беляев д-р техн, наук, А. А. Гаврюшин канд.
техн, наук, А. А. Какойло канд. техн, наук, Ю. В. Копыленко канд.
техн, наук, Ю. Е. Михеев, О. П. Михайлов д-р техн, наук, Ю. А. Павлов канд.
техн, наук, Ф. С. Сабиров канд. техн, наук, В. Л. Сосонкин д-р техн, наук,
В. К. Старостин канд. техн, наук, О. Н. Трифонов д-р техн, наук, В. С. Хомяков
канд. техн, наук, А. К. Шульга, канд. техн, наук, В. Н. Шурков канд. техн, наук
Рецензенты: кафедра «Металлорежущие станки н автоматы механосбороч-
ного производства» МВТУ им. Н. Э. Баумана н канд. техи. наук Н. А. Кочииев
'1
Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных
М54 втузов/Под ред. В. Э. Пуша. —М.: Машиностроение, 1985. —
256 с., ил.
(В пер).: 1 р. 9 0 к.
Приведены общие сведения о металлорежущих станках, классификация стаисч-
ного оборудования, технико-экономические показатели и технические характеристи-
ки станков, отмечены особенности отдельных разновидностей станочного оборудова-
ния. Изложены основы проектирования станков и важнейших станочных узлов
с применением средств автоматизации конструирования.
2703000000-215 м Р0)
~~038(01)-86 215'86 V|P
737433-^
- Вг • ifc
W. H. A. > iuKFAGQBA
ББК 34.63-5
6П4.6.08
Издательство «Машиностроение», 1986 г.
ВВЕДЕНИЕ
Машиностроение является основой научно-технического
прогресса в различных отраслях народного хозяйства. Непрерывное
совершенствование и развитие машиностроения связано с прогрессом
станкостроения, поскольку металлорежущие станки вместе с не-
которыми другими видами технологических машин обеспечивают
изготовление любых новых видов оборудования.
Партия и правительство всегда придавали большое значение
развитию станкостроения, основы которого были заложены в годы
первых пятилеток. Уже перед Великой Отечественной войной Совет-
ский Союз был крупной станкостроительной державой, обеспечива-
ющей выпуск необходимого количества универсальных и специаль-
ных станков, большого числа автоматических станочных линий для
ведущих отраслей машиностроения. Под руководством академика
В. И. Дикушина были разработаны теоретические основы агрегати-
рования, реализованные в конструкциях многошпиндельных агре-
гатных станков и в автоматических линиях для обработки корпусных
деталей. Профессора Н. С. Ачеркан и Н. В. Игнатьев опубликовали
важнейшие положения о регулируемом главном приводе станков, а
профессор Г. М. Головин разработал принципы кинематики станков.
Во время Великой Отечественной войны станкостроение вместе
со всеми другими отраслями промышленности выпускало продукцию
военного времени, а также специальные станки для ее производства.
После войны началось восстановление и совершенствование различ-
ных отраслей машиностроения на базе непрерывно увеличивающегося
выпуска специальных станков, автоматов и автоматических линий.
В этот период крупнейшие теоретические разработки в области
станковедения были осуществлены в Экспериментальном научно-
исследовательском институте металлорежущих станков, а также
в Московском станкоинструментальном институте, МВТУ имени
Н. Э. Баумана и в некоторых других организациях. Советские стан-
костроители освоили выпуск самых разнообразных станков, необ-
ходимых для различных отраслей машиностроения. Это станки особо
высокой точности, обеспечивающие отклонения в долях микроме-
тров, тяжелые станки для обработки крупных деталей размерами
в несколько десятков метров, станки для физико-химических методов
обработки, станки-автоматы для контурной программной обработки
очень сложных по форме деталей.
1* 3
Особое развитие в последние десятилетия получило числовое
программное управление станками. Микропроцессорные устройства
управления превращают станок в станочный модуль, сочетающий
гибкость и универсальность с высоким уровнем автоматизации.
Станочный модуль способен обеспечивать обработку заготовок широ-
кой номенклатуры в автономном режиме на основе малолюдной
или даже безлюдной технологии. Таким образом, современное ста-
ночное оборудование является базой для развития гибкого автома-
тизированного производства, резко повышающего производитель-
ность труда в условиях средне- и мелкосерийного производства.
Использование гибких производственных систем, состоящих из
набора станков, манипуляторов, средств контроля, объединенных
общим управлением от ЭВМ, дает возможность и в многономенклатур-
цом крупносерийном производстве стимулировать научно-технический
прогресс, быстрый и с минимальными затратами переход к новым, бо-
лее совершенным образцам выпускаемой продукции. Переход от испо-
льзования набора станков и других технологических машин к машин-
ным системам в виде гибких производственных систем технологическо-
го оборудования помимо повышения производительности труда корен-
ным образом изменяет весь характер машиностроительного произ-
водства. Создаются условия постепенного перехода к трудосбе-
регающему производству при наивысшей степени автоматизации.
Совершенствование современных станков должно обеспечивать
повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений при со-
ответствующем повышении мощности привода главного движения.
Исключительное значение приобретает повышение надежности стан-
ков за счет насыщения их средствами контроля и измерения, а также
введения в станки систем диагностирования
Повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений
связано с дальнейшим совершенствованием привода станков, шпин-
дельных узлов, тяговых устройств и направляющих прямолинейного
движения. Применение композиционных материалов для режущих
инструментов позволяет уже сейчас реализовать скорость резания
до 1,5—2 км/мин, а скорость подачи довести до 20—30 м/мин. Даль-
нейшее повышение скоростей потребует поиска новых конструкций,
использующих иные физические принципы и обеспечивающих высо-
кую работоспособность ответственных станочных узлов.
Применение станочных модулей возможно только при полной
автоматизации всех вспомогательных операций за счет широкого
использования манипуляторов и промышленных роботов. Это отно-
сится к операциям, связанным со сменой заготовок, режущих ин-
струментов, технологической оснастки, с операциями измерения за-
готовки, инструмента, с операциями дробления и удаления стружки
из рабочей зоны станка.
Оснащение станков гибкого автоматизированного производства
различными контрольными и измерительными устройствами является
необходимым условием их надежной работы, особенно в автономном
и автоматизированном режиме. В современных станках используют
широкий набор средств измерения, иногда очень точных, таких,
4
например, как лазерные интерферометры, для сбора текущей инфор-
мации о состоянии станка, инструмента, вспомогательных устройств
и для получения достоверных данных о исправной работе.
Современные металлорежущие станки обеспечивают исключи-
тельно высокую точность обработанных деталей. Ответственные по-
верхности наиболее важных деталей машин и приборов обрабаты-
вают на станках с погрешностью в долях микрометров, а шерохова-
тость поверхности при алмазном точении не превышает сотых долей
микрометра. Требования к точности в машиностроении постоянно
растут, и это, в свою очередь, ставит новые задачи перед преци-
зионным станкостроением.
Специалисты в области технологии машиностроения, металло-
режущих станков и инструментов находятся на одном из самых
ответственных участков всего научно-технического прогресса. За-
дача заключается в том, чтобы в результате коренного совершенство-
вания технологии обработки, создания новых металлорежущих
станков с микропроцессорным управлением, станочных модулей для
гибких производственных систем обеспечить техническое и органи-
зационное перевооружение всех отраслей машиностроения и на
этой основе обеспечить существенное повышение производительности
труда. Для успешного творческого труда инженеры-станкостроители
должны быть фундаментально подготовлены в области математики,
физики, вычислительной техники, иметь фундаментальные знания
и навыки по общим инженерным дисциплинам и, наконец, хорошо
знать свою будущую специальность. Необходимо ясно представлять
общие важнейшие свойства и качества, определяющие технический
уровень металлорежущих станков, с тем, чтобы создавать лучшие
образцы и новые модели станков.
В настоящее время и в обозримом будущем потребуется создание
новых моделей станков, станочных модулей, гибких производствен-
ных систем, поэтому будущие специалисты-станкостроители должны
владеть основами конструирования станков и их важнейших узлов.
Для успешного применения вычислительной техники при конструи-
ровании необходимо хорошо знать содержание процесса проектиро-
вания всех видов станочного оборудования, владеть методами его
моделирования и оптимизации.
Современный станок органически соединил технологическую
машину для размерной обработки с управляющей вычислительной
машиной на основе микропроцессора. Поэтому специалист-станкост-
роитель должен хорошо понимать принципы числового программного
управления станками, владеть навыками подготовки и контроля
управляющих программ. Он должен знать устройство микропроцес
сорных средств управления, основные их характеристики и возмож-
ности применительно к станочному оборудованию.
В учебнике изложены основные сведения по металлорежущим
станкам,, овладев которыми будущие специалисты смогут в дальней-
шем приступить к творческой инженерной деятельности и решению
важных и сложных задач в области конструирования и эксплуата-
ции станочного оборудования.
5
Р А 3 Д Е Л 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАНКАХ
ГЛАВА 1
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНКОВ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Металлорежущий станок (станок) — машина для раз-
мерной обработки заготовок в основном путем снятия стружки.
Кроме металлических заготовок на станках обрабатывают также
детали из других материалов. К станкам относят и технологическое
оборудование, использующее для обработки электрофизические и
электрохимические методы, сфокусированный электронный или
лазерный луч, поверхностное пластическое деформирование и не-
которые другие виды обработки.
Помимо основной рабочей операции, связанной с изменением формы
и размеров заготовки, на станке необходимо осуществлять вспомога-
тельные операции для сменызаготовок, их зажима, измерения, опера-
ции по смене режущего инструмента, контроля его состояния и со-
стояния всего станка. В связи с большим разнообразием функций, вы-
полняемых на станках, их целесообразно рассматривать как систему,
состоящую из нескольких функциональных подсистем (рис. 1.1).
Подсистема манипулирования обеспечивает доставку заготовок
к месту обработки, их зажим в заданной позиции, перемещение
к месту контроля и измерения и, наконец, вывод готовых изделий
из рабочей зоны станка. Таким образом, подсистема манипулирования
обеспечивает поток материала, проходящего через рабочую зону
станка в процессе его обработки. Дополнительные функции под-
системы манипулирования необходимы также для смены режущих
инструментов и дополнительных приспособлений. Подсистема управ-
ления на основе входной внешней информации и дополнительной
внутренней текущей информации от контрольных и измерительных
устройств обеспечивает правильное функционирование всех осталь-
ных подсистем в соответствии с поставленной задачей. Входная
информация поступает в виде чертежа, маршрутной технологии или
заранее подготовленной управляющей программы.
Текущая информация о правильности состояния и поведения
всей технологической системы (станка, инструмента, манипуляторов,
вспомогательных устройств) поступает в подсистему управления
при ручном управлении от органов чувств оператора, а при автома-
тизации контрольных функций — от соответствующих преобразова-
телей (датчиков) подсистемы контроля. Выходная информация дает
сведения о фактических размерах обработанной на станке детали
по результатам ее измерения.
6
Собственно станок подразделяется на несколько важнейших
частей, обычно называемых узлами. Главный привод станка сообщает
движение инструменту или заготовке для осуществления процесса
резания с соответствующей скоростью. У подавляющего большин-
ства станков главный привод (рис. 1.2) сообщает вращательное дви-
жение шпинделю, в котором закреплен режущий инструмент либо
заготовка.
Привод подачи необходим для перемещения инструмента отно-
сительно заготовки для формирования обрабатываемой поверхности.
Рис. 1.1. Структурная схема стайка:
/0, К — входная и выходная информация; Mo. Mi — заготовки и изделия; £ — энергия;
1 — подсистема управления; 2 — подсистема контроля; 3 — подсистема манипулирования;
4 — подсистема обработки
Рис. 1.2. Основные узлы (сборочные единицы) станка:
1 — главный привод; 2 — базовые детали; 3 — приводы подачн
У подавляющего большинства станков привод подачи сообщает
узлу станка прямолинейное движение. Сочетанием нескольких пря-
молинейных, а иногда и вращательных движений можно реализовать
любую пространственную траекторию.
Привод позиционирования необходим во многих станках для
перемещения того или иного узла станка из некоторой исходной
позиции в другую заданную позицию, например, при последователь-
ной обработке нескольких отверстий или нескольких параллельных
плоскостей на одной и той же заготовке. Во многих современных
станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции
приводов подачи и позиционирования выполняет один общий привод.
Несущая система станка состоит из последовательного набора
соединенных между собой базовых деталей. Соединения могут быть
неподвижными (стыки) или подвижными (направляющие). Несущая
система обеспечивает правильность взаимного расположения ре-
жущего инструмента и заготовки под воздействием силовых и тем-
пературных факторов.
7
Манипулирующие устройства необходимы для автоматизации
различных вспомогательных движений в станке для смены загото-
вок, их зажима, перемещения или поворота, смены режущих инстру-
ментов, удаления стружки и т. п. Современный многооперационный
станок имеет набор манипуляторов, транспортеров, поворотных
устройств, а в некоторых случаях обслуживается универсальным
манипулятором с программным управлением (промышленным робо-
том).
Контрольные и измерительные устройства необходимы в станке
для автоматизции наблюдения за правильностью его работы. С по-
мощью них контролируют состояние наиболее ответственных частей
станка, работоспособность режущего инструмента, измеряют заго-
товки и изделие. При достаточно высоком уровне автоматизации
результаты контроля измерения поступают в управляющее устрой-
ство, а оттуда в виде управляющих сигналов корректируют положе-
ние узлов станка.
Устройство управления может быть с ручным обслуживанием
оператором, с механической системой управления или с ЧПУ.
В настоящее время происходит широкое внедрение микропроцес-
сорных устройств ЧПУ для управления всеми видами" станочного
оборудования.
§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНКОВ
В зависимости от целевого назначения станка для обра-
ботки тех или иных деталей или их поверхностей, выполнения соот-
ветствующих технологических операций и режущего инструмента,
станки разделяют на следующие основные группы — токарные,
сверлильные и расточные, фрезерные, шлифовальные. Условная
классификация станков по технологическому признаку приведена
в табл. 1.1. В последние годы получили распространение станки,
на которых выполняются различные операции в результате автома-
тической смены режущих инструментов. Подобные станки получили
название многооперационных станков или обрабатывающих центров.
В обозначении конкретных моделей станков первая цифра указывает-
на группу станка (например, токарные 1), а вторая — на тип (на-
пример, токарно-карусельные станки имеют в обозначении цифру 15),
а последние цифры характеризуют размер рабочего пространства,
т. е. предельно допустимые размеры обработки.
Универсальные станки, иначе называемые станками общего
назначения, предназначены для изготовления широкой номенкла-
туры деталей, обрабатываемых небольшими партиями в условиях
мелкосерийного и серийного производства. Универсальные станки
с ручным управлением требуют от оператора подготовки и частич-
ной или полной реализации программы, а также выполнения функции
манипулирования (смена заготовки и инструмента), контроль и изме-
нение. Универсальные станки с числовым управлением требуют
от оператора лишь отдельных функций манипулирования и контроля.
При этом становится возможным обслуживание одним оператором
3
нескольких станков, так называемое многостаночное обслужи-
вание.
Гибкие производственные модули (ГПМ) представляют собой
автоматизированную универсальную технологическую ячейку, осно-
вой которой является станок с полным набором манипуляторов, кон-
трольных и измерительных устройств.
Специализированные станки предназначены для обработки заго-
товок сравнительно узкой номенклатуры. Примером могут служить
токарные станки для обработки коленчатых валов или шлифоваль-
ные станки для обработки колец шарикоподшипников. Специализи-
рованные станки имеют высокую степень автоматизации, и их ис-
пользуют в крупносерийном производстве при больших партиях,
требующих редкой переналадки.
Рис. 1.3. Рабочее пространство токарного (а) и многооперационного (б) станков
Специальные станки используют для производительной обработки
одной или нескольких почти одинаковых деталей в условиях крупно-
серийного и особенно массового производства. Специальные станки,
как правило, имеют высокую степень автоматизации.
Автоматическую линию образуют из набора станков-автоматов,
расположенных последовательно в соответствии с ходом технологи-
ческого процесса и связанных общим транспортом и общим управле-
нием. Переналаживаемая автоматическая линия может в режиме
автоматической переналадки переходить от обработки одной детали
к обработке другой похожей на нее детали. Общее число разных
деталей при этом ограничено несколькими штуками.
Станки наиболее распространенных технологических rpyjin обра-
зуют размерные ряды, в которых за каждым станком закреплен
вполне определенный диапазон размеров обрабатываемых деталей.
Например, в группе токарных станков возможности станка харак-
теризуются цилиндрическим рабочим пространством (рис. 1.3, а),'
а для многооперационных станков — прямоугольным рабочим про-
странством (рис. 1.3, б). По основному размеру рабочего простран-
ства, максимальному диаметру для токарных станков, ширине стола
Для фрезерных и многооперационных станков устанавливают ряд
стандартных значений, обычно в геометрической прогрессии с не-
9
1.1. Классификация металлорежущих станков
Наименование Труп- па
0 I 2 3
Токарные 1 Специа- лизиро- ванные Одношпин- дельиые Многошпин- дельные Револьверные I
Сверлильные и расточные 2 — Вертикально- сверлильные Одношпии- дельные Многошпии- дельиые полу- автоматы
Шлифовальные, полировальные, доводочные, за- точные 3 — Круглошли- фовальные Виутришли- фовальиые Обдирочно- шлифовальные
Комбинирован- ные и физико-хи- мической обра- ботки 4 — — — —
Зубо- и резьбо- обрабатывающие 5 Резьбо- нарез- ные Зубострогаль- ные для ци- линдрических колес Зуборезные для кониче- ских колес Зубофрезер- ные для ци- линдрических колес и шли- цевых валиков
Фрезерные 6 — Вертикально- фрезерные консольные Фрезерные непрерывного действия —
Строгальные, долбежные, про- тяжные 7 — Продол одностоечные 1ьные: двухстоечные Поперечно- строгальныё
Разрезные 8 — От| резцом эезные, работаю!, абразивным кругом цие гладким или насечным диском
Разные 9 — Муфто- и трубообраба* тывающие Пилонасека- тельиые Бесцентрово- обдирочные
10
Тип
4 5 6 7 8
Сверлильно- отрезные Карусельные Токарные и лобовые Многорезцо- вые Специализиро- ванные
Координатно- расточные Радиально- сверлильные Расточные Алмазно- расточные Горизонтально- сверлильные и центровые
Специализи- рованные шлифовальные — Заточные Плоскошли- фовальные Притирочные и полировальные
— — — — —
Для нареза- ния червяч- ных колес Для обработ- ки торцов зубьев колес Резьбофрезер- ные Зубоотделоч- иые, прове- рочные и об- катные Зубо- и резьбо- шлифовальные
Копироваль- ные и грави- ровальные Вертикальные бесконсольные Продольные Широкоуни- версальиые Горизонтально- фрезерные кон- сольные
Долбежные Протяжные горизонталь- ные — Протяжные вертикальные —
Правйльно- отрезные Пилы: ленточные дисковые ножовочные —
i Правильные- Для испыта- ния инстру ментов Делительные машины Балансиро- вочные
11
которым знаменателем <р. Так, для станков токарной группы принят
<р — 1,25 и стандартный ряд наибольших диаметров обработки —
250, 320, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000 мм.
В зависимости от массы станка, которая связана с размерами обра-
батываемых деталей и его типом, принято разделять станки
на легкие (до 1 т), средние (1—10 т), и тяжелые (более 10 т).
Особо тяжелые станки с массой более 10 т называют уникаль-
ными. Станки также условно разделяют на классы точности —
нормальной, повышенной, высокой, особо высокой и особо точные
станки. Класс точности обозачают соответственно буквами Н, П,
В, А, С. Таким образом, обозначение токарно-винторезного станка
модели 16К20П следует расшифровать так: токарно-винторезный
станок (первые две цифры) с высотой центров (половина наиболь-
шего диаметра обработки) 200 мм, повышенной точности (П) и оче-
редной модификации (К). При обозначении станков с числовым про-
граммным управлением (ЧПУ) добавляют еще буквы и цифры,
например, 16К20ПФЗ (ФЗ — числовое управление тремя коорди-
натными движениями).
ГЛАВА 2
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ СТАНКОВ
Для сравнительной оценки технического уровня станков
и комплектов станочного оборудования, а также для выбора станков
в соответствии с решением конкретной производственной задачи
используют набор показателей,. характеризующих качество как
отдельных станков, так и набора станочного оборудования.
§ 1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Эффективность — комплексный (интегральный) показа-
тель, который наиболее полно отражает главное назначение станоч-
ного оборудования — повышать производительность труда и соот-
ветственно снижать затраты труда при обработке деталей. Эффек-
тивность станков, шт./руб.,
А = N/X с,
(2.1)
где N — годовой выпуск деталей; 2 е — сумма годовых затрат на
их изготовление.
При проектировании или подборе станочного оборудования всегда
следует стремиться к максимальной эффективности, а показатель
(2.1) при этом следует рассматривать как целевую функцию
А — Л//2 шах.
(2-2)
1?
Если задана годовая программа выпуска, то условие (2.2) при-
водится к минимуму приведенных затрат
(2.3)
Сравнение эффективности двух вариантов станочного оборудова-
ния при заданной программе выпуска ведут по разности приведен-
ных затрат
Р = (2 с)1 - (S е)2, (2.4)
где индекс «2» относится к более совершенному варианту станочного
оборудования при сравнении с базовым (индекс «1»).
§ 2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Производительность станка определяет его способность обеспе-
чивать обработку определенного числа деталей в единицу времени.
Штучная производительность (шт./год) выражается числом де-
талей, изготовленных в единицу времени, при непрерывной безот-
казной работе
Q = То/Т, (2.5)
где То — годовой фонд времени; Т — полное время всего цикла
изготовления детали.
При изготовлении на универсальном станке разных деталей его
штучную производительность определяют по условной, так назы-
ваемой представительной детали, форму и размеры которой берут
усредненными по всему рассматриваемому множеству деталей. Все
исходные параметры представительной детали (масса, размеры,
допуски и т. д.) определяют для всей группы (семейства) рассматри-
ваемых деталей как средневзвешенные величины
X = х6Сх/6с,
где х — величина данного параметра внутри каждого интервала;
6СХ — частость по интервалам изменения величины х; 6С — общая
частость (весомость) деталей рассматриваемой группы.
Для станков широкой универсальности рассматривают набор
представительных деталей, каждая из которых соответствует семей-
ству однотипных деталей, сходных по форме и технологии обработки.
Производительность определяют по среднему значению времени
цикла обработки, которое без учета потерь выражается как
T = tp + tB, (2.6)
где /р — время обработки резанием; /в — время на все виды вспо-
могательных операций, не совмещенных по времени с обработкой.
Если процесс обработки осуществляют непрерывно и дополни-
тельное время на вспомогательные операции не затрачивается, т. е.
если tB = 0, а Т = /р, то штучная производительность совпадает
с понятием технологической производительности
QT = 1//р, (2.7)
13
Рис. 2.1. Потери годового фонда времени:
1 — выходные, отпуск; 2 — отсутствие
третьей смены; 3 — односменная работа; 4 —
отказы; 5 — переналадка; 6 — использова-
ние стаиочиого оборудования
определяемой только по машин-
ному времени. Штучная произво-
дительность связана с годовым
выпуском деталей коэффициентом
использования ц, учитывающим
потери годового фонда времени
(рис. 2.1) по организационным и
техническим причинам:
АГ = Qtj. (2.8)
Кроме штучной производитель-
ности иногда используют для
сравнительной оценки различ-
ного по характеру оборудования и разных методов обработки
другие условные показатели. Производительность формообразования
измеряют площадью поверхности, обработанной на станке в единицу
времени
р J___
L Т '
(2-9)
где L — скорость и полный путь перемещения инструмента по
образующей линии на обрабатываемой поверхности.
Производительность резания определяют объемом материала,
снятого с заготовки в единицу времени. Этот показатель применяют
иногда для оценки возможностей станков для предварительной
обработки или для сравнения различных технологических способов
размерной обработки (табл. 2.1). В таблице приведены также данные
по затратам мощности при удалении 1 см3 металла за 1 мин.
2.1. Производительность размерной обработки
Вид обработки Произво- дитель- ность, Мощ- ность, »< Вт Внд обработки Произво- дитель- ность, сиа/мии Мощ- ность, кВт
Тот нее 1500 0.06 Электрохимическая 15 10
Шлифование 800 0,6 Ультразвуковая 1 25
Электроискровая 15 1,0 Лазерная 0,01 4000
Основные пути повышения производительности станков и ста-
ночных систем связаны со следующими тенденциями: увеличением
технологической производительности; совмещением разных опера-
ций во времени; сокращением времени на вспомогательные движения;
сокращением всех видов внецикловых потерь.
М
Рис. 2.2. Изменение скорости реза-
ния (ориентировочные значения) при
использовании режущих инструмен-
тов из:
1 — инструментальной стали; 2 — быстро-
режущей стали; з — твердого сплава;
4 — порошкового материала; 5 — кера-
мики
Технологическая произво-
дительность увеличивается с по-
вышением скорости обработки
(рис. 2.2) и с увеличением сум-
марной длины режущих кромок
инструмента, участвующих
в процессе формообразования.
Повышение скорости обработки
ограничивается свойствами ма-
териала режущего инструмента.
Резкое повышение скорости воз-
можно при переходе на новые
инструментальные материалы.
При замене режущего инструмента из быстрорежущей стали и твердо-
го сплава инструментом из порошкового твердого сплава и алмазным
инструментом можно ожидать существенное повышение скорости
резания и соответственно подачи. Значительное повышение произво-
дительности достигается применением эффективных смазочно-охлаж-
дающих жидкостей. Увеличение суммарной длины режущих кромок
приводит к усложнению и удорожанию режущего инструмента, что
оправдывает себя, как правило, при соответствующем увеличении
масштаба производства.
Большим резервом повышения производительности является сов-
мещение во времени различных операций, как основных, так и вспо-
могательных. Одновременное выполнение нескольких рабочих опе-
раций осуществляется на многопозиционных станках и автоматиче-
ских линиях, используемых в крупносерийном и массовом производ-
стве. Совмещение рабочих операций с вспомогательными всегда це-
лесообразно, если это не связано с излишним усложнением и удоро-
жанием станка. Применение непрерывных методов обработки (бес-
центрового шлифования, накатки резьбы непрерывным способом,
непрерывного протягивания и др.) дает возможность полностью сов-
местить все вспомогательные операции с рабочими и обеспечить
наибольшую производительность станка.
Сокращение времени на вспомогательные движения (холостые
ходы) для повышения производительности станка обеспечивается
совершенствованием привода и системы управления. Ограничения
по скорости вспомогательных движений связаны с возникающими
при этом инерционными нагрузками и их отрицательным влиянием
по различным критериям работоспособности деталей и механизмов
станка. Все виды внецикловых потерь сокращаются при комплексной
автоматизации и совершенствовании системы управления как отдель-
15
ным станком, так и всем автоматизированным производством на базе
вычислительной техники.
Автоматизация смены инструмента и совмещение операций смены
затупленного инструмента на станке с рабочими операциями сокра-
щают потери времени на замену инструмента. Повышение надежности
станков и автоматических систем снижает число отказов и общие
затраты на устранение этих отказов.
§ 3. НАДЕЖНОСТЬ
Надежность станка — свойство станка обеспечивать бес-
перебойный выпуск годной продукции в заданном количестве в те-
чении определенного срока службы и в условиях применения, тех-
нического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Нарушение работоспособности станка называют отказом. При
отказе продукция либо не выдается, либо является бракованной.
В автоматизированных станках и автоматических линиях отказы
могут быть связаны с нестабильностью условий работы под влиянием
отдельных случайных факторов и сочетания этих случайных факто-
ров — разброса параметров заготовок, переменности сил резания
и трения, отказов элементов систем управления и т. д. Кроме того,
причинами отказов может быть потеря первоначальной точности
станка из-за изнашивания его частей и ограниченной долговечности
важнейших его деталей и механизмов (направляющих, опор, шпин-
делей, передач винт—гайка, фиксирующих устройств и т. п.).
Безотказность станка — свойство станка непрерывно сохранять
работоспособность в течение некоторого времени. Безотказность
может быть оценена следующими показателями.
Вероятность отказана по результатам испытаний No элементов,
из которых отказали Аот = Йо — Na, a Na оказались исправными,
определяют по формуле
Q(t) = NOT/No. (2.10)
Вероятность безотказной работы
Р (t) = 1 - Q (0 = N„/No. (2.11)
Интенсивность отказов — условная плотность вероятности воз-
никновения отказа в единицу времени
(2 12)
Вероятность безотказной работы может быть представлена в за-
висимости от интенсивности отказов. Производную по времени вы-
ражения (2.11) приводят к виду
dP (О _ 1 dN0T ___ Ntl у _____ __ Р
di ~ ,V0 dt ~ No U Л Г
Откуда следует
I
P(t) = e" . (2.13)
16
Вероятность безотказной работы станка как сложной системы,
состоящей из п элементов, соединенных последовательно, при усло-
вии их независимости по критерию надежности представляют в виде
Рст (t) = П Л (0, (2.14)
1
где Pi (/) — вероятность безотказной работы i-ro элемента.
Отказы, имеющие постоянную интенсивность,
Л (/) = = const,
?Ср
где /ср — средняя наработка между отказами дает вероятность
безотказной работы в виде
РЦ)=-.еГи= e“z/zcp. (2.15)
Отказы, связанные с изнашиванием элементов станка, обычно
подчиняются законам нормального распределения или логарифми-
чески-нормального распределения. В первом случае известны две
характеристики распределения — средняя наработка на отказ и
среднеквадратичное отклонение
/ср“ No 2jZi’ ° “У No—l
Комплексным показателем надежности станков является коэффи-
циент технического использования
П=1Д1+ SMcpf), (2.16)
где п — число независимых элементов, подверженных отказам;
Xi—интенсивность отказов i-ro элемента; /срг — среднее время
на устранение отказа (на восстановление).
Коэффициент технического использования ц дает возможность
оценить фактическую производительность Q$ по сравнению с номи-
нальным значением производительности Q (при абсолютной надеж-
ности):. фф = Qtj.
Долговечность станка — свойство станка сохранять работоспо-
собность в течение некоторого времени с необходимыми перерывами
для технического обслуживания и ремонта до наступления предель-
ного состояния. Долговечность отдельных механизмов и деталей
станка связана главным образом с изнашиванием подвижных соеди-
нений, усталостью при действии переменных напряжений и старе-
нием.
Изнашивание подвижных соединений в станке (направляющих,
опор шпинделя, передач винт—гайка и др.) является важнейшей
причиной ограничений долговечности по критерию сохранения пер-
воначальной точности.
Ремонтопригодность — свойство, заключающееся в приспособ-
ленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения
17
отказов, повреждений и поддержанию и ««становлению работо-
способного состояния путем проведения технического обслуживания
и ремонтов. Этот критерий является особенно важным для станков
с высокой степенью автоматизации и автоматических станочных
систем, так как определяет стоимость затрат на устранение отказов
и связанные с этим простои дорогостоящего оборудования.
Технический ресурс — наработка от начала Эксплуатации или
ее возобновления после среднего и капитального ремонта до пере-
хода в предельное состояние. Для определения долговечности отдель-
ных элементов (деталей и механизмов станка) используют средний
ресурс (математическое ожидание).
Современные станки и станочные системы (автоматические линии,
участки и производства) являются сложной системой из большого
числа разнородных элементов (механических, электрических и радио-
электронных). Оценка надежности сложной системы должна осуще-
ствляться на основе учета и анализа всех действующих факторов.
В соответствии с общей формулой (2.14) вероятность безотказной
работы станка
Рет (/) = Р1 (0 Л (0 Л. (0-
где Рг (/) — надежность по внезапным отказам механических узлов;
Р2 (/) — надежность радиоэлектронной аппаратуры; Р3 (/) — надеж-
ность, обусловленная отказами по изнашиванию.
Технологическая надежность станков и станочных систем, как
свойство сохранять во времени первоначальную точность оборудова-
ния и соответствующее качество обработки, имеет важное значение
в условиях длительной и интенсивной эксплуатации. В основе ана-
литических методов оценки технологической надежности станков
лежит разработка математической модели, отражающей характер
изменения точности обработки или точности систем станка во вре-
мени.
Диагностирование является эффективным средством повышения
надежности станков и станочных систем. При этом осуществляют
направленный сбор текущей информации о состоянии станка и его
важнейших узлов и элементов. Для сбора информации используют
преобразователи, дающие сигнал по естественным для станка воз-
мущениям или на основе специально возбуждаемых периодических
воздействий. Поиск и диагностику ошибок, неисправностей, опасных
отклонений от нормальной работы осуществляют различными мето-
дами. При использовании функциональной модели станок и его
отдельные узлы (привод подачи, несущая система) разбивают на
конечное число функциональных блоков с одним выходным контроли-
руемым параметром. Совокупность выходных параметров, связанных
в единую систему, служит основой модели всего узла или всего
станка.
Диагностирование ведут на основе алгебры логики; дефектное
состояние функционального блока соответствует нулевому значению
параметра, а нормальное состояние соответствует булевому значе-
нию «1». Конкретный набор булевых значений оценочных параметров
18
характеризует определенный вид отказа и соответствующим образом
кодируется. Для быстрого анализа ситуации и нахождения дефект-
ного блока составляется диагностическая матрица и соответству-
ющая программа для ЭВМ. При этом методе диагностика носит ди-
скретный характер.
При непрерывном действии станка или его узла используют па-
раметрический метод диагностики. В этом случае математическую
модель станка составляют в виде системы дифференциальных урав-
нений. а параметры в уравнениях уточняют по экспериментальным
данным. В соответствии с принятой целевой функцией для станка
или его узла выбирают критерии оптимизации, по которым на основе
текущей информации осуществляется непрерывное регулирование
(адаптивное управление) и диагностика.
Иногда используют энергетическую модель, основу которой со-
ставляет диаграмма распределения энергетического потока при опти-
мальных условиях работы станка. Значения параметров уточняют
экспериментально. Изменение распределения потоков энергии, фик-
сируемое встроенными в станок датчиками, анализируется; оно
является основой диагностического контроля.
Для повышения надежности станков и автоматических станочных
систем целесообразно: оптимизировать сроки службы наиболее
дорогостоящих механизмов и деталей станков на основе статистиче-
ских данных и тщательного анализа с использованием средств вычис-
лительной техники; обеспечивать гарантированную точностную на-
дежность станка и соответствующую долговечность ответственных
подвижных соединений (опор и направляющих); применять материалы
и различные виды термической обработки, обеспечивающие высокую
стабильность базовых деталей несущей системы на весь срок службы
станка; устранять в ответственных соединениях трение скольжения,
применяя опоры и направляющие с жидкостной и газовой смазкой;
применять в наиболее ответственных случаях при использовании
сложных систем автоматического станочного оборудования принцип
резервирования, резко повышающий безотказность системы; распро-
странять в станках профилактические устройства обнаружения
и предупреждения возможных отказов по наиболее вероятным при-
чинам.
§ 4. ГИБКОСТЬ
Гибкость станочного оборудования — способность к бы-
строму переналаживанию при изготовлении других, новых деталей.
Чем чаще происходит смена обрабатываемых деталей н чем большее
число разных деталей требует обработки, тем большей гибкостью
должен обладать станок или соответствующий набор станочного обо-
рудования. Гибкость характеризуют двумя показателями — универ-
сальностью и переналаживаемостью.
Универсальность определяется числом разных деталей, подлежа-
щих обработке на данном станке, т. е. номенклатурой И обрабаты-
ваемых деталей. При этом следует иметь в виду, что отношение годо-
19
вого выпуска У к номенклатуре И определяй1 серийность изготов-
ления
s = N/N. (2.17)
Целесообразная гибкость оборудования связана с номенклатурой
обрабатываемых деталей (рис. 2.3).
Переналаживаемость определяется потерями времени и средств
на переналадку станочного оборудования, при переходе от одной
партии заготовок к другой партии. Таким образом, переналаживае-
мость является показателем -гибкости оборудования и зависит от
Рис. 2.3. Примерные области использова-
ния станочного оборудования различной уни-
версальности:
i — автоматические линии; 2 — переналаживае-
мые автоматические линии; 3 — гибкие станоч-
ные системы; 4 — станочные модули н станки
С : ЧПУ; 5 — станки с ручным управлением
Рис. 2.4. Оптимизация размера пар-
тии в зависимости от гибкости обо-
рудования:
1 — затраты на незавершенную про-
дукцию; 2 — затраты на переналадку;
3,4 — суммарные затраты
числа Р партий деталей, обрабатываемых на данном оборудовании
в течение года. При этом средний размер партии
р = NIP ’ (2.18)
связан с характером производства и с переналаживаемостью обору-
дования.
Для каждого вида станочного оборудования существуют вполне
определенные затраты на каждую переналадку (рис. 2.4). С увеличе-
нием числа деталей в партии общие затраты на переналадку сни-
жаются, но при этом увеличиваются затраты на хранение деталей,
которые не сразу идут в дальнейшую работу, например, на сборку,
а создают незавершенное производство. Таким образом, для каждого
вида станочного оборудования с его переналаживаемостью суще-
ствует оптимальный размер партии обрабатываемых деталей. Чем
меньше оптимальный размер партии, тем большей гибкостью обла-
дает станочное оборудование. Применение средств вычислительной
техники для управления станками, оснащение их манипуляторами
и устройствами ЧПУ позволили существенно повысить гибкость
оборудования при высокой степени автоматизации.
20
§ 5. ТОЧНОСТЬ
Точность станка в основном предопределяет точность
обработанных на нем изделий. По характеру и источникам возник-
новения все ошибки станка, влияющие на погрешности обработан-
ной детали, условно разделяют на несколько групп.
Геометрическая точность зависит от ошибок соединений и влияет
на точность взаимного расположения узлов станка при отсутствии
внешних воздействйй. Геометрическая точность зависит главным
образом от точности изготовления соединений базовых деталей и
от качества сборки станка. На погрешности в расположении основ-
ных узлов станка существуют нормы; соответствие этим нормам
проверяют для нового станка и периодически при его эксплуатации.
Нормы на допустимые для данного станка геометрические погреш-
ности зависят от требуемой точности изготовления на нем деталей.
Кинематическая точность необходима для станков, в которых
сложные движения требуют согласования скоростей нескольких
простых. Нарушение согласованных движений нарушает правиль-
ность заданной траектории движения инструмента относительно за-
готовки и искажает тем самым форму обрабатываемой поверхности.
Особое значение кинематическая точность имеет для зубообрабаты-
вающих, резьбонарезных и других станков для сложной контурной
обработки.
Жесткость станков характеризует их свойство противостоять
появлению упругих перемещений под действием постоянных или
медленно изменяющихся во времени силовых воздействий. Жест-
кость — отношение силы к соответствующей упругой деформации 6
в том же направлении
j = F/6. (2.19)
Величину, обратную жесткости, Называют податливостью
с = 1// = 6/F. (2.20)
Податливость сложной системы из набора упругих элементов,
работающих последовательно, равна сумме податливостей этих
элементов:
с0 = U с,. (2.21)
1=1
Жесткость станка, его несущей системы должна обеспечить
упругое перемещение между инструментом и заготовкой в заданных
пределах, зависящих от требуемой точности обработки. Жесткость
и соответственно податливость базовых деталей станка из чугуна
или стали подчиняются закону Гука и для каждой детали есть вели-
чина постоянная. Жесткость большинства соединений, таких, как
неподвижные стыки, направляющие, подшипники качения и сколь-
жения, не является постоянной величиной вследствие отсутствия
прямой пропорциональности между силой и упругим перемещением.
21
В этом случае жесткость следует понимать как отношение прираще-
ния силы к соответствующему приращению перемещения
/«-S-. (2-22)
Жесткость несущих систем станков при большом числе упругих
деталей и соединений между ними обычно близка к постоянному
значению (рис. 2.5). Жесткость же отдельных .соединений, предва-
рительно не затянутых й имеющих зазоры, существенно нелинейна
и зависит от характера приложения силы. Кроме того, жесткость
^,мкм
Рис. 2.5. Жесткость несущей системы
станка:
1 — упругие перемещения резца относи-
тельно заготовки; 2 — перемещения конца
шпинделя; 3 — упругие перемещения сто-
ла н станины
по результатам испытания 25 токар-
ных станков:
1 — у переднего центра; 2 — в середине
рабочего пространства; з — у заднего
центра
соединений зависит от случайных изменений рельефа контактиру-
ющих поверхностей в первую очередь от шероховатости и волни-
стости. В связи с этим жесткость соединений и жесткость сложных
деталей, изменяющаяся из-за изменения, например, толщины сте-
нок, могут влиять на разброс значений жесткости даже одинаковых
станков (рис. 2.6). На общую жесткость станков большое влияние
оказывают соединения инструмента и заготовки с соответствующими
узлами станка, поскольку эти соединения типа конусов, кулачков
патрона, центровых отверстий имеют небольшую жесткость. Для
повышения общей жесткости станка целесообразно выявлять эле-
менты с пониженной жесткостью и затем принимать меры к ее повы-
шению до уровня жесткости других последовательно нагруженных
упругих звеньев.
Виброустойчивость станка или динамическое его качество опре-
деляет его способность противодействовать возникновению колеба-
ний (рис. 2.7), снижающих точность и производительность станка.
Наиболее опасны колебания инструмента относительно заготовки.
Вынужденные колебания возникают в упругой системе станка
из-за неуравновешенности вращающихся звеньев привода и роторов
22
электродвигателей, из-за периодических погрешностей в передачах
и от внешних периодических возмущений. Особую, опасность при
вынужденных колебаниях представляют резонансные колебания,
возникающие при совпадении частоты внешних воздействий с часто-
той собственных колебаний одного из упругих звеньев станка. Авто-
колебания или самовозбуждающиеся колебания связаны с харак-
тером протекания процессов резания и трения в подвижных соеди-
нениях. В условиях потери устойчивости возникают колебания, кото-
рые поддерживаются внешним источником энергии от привода
станка.
Рнс. 2,7, Формы колебаний станка:
х, у, Z — амплитуды колебаний, мкм
Параметрические колебания имеют место при периодически изме-
няющейся жесткости, например, при наличии шпоночной канавки
на вращающемся валу. Возникающие при этом колебания сходны
с вынужденными колебаниями.
Низкочастотные фрикционные колебания наблюдаются при пере-
мещении узлов станка недостаточно жестким приводом в условиях
трения скольжения. В этих случаях непрерывное движение узла
может при определенных условиях превратиться в прерывистое
с периодически чередующимися скачками и остановками.
Колебания в упругой системе станка возникают также во время
переходных процессов, обусловленных пуском, остановкой, резким
изменением режима работы.
Основные пути повышения виброустойчивости станков: устране-
ние источников периодических возмущений; подбор параметров
упругой системы для обеспечения устойчивости; повышение демпфи-
рующих свойств; применение систем автоматического управления
уровнем колебаний. - '
Теплостойкость станка характеризует его сопротивляемость воз-
никновению недопустимых температурных деформаций при дей-
23
Рис. 2.8. Температурные смещения:
1 — при постоянном источнике нагрева;
2 — при чередующихся периодах вклю-
чения н выключения источника нагрева
ствии тех или иных источников*
теплоты. К основным источникам
теплоты относятся процесс реза-
ния, двигатели, подвижные со-
единения, особенно при значитель-
ных скоростях относительного дви-
жения. При постоянно действу-
ющем источнике теплоты нагрев и
температурное смещение изменя-
ются с течением времени по экс-
поненте
6t = 60(l — е~“т), (2.23)
где т — время; а — коэффициент, зависящий от материала и кон-
струкции; 60 = при т ->-оо.
При чередующихся с паузами периодах работы изменения тем-
пературных смещений носят случайный характер (рис. 2.8), что услож-
няет применение различных методов компенсации температурных
погрешностей.
Точность позиционирования характеризуется ошибкой вывода
узла станка в заданную позицию по одной или нескольким коорди-
натам. На точность позиционирования влияет большое число си-
стематических и случайных погрешностей. Стабильность позициони-
рования определяют зоной рассеяния (дисперсией) положений узла
станка при его подводе к определенному положению с одного и toi;o
же направления. Ошибку перемещения характеризуют системати-
ческой составляющей при фиксированном направлении подвода.
Зоной нечувствительности называют разность ошибок положения
узла при подводе его к заданой точке с разных сторон.
Точность позиционирования является важной характеристикой
качества всех станков с числовым программным управлением. Если
известна характеристика точности позиционирования для данного
конкретного станка, то ее можно уточнить при отработке управля-
ющей программы.
ГЛАВА 3
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ НА СТАНКАХ
Тело любой детали есть замкнутое пространство, ограни-
ченное реальными геометрическими поверхностями, которые обра-
зованы в результате обработки тем или иным способом (литьем, штам-
повкой, резанием и т. д.). При этом какой бы способ обработки ни
был применен, реальные поверхности детали всегда отличаются
от идеальных геометрических поверхностей, которыми мы мысленно
оперируем при конструировании. Поверхности, полученные на ме-
таллорежущих станках резанием, отличаются от идеальных формой,
24
размерами и шероховатостью. Теоретически процесс формирования
реальных поверхностей на станках аналогичен процессу образова-
ния идеальных поверхностей в геометрии, т. е. базируется на идеаль-
ных геометрических представлениях.
Любую поверхность можно представить как след движения
одной линии (образующей) по другой (направляющей). Обе эти
линии называют производящими, причем образующая может быть
направляющей, и наоборот. Например, круговая цилиндрическая
поверхность может быть представлена как след движения прямой
линии по окружности (рис. 3.1, а) или след движения окружности
по прямой (рис. 3.1, б). Боковую поверхность зуба прямозубого
цилиндрического колеса можно рассматривать как след движения
Рис. 3.1. Образование поверхностей:
I — образующая пронвводящая линия; 2 — направляющая производящая линия
эвольвенты вдоль прямой линии (рис. 3.1, в) или след движения пря-
мой по эвольвенте (рис. 3.1, г). Таким образом, с геометрической
точки зрения процесс образования поверхности сводится к осуще-
ствлению движения одной производящей линии по другой.
Производящие линии на станках образуются материальными
точками и линиями режущей кромки инструмента за счет согласо-
ванных относительных движений заготовки и инструмента. Причем
следует подчеркнуть, что почти все производящие линии на станках
непрерывно образуются (имитируются) в течение всего времени фор-
мирования поверхности. В процессе непрерывной имитации обеих
производящих линий и формируется с помощью резания требуемая
поверхность.
Согласованные относительные движения заготовки и режущего
инструмента, которые непрерывно создают производящие линии,
а следовательно, поверхность заданной формы в целом, называют
формообразующими (рабочими) и обозначают буквой Ф. В зависи-
мости от формы производящей линии и метода ее образования дви-
жения формообразования могут быть простыми и сложными. К про-
стым движениям формообразования относят вращательное, которое
обозначают Ф (В), и прямолинейное — Ф (П).
Сложными формообразующими движениями являются те, траек-
тории которых образуются в результате согласованности взаимо-
зависимых двух и более вращательных или прямолинейных движе-
ний, а также их сочетаний. Примеры условной записи сложных
формообразующих движений: Ф (ВХВ2), Ф (ВХВ2), Ф (ВХП2П3) и т. п.
25
Запись двух и более простых движений в одних общих скобках
говорит о том, что они зависят друг от друга и тем самым создают
единое сложное движение.
§ 1. МЕТОДЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДЯЩИХ ЛИНИЙ
При обработке поверхностей резанием в зависимости от
вида режущего инструмента и формы его режущей кромки исполь-
зуют четыре метода образования производящих линий; копирование,
обкат, след и касание. Сущность этих методов рассмотрим на при-
мере образования дуги окружности и выявим число и характер фор-
мообразующих движений для осуществления каждого метода.
Рис. 3.2. Методы образования производящих линии:
1 — линия режущей кромки инструмента; 2 — образуемые производящие лиинн; 3 — тра-
ектория движения точки А режущей кромки инструмента; 4 — режущая точка инструмента;
5 — точки касания образуемой производящей линии режущей точной 4 инструмента; 6 =
траектория режущей точки 4 инструмента; щ, о, — относительные скорости
Метод копирования (рис. 3.2, о) состоит в том, что форма про-
изводящей линии получается в виде копии (отпечатка) формы режу-
щей кромки инструмента или его профиля. Другими словами, формы
образуемой производящей линии и режущей кромки инструмента
совпадают (идентичны). Этот метод применяют в тех случаях, когда
для получения производящих линий используют фасонный режущий
инструмент. В связи с тем, что форма образуемой производящей
линии уже заложена непосредственно в режущем инструменте, для
получения производящей линии методом копирования не требуется
никакого формообразующего движения.
Метод обката (рис. 3.2, б) заключается в том, что форма обра-
зуемой производящей линии возникает в виде огибающей ряда
26
последовательных положений, занимаемых режущей кромкой ин-
струмента при обкатывании ею без скольжения образуемой линии.
В процессе получения производящей линии либо режущая кромка
инструмента катится по образуемой ею же линии, либо они взаимно
обкатываются. Другими словами, образуемая производящая линия
и линия режущей кромки инструмента должны быть взаимоогибае-
мыми. Для получения производящей линии методом обката требуется
одно, но всегда сложное формообразующее движение — движение
обката (качения).
Метод следа (рис. 3.2, в) состоит в том, что форма производящей
линии получается в виде следа режущей точки (практически это
весьма короткий отрезок линии) кромки инструмента при относи-
тельном движении заготовки и инструмента. Поэтому для получения
производящей линии методом следа необходимо одно простое или
сложное формообразующее движение (в зависимости от формы об-
разуемой линии).
Метод касания (рис. 3.2, а) заключается в том, что форма про-
изводящей линии возникает в виде огибающей мест касания множе-
ства режущих точек вращающегося инструмента в результате отно-
сительных движений оси вращения инструмента (шпинделя) и заго-
товки. Этот метод характерен при образовании производящих линий
с участием таких инструментов, как фрезы и шлифовальные круги»
имеющих множество режущих точек, а следовательно, точек касания,
формирующих траекторию образуемой производящей линии. Для
получения производящей линии методом касания требуется два,
реже три формообразующих движения.
§ 2. ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Процесс образования поверхностей резанием состоит в том,
что за счет согласованных относительных движений заготовки и
инструмента непрерывно образуются обе производящие линии при
одновременном относительном их перемещении. Каждая производя-
щая линия образуется одним из указанных выше четырех методов,
поэтому образование поверхностей характеризуется сочетанием двух
из четырех методов образования производящих линий, причем это
может быть сочетание одноименных методов. Например, при образо-
вании круговой цилиндрической поверхности с помощью резца обе
производящие линии (окружность и прямая) получаются одним
и тем же методом — методом следа (рис. 3.3, а). В общем случае
число движений формообразования для создания поверхности опре-
деляется суммой движений формообразования, необходимых для
образования обеих производящих линий. Однако нередко встре-
чаются случаи, когда одно вращательное движение одновременно
участвует в создании обеих производящих линий, необходимых для
образования поверхности, т. е. вращательное движение выполняет
сразу две функции. Существуют две формы участия вращательного
Движения в одновременном образовании обеих производящих линий:
1) вращательное движение по отношению к каждой из двух произво-
27
дящих линий выступает как отдельно взятое движение формообра-
зования, например, вращательное движение фрезы при обработке
штампов, и пресс-форм концевыми фрезами со сферическим режущим
концом; 2) вращательное движение, участвующее в процессе образо-
вания поверхности, по отношению к одной производящей линии вы-
ступает в роли формообразующего движения, а по отношению к дру-
гой является составной частью сложного формообразующего движе-
ния, необходимого для образования второй производящей линии,
например, вращательное движение фрезы при обработке цилиндриче-
ских колес червячными фрезами. Во всех подобных случаях общее
число формообразующих движений при формировании поверхностей
Рис. 3.3. Исполнительные движения:
а — формообразования; 6 — установочное; в — врезания; г — деления
резанием становится меньше на единицу по отношению к теоретически
подсчитанной сумме и практически не превышает трех. Поэтому
металлорежущие станки бывают с одним, двумя или тремя движе-
ниями формообразования.
Так как в металлорежущих станках образование поверхностей
осуществляется резанием, то все формообразующие движения станка
одновременно являются движениями резания. Причем если в станке
имеется одно движение формообразования, то оно является движе-
нием скорости резания (обозначается Фо). Если в станке есть два
движения формообразования, то одно из них, имеющее большую
скорость, является движением скорости резания Фи, а второе,
имеющее меньшую скорость, является движением подачи (обозна-
чается Ф8). Из трех движений формообразования в станке одно
будет движением скорости резания Фо, имеющим наибольшую ско-
рость, а два других — движениями подачи Ф81 и Фй2-
28
§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В СТАНКАХ
Все движения в станках, в том числе и формообразующие,
называются исполнительными. По целевому признаку их можно
разделить на движения: формообразования Ф, установочные Уст,
деления Д, управления Упр, вспомогательные Всп (определение
формообразующих движений дано выше).
Установочными называют движения заготовки и инструмента,
необходимые для перемещения их в такое относительное положение,
при котором становится возможным с помощью формообразующих
движений получать поверхности, требуемого размера. Примером
установочного движения является поперечное движение Уст (П)
резца для установления его в положение, позволяющее получить
круговой цилиндр требуемого диаметра D (рис. 3.3, б). Иногда
установочное движение, при котором отсутствует резание, назы-
вают наладочным.
Есди при установочном движении происходит резание материала,
то такое движение называют движением врезания (обозначается Вр).
Например, поперечное перемещение резца для образования канавки
требуемого диаметра d (рис. 3.3, в) будет движением врезания Вр (П).
Иногда движение врезания по своей структуре может совпадать с дви-
жением формообразования или осуществляться одновременно с ним.
Делительными называют движения, необходимые для обеспече-
ния равномерного расположения на заготовке одинаковых обра-
зуемых поверхностей. Например, при нарезании двухзаходной
резьбы фасонным резцом после нарезания одной винтовой канавки
требуется повернуть заготовку на 180° для нарезания второй винто-
вой канавки. Поворот заготовки на 180° и будет делительным дви-
жением. Движением деления будет также движение Д (В) поворота
дисковой фрезы на угол а при затыловании ее зубьев (рис. 3.3, г).
Делительные движения могут быть периодическими или непре-
рывными, что зависит в основном от конструкции режущего инстру-
мента. Непрерывные делительные движения по своей структуре сов-
падают с одним из формообразующих движений, которое выполняет
одновременно процессы формообразования и деления.
К вспомогательным движениям относятся движения, обеспечи-
вающие установку, зажим, освобождение, транспортирование, быст-
рое перемещение заготовки и режущего инструмента в зону реза-
ния, охлаждение, смазывание, удаление стружки, правку инстру-
мента И Т; п.
К движениям управления относят те, которые совершают органы
управления, регулирования и координирования всех других испол-
нительных движений станка. К таким органам относятся муфты,
реверсирующие устройства, кулачки, ограничители хода и др.
Определяющую роль в формировании кинематической структуры
станка играют движения формообразования, установочные (вре-
зания) и деления.
Любое исполнительное движение в станке можно охарактеризо-
вать пятью пространственными параметрами: траекторией, скоростью,
29
направлением, путем и исходной точкой. Наиболее важными пара-
метрами любого движения являются траектория и скорость.
В зависимости от характера исполнительного движения, формы
его траектории, схемы резания, вида и конструкции режущего
инструмента движение теоретически можно настраивать по двум,
трем, четырем или пяти параметрам. Наибольшее число параметров
настройки может потребоваться лишь сложному движению с незамк-
нутой траекторией. По четырем параметрам(за исключением настройки
на траекторию) осуществляется настройка простого движения- с не-
замкнутой траекторией, по трем параметрам (на траекторию, ско-
рость и направление) — сложное движение с замкнутой траекторией.
§ 4. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ГРУППА
Каждое исполнительное движение в станках осуществ-
ляется кинематической группой, представляющей собой совокуп-
ность источника движения, исполнительного органа (органов),
кинематических связей и органов настроек., обеспечивающих требуе-
мые параметры движения. Название кинематической группы ана7
логично названию создаваемого ею исполнительного движения.
Например, группу, создающую формообразующее движение, назы-
вают формообразующей группой и т. п.
Структура кинематической группы может быть разнообразной
и зависит от характера осуществляемого движения, числа исполни-
тельных органов, потребности регулирования параметров движения.
Под исполнительными органами понимают подвижные конечные
звенья кинематической группы, непосредственно участвующие в об-
разовании траектории исполнительного движения. Исполнительные
органы, осуществляющие абсолютное или относительное движение
заготовки или режущего инструмента в процессе формообразования,
называют рабочими. Например, рабочими органами являются такие
группы делятся на
звенья станка, как стол, шпиндель, суппорт, ползун и т. п.
В большинстве случаев исполнительные органы совершают
вращательное или прямолинейное движение, т. е. являются подвиж-
ными звеньями вращательной или поступательной исполнительной
кинематической пары (рис. 3.4).
В зависимости от числа исполнительных органов кинематические
простые и сложные. Простые группы имеют
один исполнительный орган, а сложные —
два и более исполнительных органов.
Любая кинематическая группа включает
в себя два качественно различных вида ки-
нематической связи— внутреннюю и внеш-
нюю.
Под кинематической связью в станках
понимают такую связь между звеньями или
Рис. 3.4. Исполнительные кинематические пары;
а — вращательная; б поступательная
30
исполнительными органами станка, которая накладывает условия
ограничения, не позволяющие занимать произвольные положения
в пространстве относительно друг друга и иметь произвольные
скорости.
Под внутренней кинематической связью группы понимают сово-
купность кинематических звеньев и их соединений, обеспечивающих
качественную характеристику движения, т. е. его траекторию.
Внутренняя кинематическая связь группы в станках реализуется
разными путями в зависимости от характера исполнительного
движения, числа исполнительных органов в группе, требуемой точ-
ности образуемой производящей линии (траектории движения) и
других факторов. Например, в простых кинематических группах
она осуществляется соединением двух соприкасающихся звеньев
исполнительной группы, одним из которых является сам исполни-
тельный орган 1 группы, т. е. шпиндель, стол (рис. 3.4, а), ползун
(рис. .3.4, б) и т. д.
В сложных кинематических группах с двумя и более исполни-
тельными органами внутренняя кинематическая связь реализуется
в виде кинематической цепи (цепей), связывающей подвижные
исполнительные органы группы и обеспечивающей строгую функ-
циональную согласованность их перемещений или скоростей. Эти
цепи называют внутренними или функциональными. Причем кине-
матическое соединение исполнительных органов сложной группы
может быть как механическим, т. е. цепью механических передач,
так и немеханическим, например, в виде электрической цепи, как
в станках с ЧПУ. Необходимое минимальное число внутренних ки-
нематических цепей в сложной группе ие должно быть меньше,
чем на единицу числа исполнительных органов. Например
(рис. 3.5, а), группа, обеспечивающая сложное движение (В1В2)
и имеющая два исполнительных органа / и //, должна содержать
в своей структуре, как минимум, одну внутреннюю кинематическую
цепь 1—4—2 между исполнительными органами х.
Под внешней кинематической связью группы понимают совокуп-
ность кинематических звеньев и их соединений, обеспечивающих
количественные характеристики движения, т. е. его скорость, на-
правление, путь и исходную точку. Обычно внешняя кинематическая
связь сложной группы реализуется в виде кинематической цепи 3—4
между источником движения М и одним из звеньев внутренней
связи группы. Для простой кинематической группы внешняя ки-
нематическая связь есть цепь !—2 между источником движения М
и исполнительным органом группы / (рис. 3.5, б). Внешняя кине-
матическая связь предназначена для передачи энергии от источника
движения М во внутреннюю связь группы.
На рис. 3.5, в показана структурная схема кинематической
группы, обеспечивающей исполнительное движение (В^^Пз) и
1 Здесь и далее иа структурных кинематических схемах кинематические цепи
с механическими звеньями обозначены штриховыми линиями, а немеханические
Участки цепей — двумя штриховыми линиями.
31
имеющей три исполнительных органа. Для обеспечения функцио-
нальной согласованности перемещений или скоростей исполнитель-
ных органов /, II, III достаточно двух функциональных кинема-
тических цепей, например, 1—5—2 и 2—5—3 или другого их соче-
тания. Внешняя кинематическая связь группы реализуется кине-
матической цепью 4—5.
Для изменения и регулирования параметров движения в станках
используют специальные устройства, которые в общем случае на-
зываются органами настройки. Органы настройки таких параметров
движения, как траектория, скорость и иногда путь, на структурных
Рис. 3.5. Структурные схемы кинематических групп:
а — сложной с двумя исполнительными органами; б — простой; в — сложной с тремя
исполнительными органами
схемах обозначают знаком с буквой i, а орган настройки
направления движения—знаком || ||. Заштрихованная часть
знака указывает на фактическое направление передачи дви-
жения через орган настройки. Органы настройки движения на
исходную точку и в большинстве случаев на путь в структурных
схемах не показывают, так как регулирование этих параметров
обычно осуществляется вручную.
Органы настройки, регулирующие количественные характери-
стики движения, т. е. изменяющие скорость, направление, путь и
исходную точку, всегда располагают во внешней связи кинематиче-
ской группы (в цепи между источником движения и внутренней
кинематической связью группы).
Органы настройки, регулирующие качественную характеристику
движения, т. е. его траекторию, располагают только во внутренней
32
кинематической связи группы. Причем в простых кинематических
группах, имеющих один исполнительный орган и обеспечивающих
вращательное или прямолинейное движение, необходимость в органе
настройки на траекторию отсутствует. Это связано с тем, что траек-
тория движения в таких группах неизменна и обеспечивается харак-
тером соединения звеньев исполнительной кинематической пары,
одним из которых является сам исполнительный орган.
Сложные кинематические группы всегда имеют органы настройки
на траекторию. Таких органов может быть несколько, но не меньше
числа внутренних кинематических цепей в группе. Например, если
группа имеет две внутренние кинематические цепи, то органов
настройки на траекторию должно быть, как минимум, два, т. е.
по органу настройки на каждую внутреннюю кинематическую цепь.
§ 5. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ структура станков
Кинематическая структура станка представляет собой
совокупность кинематических групп; Группы могут быть соединены
между собой разными способами; их соединение зависит от многих
факторов. Наибольшее влияние на соединение кинематических
групй оказывают общность их исполнительных органов и источника
движения, а также необходимость координации во времени создавае-
мых группами движений. Всякое соединение двух кинематических
групп осуществляется специальными дополнительными устрой-
ствами, такими, как суммирующие механизмы, реверсы, муфты и т. д.
Главной и определяющей частью кинематической структуры
любого станка является его формообразующая часть, составляющая
общее число и характер групп формообразования, а также их кине-
матическое соединение. По этому признаку все многообразие кине-
матических структур металлорежущих станков можно разделить
на три класса.
1. Класс элементарных структур Э, к которому относятся станки
с кинематической структурой, содержащей только простые группы
формообразования, т. е. группы, создающие движение Ф (В) и Ф.(П).
2: Класс сложных структур С, к которому относятся станки
с кинематической структурой, содержащей только сложные группы
формообразования, т. е. группы, создающие движения Ф (ВХВ2),
Ф (В3П4П5) и т. д.
3. Класс комбинированных структур К, к которому относятся
станки с кинематической структурой, содержащей одновременно
и простые и сложные группы формообразования.
Каждый класс содержит определенное число типовых кинема-
тических структур станков, которое можно условно записать буквой
с последующими двумя цифрами. Буква указывает на класс, первая
цифра—на число формообразующих групп, вторая цифра,— на
суммарное число простых вращательных и прямолинейных движений,
составляющих все формообразующие движения станка. Например,
запись К24 означает, что станок имеет комбинированную структуру,
две группы формообразования с четырьмя простыми движениями.
2 П/р В. Э. Пуша 33
Если учесть, что максимально возможное число групп формооб-
разования в структуре станка равно трем, то можно составить таб-
лицу типовых кинематических структур всех станков (табл. 3.1).
При составлении и анализе кинематической структуры станков
следует четко представлять себе изделие в целом и те его поверх-
ности, которые должны быть обработаны резанием. Это означает,
что обработанную поверхность необходимо охарактеризовать как
в поперечном, так и в продольном сечениях, т. е. установить соот-
при относительном движении
которых может быть образо-
вана данная поверхность.
Необходимо также отчет-
ливо представлять себе кон-
струкцию режущего инстру-
мента и форму его режущих
кромок, а также относитель-
ное взаимное положение об-
рабатываемой заготовки и
инструмента в процессе фор-
мообразования требуемой по-
верхности.
Анализ и сопоставление
форм производящих линий
и режущей кромки инстру-
мента, а также учет специ-
фики обработки (фрезерова-
ние, шлифование и т. д.) по-
зволяли установить метод
образования поверхности, а
также количество, характер
и состав движений формо-
ветствующие производящие линии,
3.1. Кинематические структуры станков
Класс структуры Структура станка при числе групп формообразования
1 2 3
Элеменгар ный эп Э22 эзз
Сложный С12 С13 С14 С24 (С25) (С36) (С37)
Комбини- рованный — К23 К24 К25 (К26) К34 (К35) (К36) (К37)
Примечание. В скобках ука-
заны структуры станков, которые редко
встречаются в станкостроении.
образования, необходимых для реализации выбранного метода.
Устанавливая методы образования производящих линий, необ-
ходимо иметь в виду следующее.
1. Если для обработки используют фасонный режущий инстру-
мент (резец, фрезу, шлифовальный круг и т. д.), то первая обра-
зующая производящая линия получается методом копирования, вто-
рая производящая линия (направляющая) методом следа или касания.
2. Если поверхность фрезеруют или шлифуют при относительном
перемещении заготовки или инструмента, то хотя бы одна из про-
изводящих линий образуется методом касания.
В результате анализа схемы резания, расположения обрабаты-
ваемых поверхностей и конструкции инструмента устанавливают
потребность в движениях деления и врезания, н если они необхо-
димы, то определяют их характер. После того как определены все
движения формообразования, деления и врезания, которые опре-
деляют кинематику станка в основном, можно приступать к состав-
лению и анализу структур кинематических групп, обеспечивающих
эти движения.
34
Составление и анализ структур кинематических групп станка
проводят последовательно от одной к другой в следующем порядке.
1. Устанавливают число исполнительных органов; как правило,
оно соответствует числу простых движений, образующих исполни-
тельное движение.
2. Определяют внутреннюю кинематическую связь группы; для
простых групп — это связь между звеньями кинематической испол-
нительной пары, а для сложной группы — функциональные цепи
(цепь) между исполнительными органами.
3. Определяют источник движения и внешнюю кинематическую
связь группы.
4. Устанавливают число и расположение органов настройки
параметров движения.
Примечания: 1. Иногда исполнительные органы могут одновременно
принадлежать двум или более кинематическим группам.
2. Нередко один и тот же источник движения принадлежит нескольким или
всем кинематическим группам.
§ 6. кинематическая настройка станков
Под кинематической настройкой станка понимают на-
стройку его цепей, обеспечивающую требуемые скорости движений
исполнительных органов станка, а также, при необходимости, усло-
вия кинематического согласования перемещений или скоростей
исполнительных органов между собой. Цель таких согласований —
образование поверхности с заданными формой, рзмерами, точностью
и шероховатостью. Кинематическая настройка является составной
частью наладки станка.
В большинстве металлорежущих станков с механическими свя-
зями для настройки кинематических цепей применяют органы кине-
матической настройки в виде гитар сменных зубчатых колес, а также
ременных передач, вариаторов, регулируемых электродвигателей,
коробок скоростей и подач, характеристикой которых является
общее передаточное отношение I органа.
Значение передаточного отношения органа настройки опреде-
ляют по формуле настройки и затем реализуют в гитарах сменных
зубчатых колес подбором и установкой соответствующих колес
в гитаре, а в коробках скоростей и подач — зацеплением соответ-
ствующих зубчатых колес.
Для вывода формулы настройки любого органа кинематической
настройки необходимо по кинематической схеме станка наметить
такую цепь передач, в которой расположен данный орган и известны
перемещения или скорости конечных звеньев этой цепи, связанные
функциональной или требуемой зависимостью. Желательно, чтобы
такая цепь передач, называемая в дальнейшем цепью согласования,
включала в себя только один орган настройки, для которого выво-
дят формулу.
Для выбранной цепи согласования составляют условие кинема-
тического согласования перемещений ее конечных звеньев, совер-
2* 35
Рис. 3.6. Схема расположения и от-
носительных движений обрабаты-
ваемого зубчатого колеса и шли-
фовального круга в процессе формо-
образования
шающихся в течение определенного
промежутка времени, или их ско-
ростей. Эти перемещения могут быть
угловыми, линейно-угловыми и ли-
нейными. С учетом условия согла-
сования перемещений или скоростей
составляют уравнение кинематиче-
ского баланса цепи согласования,
в котором неизвестным является пе-
редаточное отношение i органа на-
стройки. При этом следует учиты-
вать, что при совпадении порядка
записи с направлением передачи
движения через орган настройки
символ i записывают в числитель;
при отсутствии этого условия —
в знаменатель. Уравнение баланса
можно записывать от любого конца
цепи согласования. Решение уравне-
ния баланса относительно переда-
точного отношения органа настройки представляет собой формулу
настройки.
В общем виде формула настройки показывает зависимость пере-
даточного отношения органа настройки от переменных параметров
условия кинематического согласования перемещений конечных
звеньев цепи согласования и ее постоянной, т. е. i ~ f (С, перемен-
ные параметры условия согласования), где i — передаточное отно-
шение органа настройки; С — постоянная цепи согласования, за-
висящая от передаточных отношений ее промежуточных передач
и постоянных параметров условия согласования перемещений.
Рассмотрим методику анализа кинематической структуры станка
и его кинематическую настройку на примере зубошлифовального
станка для обработки прямозубых цилиндрических колес.
На данном стайке производится шлифование боковых поверх-
ностей зубьев прямозубых цилиндрических колес дисковым обкат-
ным кругом. В процессе формообразования оси обрабатываемого
колеса и шлифовального круга взаимно перпендикулярны (рис. 3.6).
Боковые поверхности зубьев обрабатываемого колеса в поперечном
сечении характеризуются эвольвентой, а в продольном — прямой
линией.
Для формирования боковой поверхности зубьев колеса в продоль-
ном направлении используют метод касания, который в данном слу-
чае реализуется двумя движениями формообразования — вращением
шлифовального круга Фо (BJ и возвратно-поступательным движе-
нием ползуна <PS1 (П2) вдоль зуба колеса.
Профиль шлифовального круга имеет очертание профиля зуба
прямозубой рейки, поэтому боковая поверхность зубьев колеса
в поперечном направлении образуется методом обката, для чего
необходимо одно сложное движение качения Ф52 (/73В4). Так как
36
шлифовальный круг имеет вид диска, шлифование боковых поверх-
ностей зубьев колеса ведется последовательно от одной впадины
к другой. Поэтому в станке должно быть движение деления Д (В3),
реализуемое поворотом колеса на определенный угол.
Таким образом, кинематическая структура анализируемого станка
должна содержать три группы формообразования и одну группу
деления, причем три из них простые и одна — сложная.
Рис. 3.7. Кинематическая схема станка для шлифования дисковым кругом прямо-
зубых цилиндрических колес
Теперь следует проанализировать структуру каждой кинематиче-
ской группы станка в отдельности (рис. 3.7).
Группа движения Фо {Вг). Исполнительным органом группы
является шпиндель шлифовального круга. Внутренняя кинематиче-
ская связь группы осуществляется через связь вращательной кине-
матической пары, подвижным звеном которой является шпиндель
круга, а неподвижным — опоры шпинделя. Внешняя кинематиче-
ская связь группы состоит из ременной передачи djd^, соединяющей
источник движения М± (электродвигатель) со шпинделем шлифоваль-
ного круга. Группа обеспечивает вращательное движение с замкну-
той траекторией, которое теоретически можно настраивать лишь по
двум параметрам — скорости и направлению. Однако- практической
37
необходимости в настройке движения по этим параметрам нет. и
поэтому его вообще не регулируют.
Группа движения Ф81 (/72). Исполнительным органом группы
является ползун, совершающий возвратно-поступательное движение
вместе с установленным на нем шлифовальным кругом. Внутренняя
кинематическая связь группы осуществляется через поступательную
кинематическую пару ползун — направляющие стойки. Внешняя
кинематическая связь представляет собой цепь между электродви-
гателем Л42 и ползуном. В ее состав входят следующие кинематиче-
ские пары, звенья и механизмы: Л42 ->• цилиндрическая пара i =
= —► кривошипный механизм -► ползун. Эта группа обеспечи-,
вает простое возвратно-поступательное движение с незамкнутой
траекторией; ее настраивают: на скорость — четырехскоростным
электродвигателем Л42; на путь — изменением величины эксцентри-
ситета пальца кривошипного диска; на исходную точку — измене-
нием положения точки крепления шатуна к ползуну.
Группа движения Ф82 (J7SB4). Эта кинематическая группа слож-
ная, так как должна обеспечивать движение обкатки обрабатывае-
мого зубчатого колеса относительно шлифовального круга, имитиру-
ющего зуб прямозубой рейки. Группа имеет два исполнительных
органа: шпиндель стола, на котором закрепляют обрабатываемое
колесо, и каретку, на которой смонтирован поворотный стол. Пово-
ротный стол получает вращательное движение В4, а каретка —
прямолинейное поступательное Л3. /
Внутренняя кинематическая связь группы осуществляется через
функциональную цепь между Кареткой и столом и имеет следующую
структуру: каретка (Л3) -+ пара винт—гайка с шагом р = 2л -►
96
->• цилиндрическая пара —► гитара профилирования inpo(J) -*•
-►суммирующий механизм (дифференциал) £-► червячная пара
4г -► стол (В4).
Внешняя кинематическая связь группы представляет собой цепь
между электродвигателем Л43 и звеном присоединения к внутренней
связи группы: 7И3 -► червячная пара > реверс Pt -► гитара
27 35 г,
подач is-► цилиндрические пары.и Вал с шестерней
z = 54 является звеном соединения внешней связи с внутренней.
Рассматриваемая группа обеспечивает сложное движение об-
ката <Z>S2 (П3В^ с незамкнутой траекторией, которое нужно -на-
страивать по пяти параметрам. На траекторию движения настраи-
вают гитару профилирования /прОф, на скорость — гитару подач is,
на направление — реверс Р1г на исходную точку — вручную пере-
мещение каретки с помощью ходового винта с шагом р = 2л, на
путь — относительное положение устройств, ограничивающих пере-
мещение каретки (на схеме они не показаны).
Группа движения Д(В3). Группа движения деления простая,
и ее исполнительным органом является шпиндель поворотного'
38
стола. Внутренняя кинематическая связь группы обеспечивается
связью вращательной кинематической пары поворотный стол —
каретка. Внешняя кинематическая связь группы представляет собой
кинематическую цепь от электродвигателя Л43 до шпинделя стола:
М3 -+ гитара скорости деления iCE.BWI ->• цилиндрические колеса
с i — 1 —делительный механизм с дисками Д и Д2-»- гитара деле-
ния 1дел суммирующий механизм £->-червячная пара
—> стол (В5).
Движение деления простое, с незамкнутой траекторией и на-
страивается* не по четырем параметрам, а по трем: на путь — гитарой
деления хдал: на скорость — гитарой скорости деления 1СК,№Л и на
исходную,точку—вручную. Настройку иа параметр направления
не применяют.
Так как группы движений Ф82 (/73В4) и Д (Вь) имеют общий
исполнительный орган — шпиндель стола, то они должны быть
кинематически соединены между собой. Группы соединены цилиндри-
ческим дифференциалом 2- Он позволяет, не прекращая движе-
ния Ф82 (Л3В^, осуществить делительное движение Д (В,,). По-
этому во время делительного процесса благодаря дифференциалу
шпиндель стола получает суммарное движение В4 ± В5. Сам же
делительный процесс наступает тогда, когда включена муфта /
и вынут из прорезей делительных дисков Дг и Дг фиксатор //, и
оканчивается после западания фиксатора одновременно в прорези
обоих делительных дисков и отключения муфты I. Так как шлифова-
ние впадин между зубьями обрабатываемого колеса происходит
последовательно, то за время одного делительного цикла обрабаты-
ваемое колесо, закрепленное на столе, поворачивается на-|- целого
оборота, где z — число зубьев обрабатываемого колеса.
В данном станке кинематическая настройка осуществляется
пятью органами настройки: электродвигателем М2 и четырьмя
гитарами сменных зубчатых колес (профилирования /ирОф, подач is,
деления 1деп и скорости деления гск.дел)- Каждый орган настройки
имеет свою формулу настройки.
1. Формула настройки скорости электродвигателя Мг. Электро-
двигатель служит не только источником движения ползуна с шлифо-
вальным кругом со скоростью /72, но и выполняет роль органа на-
стройки этой скорости.
Вывод формулы настройки:
а) кинематическая цепь согласования: электродвигателе М2 —
ползун;
б) условие согласования скоростей конечных звеньев цепи:
п2 электродвигателя ТИ2 *-• k ползуна,
где п2 — частота вращения электродвигателя М2, мин-1; k — число
двойных ходов ползуна в минуту; «— — знак соответствия.
в) уравнение кинематического баланса
„ 1 А ч »
пй 8 - « — 2L — 2.2Кв.д ’
ч 39
где v — скорость движения долбяка, м/мин; 7?к. д— радиус кри-
вошипного диска; м; L — ход долбяка, м;
г) формула настройки:
2. Формула настройки гитары профилирования 1прОф. Этой
гитарой устанавливается функциональное согласование перемещений
стола с заготовкой и каретки, т. е. производится настройка на траек-
торию движения Ф82 (/73В4).
Вывод формулы настройки:
а) кинематическая цепь согласования: шпиндель стола—каретка;
б) условие согласования перемещений конечных звеньев цепи:
1 об. заготовки *-► лтг [мм] перемещений каретки,
где т — модуль обрабатываемого зубчатого колеса, мм; г — число
зубьев обрабатываемого колеса;
• в) уравнение кинематического баланса: '
, „ 90 42 36 1 24 о
1 об. заготовки-—;---5;---vr~;------5s-2л = nmz;
1 21 27 1прОф 96
г) формула настройки:
_ 120
1проф — тг •
Следует заметить, что уравнение кинематического баланса любой
кинематической цепи согласования может быть записано в двух
вариантах. Вариант записи уравнения баланса зависит от того,
с какого конца цепи его записывают. В рассматриваемом случае
при втором варианте записи уравнение баланса цепи шпиндель
стола — каретка имеет вид
, 1 96 . 27 21 1 1
1 мм перемещения каретки•«проф
3. Формула настройки гитары подачи is. Этой гитарой устанав-
ливается согласование скоростей электродвигателя Мя и каретки,
т. е. производится настройка на скорость движения Ф82 (П3В^.
Вывод формулы настройки:
а) кинематическая цепь согласования: электродвигатель М3 —
каретка;
б) условие согласования скоростей конечных звеньев цепи:
1400 [мин-1] электродвигателя М3 «-► S перемещения каретки;
в) уравнение кинематического баланса
,.пп 3 40 . 27 35 24 „ _ „
1400‘ 35 ‘ 40 'ls' 48 ’ 54 ’ 96 ' 2 3 4 S’
г) формула настройки:
S
is~~ 69 *
4. Формула настройки гитары деления 1дел. Гитара деления
предназначена для настройки движения Д (В5) на путь. Это периоди-
40
ческое движение происходит, когда включена муфта I и фиксатор II
вынут из прорезей делительных дисков Д4 и Д2. При этом диски
освобождены для вращения, и движение Д (В5) передается через
делительный диск Дг, гитару деления 1яел и дифференциал к столу.
Время осуществления этого движения называют делительным
циклом.
Выводы формулы настройки:
а) кинематическая цепь согласования: делительный диск Д± —
шпиндель стола;
б) условие согласования перемещений конечных звеньев цепи:
Цд, оборотов делительного диска Дг «* — оборота стола;
в) уравнение кинематического баланса:
1 _ 1
Яд, -Inen’lE'-gQ — »
где — передаточное отношение дифференциала;
г) формула настройки:
i = .
дсл «д/д*
Определим численное значение пд, оборотов диска Д\ за один
делительный цикл и i2 — передаточное отношение дифференциала.
После того как фиксатор II вынут из прорезей дисков Дх и Д2,
они начинают вращаться, причем с различйыми скоростями. Через
некоторое время прорези дисков окажутся в одной плоскости, и фи-
, ксатор западает одновременно в прорези обоих дисков. В этот момент
оканчивается делительный цикл.
Подсчитаем относительные повороты дисков. За один оборот
/ 84 27 7
диска Дх диск Д2 должен сделать — -р оборота. Следова-
тельно, диск Д2 вращается быстрее диска Дъ и за время делитель-
ного цикла диск Д2 делает семь оборотов, а диск Д1 — шесть обо-
ротов, т. е. ид, = 6.
Передаточное отношение дифференциала ts = определим
по формуле Виллиса:
»42 — «в _ 27 . 21 .
и27 — zig 36 42
при л27 = 0 получим = -р = где n42, п27 и пв — частоты
вращения соответственно колес z = 42, z = 27 и водила дифферен-
циала..
С учетом численных значений лД1 и /д формула настройки гитары
деления имеет вид
.______40
‘дел — г •
41
5. Формула настройки гитары скорости деления zCK. дел. Данная
гитара предназначена для установления согласования оборотов
делительного диска и электродвигателя Af3 за время делительного
цикла.
Вывод формулы настройки:
а) кинематическая цепь согласования: делительный диск Дг —
электродвигатель М3;
б) условия согласования перемещений конечных звеньев цепи
согласования:
6 об. делительного диска Д «-♦ t об. электродвигателя Л43,
где t — время делительного цикла, с;
в) уравнение кинематического баланса:
г. 84 , 1 1400 .
U * о . * I ’ . —• / у
24 гск. дел 60
г) формула настройки:
— 9
*ск. дел 10 • £ *
ГЛАВА 4
КИНЕМАТИКА СТАНКОВ
В этой главе рассмотрена кинематика резьбо- и зубообрабатыва-
ющих станков, как наиболее распространенных среди станков со
сложными и комбинированными кинематическими структурами.’
§ 1. РЕЗЬБООБРАБАТЫВАЮЩИЕ СТАНКИ
Резьбообрабатывающие станки предназначены для фор-
мообразования на заготовках винтовых поверхностей, которые
широко применяют в машиностроении в неподвижных резьбовых
соединениях, винтовых и червячных передачах, а также в боль-
шинстве режущих инструментов, применяемых при формообразова-
нии на станках винтовых поверхностей.
Резьбы (винтовые поверхности) характеризуются в продольном
направлении винтовой линией и в поперечном сечении, проходящем
через ось тела вращения — профилем. Профиль может быть тре-
угольным, прямоугольным, трапецеидальным, полукруглым и т. д.
Для формообразования винтовых поверхностей в большинстве
случаев используют режущие и абразивные инструменты, форма
режущей кромки или контура которых совпадает с профилем на-
резаемой резьбы. Поэтому основным методом образования профиля
винтовых поверхностей является метод копирования, и этот метод
осуществляется резьбовыми резцами (рис. 4.1, а), метчиками
(рис. 4.1,6), плашками (рис. 4.1, в), резьбовыми гребенками
(рис. 4.1, г), резьбонарезными головками, дисковыми резьбовыми
42
фрезами (рис. 4.1,5), многониточными гребенч'атыми фрезами
(рис. 4.1, е), дисковыми (рис. 4.1, ж) и многониточными (рис. 4.1, з)
шлифовальными кругами.
Для образования профиля у цилиндрических и глобоидных
червяков, а также у ходовых винтов при нарезании их чашечным
обкаточным резцом используют метод обката. В продольном напра-
влении форма винтовых поверхностей образуется методом следа иля
касания в зависимости от применяемого инструмента.
В связи с тем, что наиболее распространенным методом образо-
вания профиля резьбы является метод копирования, не требующий
движения формообразования, кинематическая структура большин-
ства резьбообрабатывающих станков состоит только из кинемати-
ческих групп, создающих движения для образования винтовой
линии. При образовании винтовой линии методом следа (резцом,
метчиком,, плашкой, резьбовой гребенкой) требуется одно сложное
винтовое движение Фв (Blt Л2), а методом касания (резьбонарезной
головкой,' фрезой, шлифовальным кругом) — два движения: одно
простое Фв (Bj) — вращение инструмента, и второе сложное винтовое
Фа (В2Л3). Таким образом, кинематическая структура резьбообра-
43
батывающих станков в первом случае состоит из одной группы
формообразования, а во втором — из двух.
На рис. 4.2 показана структурная кинематическая схема токарно-
винторезного станка, предназначенного для нарезания резьб фасон-
ным резцом или резьбовой гребенкой. Станок имеет одну сложную
группу формообразования, создающую винтовое движение Фв (ВуП^
инструмента относительно заготовки. Внутренняя кинематическая
связь группы осуществляется винтонарезной цепью 1—2 между
шпинделем заготовки и продольным суппортом с органами настройки
«винт на шаг резьбы и Рх на направление подачи. Внешняя связь
группы осуществляется через цепь 3—1, связывающую источник
Рис. 4.2. Структурная ки-
нематическая схема то-
карно-винторезного стан-
ка
движения М с одним из звеньев винтонарезной цепи (точка /) и
имеющую оргйны настройки iB на скорость и Р2 на направление
винтового движения (правая или левая резьба).
В станках, нарезающих резьбу метчиками или плашками, винто-
нарезная цепь отсутствует. Внутренняя связь группы, создающей
винтовое движение Ф01 (Bi/72), из-за особой конструкции этих ин-
струментов осуществляется связью винтовой кинематической пары
инструмент — заготовка. Поэтому станок имеет простую кинемати-
ческую группу формообразования. Настройка на шаг нарезаемой
резьбы здесь отпадает, так как на метчике или плашке режущие
кромки расположены по винтовой линии с шагом, равным шагу
нарезаемой резьбы.
Кинематическая структура станков, обрабатывающих резьбу
фасонными дисковыми и кольцевыми гребенчатыми фрезами, а также
дисковыми и многониточными шлифовальными кругами, имеет две
группы формообразования. Одна группа простая Фв (BJ, сообща-
ющая вращательное движение инструменту, а вторая — сложная
Ф8 (В2П3), которая создает сложное винтовое движение заготовки
и инструмента. Группа Фв (Вг) в большинстве резьбофрезерных
станков имеет орган настройки на скорость iB, а в резьбошлифоваль-
ных станках он, как правило, отсутствует. Сложная группа Ф8 (ВгП3)
имеет два органа настройки: гвинт (на траекторию винтового движе-
ния) и is (на скорость подачи).
Наиболее сложными структурами резьбообрабатывающих стан-
ков являются структуры с двумя сложными группами формообразо-
вания. Это относится к станкам, нарезающим резьбу червячной резь-
бовой фрезой с профилем зуба, шагом и длиной, соответствующими
44
профилю, шагу и длине нарезаемой резьбы, а также к станкам,
нарезающим многозаходные цилиндрические червяки и ходовые
винты обкаточным чашечным резцом (рис. 4.3). Первая группа
Фо (BLB2) создает движение скорости резания и содержит внутрен-
нюю кинематическую цепь 1—6—2—2, соединяющую шпиндель
заготовки со шпинделем инструмента, включая орган настройки
гобк только для станков, работающих чашечным резцом. В станках,
работающих червячной фрезой, во внутренней цепи группы Фо (ВХВ2)
орган настройки на шаг резьбы отсутствует, так как шаг нарезаемой
резьбы, обеспечивает сам инструмент. Вторая сложная группа
Ф8 (В3Л4) создает движение подачи и содержит внутреннюю цепь
2—2—соединяющую шпиндель заготовки с продольным суп-
Рис. 4.3. Структурная кинематическая схема
стайка для нарезания многозаходных ци-
линдрических червяков и ходовых винтов
обкаточным чашечным резцом
Рис. 4.4. Схема формооб-
разования при нарезании
глобоидного червяка обка-
точным чашечным резцом
портом, на котором расположен инструмент, и имеющую орган
настройки на траекторию движения 1вивт. Обе группы Ф„ и Ф8 имеют
органы настройки на скорость i„ и подачу is, располагающиеся
соответственно во внешних связях М—1 и М—5—6—2—2—4.
В связи с тем, что обе группы имеют общий исполнительный орган —
шпиндель заготовки, а создаваемые ими движения осуществляются
в одно и то же время, в структуре рассматриваемых станков имеется
суммирующий механизм 2> соединяющий обе группы и обеспечи-
вающий на шпинделе суммарное движение В4 + В3.
Кинематическая структура станка для нарезания обкаточным
резцом глобоидного червяка (рис. 4.4) содержит одну сложную
группу формообразования Фо (В4В2) с органами настройки гоСв
и zD' *и одну простую группу, создающую движение радиального
врезания Вр (Л3) с органом настройки iBp.
При нарезании конических резьб фасонным резцом траектория
винтового движения усложняется, так как вместо цилиндрической
винтовой линии необходимо создать коническую винтовую линию.
В соответствии с этим усложняется кинематическая группа, созда-
ющая в станке движение с такой траекторией. Внутренняя связь
Фо (В4Л2Л3) такой группы включает в себя не одну, а две кинемати-
ческие цепи с органами настройки гввнт и гкон.
45
В резьбообрабатывающих станках внутренние кинематические
цепи групп формообразования через соответствующие им органы
настройки должны обеспечивать следующие условия кинематиче-
ского согласования перемещений своих конечных звеньев.
1. Винторезные цепи с органом настройки (ваит:
1 об. заготовки — Р мм продольного перемещения инструмента,
где Р — шаг нарезаемой резьбы.
2. Цепи обкатки с органом настройки <обк:
1 об. заготовки-—— об. чашечного резца,
где г — число зубьев чашечного резца; k — число витков нареза-
емой резьбы (червяка).
3. Внутренняя цепь с органом настройки zR0H:
L мм продольного перемещения *— £• tg а мм поперечного
перемещения инструмента,
где L — произвольная величина перемещения; а — половина угла
при вершине конуса заготовки.
§ 2. ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИЕ СТАНКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС
К зубообрабатывающим станкам для нарезания цилин-
дрических и червячных колес относятся зубопротяжные, зубодол-
бежные, зубофрезерные и зубоотделочные (зубошлифовальные, зубо-
п.евинговальные) станки.
Рис. 4.&. Формообразование при нарезании зубьев у цилиндрических колес и
реек
Зубодолбежные станки предназначены для нарезания цилиндри-
ческих колес с прямым и винтовым зубом внешнего и внутреннего
зацепления, а также шевронных зубчатых колес. Для их нарезания
применяют зуборезные долбяки (рис. 4.5, а), зуборезные гребенки
(рис. 4.5, б) и в массовом производстве зубодолбежные (много-
резцовые) головки (рис. 4.5, в), профили рабочей части резцов
которых соответствуют профилю впадин между зубьями нарезаемого
колеса. Зуборезными гребенками можно нарезать цилиндрические
колеса только с внешним зацеплением.
46
На рейкодолбежных станках нарезают рейки с прямым и косым
зубом с помощью зуборезных долбяков (рис. 4.5, г), а на зубопро-
тяжных станках — цилиндрические колеса с внутренним зацеплением
фасонными протяжками.
Профиль зубьев (эвольвента) цилиндрических колес получают
методом копирования или обкатки. Метод копирования используют
только при нарезании колес зубодолбежными головками на зубо-
долбежных станках и фасонными протяжками на зубопротяжных
станках. Во всех остальных случаях применяют метод обкатки.
Этот же метод используют н при формировании профиля зубьев
реек.
Рис. 4.6. Схема нарезания зу-
борезным долбяком винтовых
зубьев у цилиндрического ко-
леса
Рис. 4.7. Структурная кинематическая схема
зубодолбежного станка
Формообразующая часть кинематической структуры зубодолбеж-
ных станков включает в себя одну или две группы формообразования.
Станки, в которых для образования профиля зубьев используется
метод копирования, имеют одну простую группу формообразования
Фо (/7J, создающую возвратно-поступательное движение зубодол-
бежной головки в зубодолбежном станке или поступательное движе-
ние протяжки в зубопротяжном. Станки, в которых для образования
профиля зубьев используется метод обката, имеют две формообразу-
ющие группы: простую и сложную. Простой является группа ско-
рости резания, создающая возвратно-поступательное прямолинейное
движение Фо (/7J долбяка или гребенки при нарезании прямых
зубьев или возвратно-поступательное винтовое движение Фо (ПгВ^
долбяка (рис. 4.6) при нарезании винтовых зубьев у колеси косых —
У реек. У обеих групп внутренняя связь обеспечивается связью
кинематической пары: у группы Фо (77J — поступательной пары
ползун — прямолинейные направляющие стойки станка; у группы
Фо (/7iB2) — винтовой пары ползун — винтовые направляющие смен-
ных копиров. Внешняя связь групп Фо обеспечивается кинемати-
ческой цепью/—2—3 (рис. 4.7) между источником движения и пол-
47
зуном, включая орган настройки i„ и кривошипный механизм. Слож-
ной формообразующей группой является группа подачи, создающая
медленное обкаточное движение Ф8 (В3ВЛ) для образования профиля
зубьев при обкате долбяка относительно нарезаемого колеса или
движение Ф8 (П3В4) при обкате долбяка относительно нарезаемой
рейки или зуборезной рейки относительно нарезаемого колеса.
Внутренняя связь группы Ф8 (В3В4) обеспечивается одной кинема-
тической цепью 4—5—6 с . органом настройки гОб«, а внешняя —
цепью 1—2—5 между источником движения и одним из звеньев
внутренней цепи с органом настройки is. В зубодолбежных станках
для нарезания цилиндрических колес имеет место группа радиального
врезания Вр (У75). Внутренняя связь этой группы обеспечивается
связью поступательной пары -каретка стола — направляющие ста-
нины (в некоторых моделях станков связью суппорт с долбяком—
поперечные направляющие стойки), а внешняя связь осуществляется
через цепь 1—2—7 от двигателя /И через кулачок к каретке стола
(суппорту с долбяком) с органом настройки zBp.
Во всех зубодолбежных и зубопротяжных станках помимо формо-
образующего процесса осуществляется и делительный процесс,
необходимый для равномерного размещения нарезаемых зубьев на
заготовке. Однако большинство этих станков не имеют самостоятель-
ных делительных групп из-за того, что процесс деления осуще-
ствляется попутно с процессом формообразования вследствие много-
лезвийности режущего инструмента и замкнутости линии, на которой
расположены резцы и режущие зубья. Исключение составляют
станки для нарезания колес зуборезными гребенками. Кинемати-
ческая структура этих станков включает в себя группу Д (В6), соз-
дающую делительное движение поворота заготовки для нарезания
зубьев на участке, где еще они не нарезаны.
Зубодолбежные станки, на которых обрабатывают зубчатые ко-
леса зубодолбежной головкой или долбяком, имеют в своей струк-
туре группу Вр (/75), создающую движение радиального врезания
резцов головки или зубьев-резцов долбяка в заготовку (см.
рис. 4.5, в). Помимо перечисленных и рассмотренных выше движений
зубодолбежные станки имеют еще ряд различных простых вспомога-
тельных движений и соответствующие им кинематические группы.
Кинематическая настройка зубодолбежных станков, как и любых
других, сводится к настройке его цепей. Структура зубодолбежных
станков содержит лишь одну сложную группу Ф8, которая имеет
одну внутреннюю кинематическую цепь с органом настройки
Эта цепь в группе Ф8 (В3В^ должна обеспечивать условие кинемати-
ческого согласования вращений нарезаемого колеса и долбяка сле-
дующего вида:
1 об. заготовки —»—об. долбяка,
гдоп
а внутренняя цепь в группе Ф8 (П3В4) должна обеспечивать условие
кинематического согласования перемещения нарезаемой (или зубо-
,48
резной) рейки с вращением долбяка (или нарезаемого колеса) сле-
дующего вида: z '
1 об. долбяка (колеса) «-+ лтгд0Л (nmzaar) мм перемещения рейки,
где гзаг — число нарезаемых зубьев колеса; гдол — число зубьев
долбяка; т — модуль нарезаемых зубьев.
Настройка движения Фо на скорость осуществляется гитарой iB,
посредством которой обеспечивается согласование вращения ротора
электродвигателя М с возвратно-поступательным перемещением
ползуна следующего вида:
пм об/мин ротора электродвигателя «-* k дв. ход/мин ползуна,
где k — число двойных ходов ползуна в минуту.
Рис. 4.8. Формообразование зубьев цилиндрических колес с помощью фрез:
а — фасонной дисковой; б — фасонной ..пальцевой; в — червячной модульной
Скорость движения подачи исчисляется в миллиметрах пере-
мещения 5дуг по диаметру начальной окружности долбяка за один
его двойной ход. Настройка на скорость подачи осуществляется через
гитару подач is, которая должна обеспечить следующее условие
согласования перемещений ползуна с поворотом долбяка:
1 дв. ход ползуна «-» —-ДУг - об. долбяка.
Зубофрезерные станки предназначены для нарезания цилиндри-
ческих колес с прямым и винтовым зубом внешнего зацепления
с помощью фасонных дисковых (рис. 4.8, а), пальцевых
(рис. 4.8, б) и червячных модульных (рис. 4.8, в) фрез. Если в зубо-
фрезерном станке имеется помимо вертикального ходовой винт
радиального или тангенциального перемещения инструмента отно-
сительно заготовки, то на нем можно также нарезать червячными
фрезами червячные колеса. Станок, имеющий все три перечисленных
винта, относится к универсальным зубофрезерным станкам. Профиль
зубьев нарезаемых колес фрезерованием образуется методом копиро-
вания или обката, а форма зубьев по длине — методом касания.
Станки, использующие метод копирования в сочетании с методом
касания при нарезании колес фасонными дисковыми или пальцевыми
фрезами, имеют простую структуру, состоящую из двух простых
групп Фо (Вг) и Ф8 (П2), а также группы Д (В3). Сложнее кинемати-
49
ческая структура зубофрезернух станков, в которых используют
метод обката при нарезании колес червячными фрезами. Структура
таких станков включает две или три формообразующие группы и не
имеет отдельной группы деления. Для образования профиля зубьев
а) &
Рис. 4.9. Формообразование зубьев червячного колеса методами врезания:
а — радиального; б — тангенциального
применяют сложное движение Фо (В^), а для образования формы
зуба по длине применяют для прямого зуба движение Ф8 (П3), для
винтового зуба Ф8 (П3В^) и при фрезеровании винтового зуба с ди-
агональной подачей — Ф$1 (Л3В4) и (ЛъВв).
Формообразование зубьев червячного колеса осуществляется
методами радиального (рис. 4.9, а) и тангенциального (рис. 4.9,6)
врезания. При первом методе используют винт радиального пере-
мещения. Формирование боковых поверхностей зубьев по профилю
и длине, а также делительный процесс осуществляются одним слож-
ным движением Ф„ (BjB2). Процесс радиального врезания зубьев
фрезы в заготовку осуществляется движением Вр (П^. При втором
методе используют винт тангенциального перемещения и специаль-
ную червячную фрезу с заборным конусом. Образование профиля
» и формы зуба по длине, а
Рис. 4.10. Кинематическая структура уни-
версального зубофрезерного станка
также делительный процесс
осуществляются, как и при
первом методе, движением
Фв (BLB2)- Вторым движе-
нием Ф82 (В5В6) осуществ-
ляется тангенциальное вре-
зание за счет конусной части
фрезы и еще раз формиро-
вание боковых поверхностей
нарезаемых зубьев, поэтому
второй метод используют
для нарезания более точных
червячных колес.
Как видно из приведен-
ного анализа, наиболее
сложную структуру имеет
универсальный зубофрезер-
ный станок (рис. 4.10), име-
50
ющий несколько частных структур. Станок содержит три сложных
группы формообразования. Структура каждой кинематической
группы состоит из внутренней связи в виде внутренней кинемати-
ческой цепи и внешней связи, через которую движение от двигателя
передается во внутреннюю связь. Внутренняя цепь 1—2—3—4
группы движения резания Фо (BjB^, вызываемая цепью обката или
профилирования, а также и цепью деления, связывает шпиндель
фрезы со шпинделем заготовки (столом) и через гитару <обк обеспечи-
вает условие кинематического согласования вращений фрезы и за-
готовки следующего вида:
k
1 об. фрезы об. заготовки,
где k — число фрезы; г — число зубьев нарезаемого колёса.
Скорость движения Фи (BjB2)4 настраивается посредством органа
настройки iv, который расположен во внешней связи группы Фо.
Через орган настройки iv обеспечивается условие согласования
вращений ротора двигателя М и шпинделя фрезы:
пм об/мин электродвигателя М -> об/мин фрезы.
Внутренняя цепь 5—6—7—8—9—3—4 группы движения подачи
&S1 (П3В^, называемой дифференциальной цепью, соединяет через
дифференциал гайку вертикального, ходового винта, жестко связан-
ную либо со столом, либо с суппортом фрезы, со шпинделем заготовки
и через гитару гдвф обеспечивает условие кинематического согласова-
ния относительного перемещения фрезы вдоль оси заготовки. с ее
вращением следующего-вида:
1 об. заготовки «-+ Т мм относительного перемещения фрезы вдоль
оси заготовки,
где Т — шаг винтовой линии зуба, Т = — нормальный
модуль; р — угол наклона винтового зуба.
Скорость движения Ф81 (Л3В4) настраивается посредством ги-
тары подач is, которая располагается в цепи подач 4—3—10—7—6—5,
соединяющей гайку вертикального ходового винта (стол или суппорт
фрезы) со шпинделем заготовки, но не проходящей через дифферен-
циал. Условие согласования перемещений конечных звеньев цепи
подач имеет вид
1 об. заготовки *- SE мм относительного перемещения фрезы вдоль
оси заготовки,
где SB — подача на 1 об.
Встречаются станки, в которых группа движения продольной
подачи Ф81 (Л3В4) имеет свой отдельный двигатель Мг. В таком
случае цепью подач будет цепь, соединяющая этот двигатель с гай-
кой вертикального ходового винта, а условие согласования переме-
щений конечных звеньев такой цепи будет иметь вид
nMt об/мин электродвигателя Мг мм/мин
51
продольного перемещения фрезы или заготовки в зависимости от
того, с суппортом фрезы или со столом жестко связана гайка вер-
тикального ходового винта.
Внутренняя цепь группы тангенциального врезания Ф82 (ПъВв)
связывает гайку осевого (тангенциального) ходового винта со шпин-
делем заготовки; ее используют при нарезании на станке червячного
колеса методом тангенциального врезания. В этом случае рассматри-
ваемая цепь 11—12—13—9—3—4 вместе с органом настройки гтат,
должна обеспечить условие кинематического согласования пере-
мещений своих конечных звеньев следующего вида:
L мм тангенциального перемещения фрезы«-»об. заготовки,
где L — произвольное тангенциальное перемещение фрезы.
Скорость движения Ф82 (П6Ве) настраивается посредством гитары
осевой подачи, расположенной в цепи осевых подач. Встречаются
два вида структуры этой цепи. Если группа Ф82 (Г1ЪВ^ имеет свой
отдельный источник движения М2 или общий источник движения
с группой Ф81 (/73В4), то цепью осевых подач будет цепь, связыва-
ющая двигатель М2 или Мг с гайкой осевого ходового винта. Условие
согласования перемещений конечных звеньев такой цепи будет:
пм, (М,) об/мин электродвигателя М2 (MJ *-* 50 мм осевого пе-
ремещения фрезы. .
Если группа Ф82 (П5Вв) имеет в качестве источника движения
двигатель М, общий для всех трех групп Фо, Ф81 и Ф82, то цепью
осевых подач будет цепь 4—3—10—7—12—11, соединяющая шпин-
дель заготовки с гайкой осевого ходового винта. Условие согласова-
ния перемещений конечных звеньев такой цепи будет:
1 об. заготовки «-* 50 мм осевого перемещения фрезы.
В этом случае осевая подача 50 становится зависимой от ско-
рости вращения заготовки.
При нарезании червячных колес методом радиального врезания
помимо группы движения Фо (В4В2) используется кинематическая
группа движения Вр (ГЦ), у которой внутренняя связь осуществлена
относительным радиальным перемещением заготовки или фрезы.
Внешняя связь осуществляется через цепь 4—3—10—14 радиальной
подачи. Как и предыдущие цепи подач (продольная и осевая), эта
цепь имеет два вида структур и в соответствии с этим через гитару is
обеспечивает одно из следующих условий согласования перемещений
своих конечных звеньев:
nM, (Mj об/мин электродвигателя М2 (Mi) «-► 5рад мм/мин
радиального перемещения фрезы или
1 об. заготовки «— Храд мм радиального перемещения фрезы.
Анализ движений формообразования, обеспечивающих нареза-
ние зубчатых колес червячными фрезами, показывает, что при на-
резании цилиндрических колес с винтовым зубом и червячных колес
52
методом тангенциального врезания шпиндель заготовки совершает
суммарное вращение В2 ± В4 или В2 ± В6, а при диагональной по-
даче даже В2 ± В4 ± Вв. Это связано с тем, что шпиндель заготовки
является общим исполнительным органом двух или трех групп Ф
и получает суммарное вращение с помощью одного или двух диффе-
ренциалов за счет физического суммирования. Поэтому кинемати-
ческую структуру зубофрезерных станков, имеющих дифференциалы,
и их кинематическую настройку называют дифференциальными.
Указанные виды колес можно нарезать также на зубофрезерных
станках, не имеющих дифференциалов и соответственно внутренних
цепей с органами настройки /ДИф и г1анг, воспользовавшись методом
бездифференциальной настройки этих станков. Сущность этого ме-
тода сводится к тому, что условия кинематического согласования
перемещений конечных звеньев цепей с гитарами /ДИф и 1таш, учиты-
ваются согласованием вращений заготовки и фрезы цепи обката
с гитарой гобк.
При нарезании цилиндрического колеса с винтовым зубом это
условие будет иметь вид
1 об. заготовки Q ± у5-) об. фрезы;
при нарезании червячного колеса методом тангенциального врезания
оно будет;
1 об. заготовки °б- фрезы,
где 8В и 80 — продольное и осевое перемещения фрезы, отнесенные
к одному обороту заготовки; т — модуль червячного колеса.
Знаки «+» или «—» берут в зависимости от сочетания направле-
ний винтовых линий на заготовке и фрезе.
§ 3. ЗУБОШЛИФОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС
Зубошлифовальные станки предназначены для оконча-
тельной обработки цилиндрических колес. Наибольшее распростра-
нение. в формировании боковых поверхностей зубьев колес шлифо-
ванием получили те же методы, что и при их фрезеровании. Метод
копирования в сочетании с методом касания используют при шлифо-
вании колес профильным шлифовальным кругом (рис. 4.11, а).
Кинематическая структура станков, работающих таким кругом,
наиболее простая. Она содержит две простые группы формообразо-
вания: группа Фо (BJ создает вращательное движение кругу,
а группа Фв (П2) — возвратно-поступательное прямолинейное дви-
жение вдоль зуба колеса. Помимо этих групп в структуре станка
имеется делительная группа Д (В6), создающая делительное дви-
жение.
Метод обката в сочетании с методом касания используют при
шлифовании колес червячными (рис. 4.11, б), дисковым обкатным
(рис. 4.11, в) и двумя обкатными тарельчатыми (рис. 4.11, г и б)
53
шлифовальными кругами. Кинематическая структура станка, ра-
ботающего червячным кругом, и его кинематическая настройка
аналогичны структуре и настройке зубофрезерного станка, обраба-
тывающего цилиндрические колеса червячной фрезой. Обкатные
Рис. 4.1 L Формообразование при шлифовании цилиндрических колес шлифоваль-
ными кругами;
а — профильным; б — червячным; в — дисковым обкатным; г, д — двумя обкатными тарель-
чатыми
дисковый и два тарельчатых круга в процессе формообразования
образуют профиль зуба воображаемой рейки, по которой катится
без скольжения шлифуемое колесо.
Кинематическая структура зубошлифовальных станков
(рис. 4.12), работающих обкатными дисковыми или тарельчатыми
кругами, включает три группы формообразования. С помощью
движений Фо (ВО и Ф81 (П2) методом касания образуется форма зуба
54
по длине, а обкаточным дви-
жением Ф82 (Л3В4) — про-
филь зуба (индексы у групп
Ф даны для станков, работа-
ющих дисковым кругом).
Последняя группа сложная,
и ее внутренняя кинемати-
ческая связь обеспечивается
цепью профилирования (об-
ката) 1—2—2—3 с органом
настройки г'дроф- Эта цепь
должна обеспечивать условие
кинематического согласова-
ния вращения В4 шпинделя
стола (заготовки) с переме-
щением П3 каретка следу-
ющего вида:
Рис. 4.12. Кинематическая структура зубо-
шлифовального станка, работающего обкат-
ным дисковым кругом
1 об. заготовки ** лтг мм
перемещения каретки, '
где т и z — модуль и число
зубьев заготовки.
Внешняя связь группы Ф82 (Л3В4) обеспечивает передачу движе-
ния от источника движения М3 во внутреннюю связь. Настройка
этого движения на скорость осуществляется гитарой подач iS2,
расположенной в цепи подачи обката, соединяющей двигатель М3
с кареткой. Условие согласования вращения ротора двигателя с пере-
мещением каретки имеет вид
пм, об/мин электродвигателя М3 £м мм/мин перемещений каретки,
где SM — скорость перемещения каретки.
Структура станка содержит также группу движения деления
Д (Вь). Внутренняя связь группы обеспечивается связью вращатель-
ной кинематической пары шпиндель стола — каретка, а внешняя
связь —цепью 4—5—6—7—3, соединяющей двигатель со шпинде-
лем стола. Так как шпиндель стола принадлежит двум группам Ф52
и Д, то эти группы должны быть кинематически соединены между
собой. Для их соединения может быть использован один из трех
способов — последовательный, параллельный и смешанный.
Движения деления Д (В3), как и всякое другое делительное дви-
жение, обычно настраивается по одному параметру (по пути) посред-
ством гитары деления iaen. В общем виде условие согласования пере-
мещений конечных звеньев цепи деления выглядит так:
1 / 2' \
п об. отсчетного звена —» — ( или —) об. заготовки,
2 \ 2 /
где zt —число зубьев заготовки, пропускаемых за один делительный
цикл при смешанном способе соединения групп Ф82 и Д; z —число
зубьев заготовки; п — число оборотов отсчетного звена за делитель-
ный цикл.
55
Для формирования профиля
зубьев цилиндрических колес при
зубошлифовании применяют также
метод следа. Используют его при
образовании профиля зубьев про-
филирующими точками режущей
кромки двух тарельчатых кругов
(см. рис. 4.11, д), расположен-
ными на прямой линии, каса-
тельной к основной окружности
шлифуемого колеса. Форма зуба
по длине образуется методом каса-
ния. Кинематическая структура
Рис. 4.13. Схема зубошлифовального
станка, работающего тарельчатыми
кругами
станка, использующего этот метод
формирования боковых поверхностей зубьев, аналогична структуре
станков, работающих обкатными кругами. . Однако в отличие от
станков, работающих дисковым обкатным кругом, в станках, работа-
ющих тарельчатыми кругами, скорость движения обката Ф81 (П3В^
значительно больше, чем скорость движения продольной подачи,
которая создается группой Ф82 (П2). Другими словами, вначале
образуется профиль зуба, а затем его форма по длине.
Особенностью станков, работающих тарельчатыми кругами
(рис. 4.13), является также и то, что в группе Ф81 (П3В^) внутренней
профилирующей цепью является, как правило, короткая цепь,
обеспечивающая обкаточное движение с помощью барабана с лен-
тами, ходового винта с гайкой и совсем редко кулака с толкателем:
Цепи с такими механизмами работают точно, но настройка их за-
труднена необходимостью иметь перечисленные механизмы смен-
ными, что очень дорого.
Все зубошлифовальные станки помимо группы Ф имеют группы
движения правки шлифовальных кругов и группу деления Д (В5).
Последняя отсутствует лишь в станках, работающих червячным
шлифовальным кругом. Группа Д(В5) может иметь отдельный или
общий двигатель с группой Ф8 (П3В^, а их структуры отличаться
наличием или отсутствием гитары настройки на время деления.
§ 4. ЗУБОРЕЗНЫЕ СТАНКИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ
КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС
Форма боковой поверхности зубьев конических колес
характеризуется профилем зуба и формой его по длине. Профиль
зубьев представляет собой пространственную кривую, несколько
отличающуюся от плоской эвольвенты. Форма зубьев по длине
может быть разнообразной. Наибольшее распространение получили
зубчатые колеса с прямыми и круговыми (дуговыми) зубьями.
Для образования профиля зубьев конических колес в основном
применяют метод обката и весьма редко метод следа и копирования,
которые используют при нарезании крупногабаритных конических
колес с прямым зубом. Форму зубьев по длине образуют методами
56
следа или касания. Как правило, вначале получают форму зуба по
длине, а затем профиль. В случаях же формообразования боковых
поверхностей зубьев конических колес профильной круговой про-
тяжкой (рис. 4.14, а) и фрезой (рис. 4.14, б), а также при шлифовании
профильным кругом с использованием метода копирования в соче-
тании с методами следа или касания вначале получают профиль
зуба, а затем его форму по длине. При нарезании зубчатых колес
остроконечными резцами по копиру (рис. 4.14, в) используют мало-
производительный метод двойного следа.
Наиболее простые кинематические структуры имеют зуборезные
станки, в которых образование профиля обрабатываемых зубьев
Рис. 4.14. Формообразование зубьев конических колес с помощью:
а — профильной круговой протяжки; б — профильной фрезы; в — остроконечных резцов
по копиру
осуществляется методами копирования или следа. Структура таких
станков содержит только простые кинематические группы — одну
или две группы формообразования и группу деления.
Наибольшее распространение при нарезании конических колес
получил метод следа в сочетании с методом обката или, как его на-
зывают короче, метод обката. Этот метод основан на воспроизводстве
' зацепления пары сопряженных конических зубчатых колес
(рис. 4.15), одним из которых является обрабатываемое колесо, а дру-
, гим — имитируемое одним зубом или впадиной производящее зуб-
чатое колесо.
В процессе обработки они взаимно обкатываются с целью обра-
зования профиля зуба методом обката. Так как реального произ-
водящего колеса нет, а есть только имитация его движения, которую
осуществляет люлька, то такое колесо называют воображаемым
производящим колесом. Профиль зуба или впадины между двумя
соседними зубьями воображаемого производящего колеса также
имитируется движением режущих (производящих) кромок инстру-
мента, перемещающихся с достаточно большой скоростью по линии,
характеризующей форму зуба по длине обрабатываемого колеса.
В качестве воображаемого производящего колеса используют пло-
ское либо чаще плосковершинное колесо с углом при вершине на-
чального конуса 2<р = 180° — 2у (где у — угол ножки зуба нареза-
емого колеса). Плоское колесо представляет собой круговую рейку;
оно является предельным коническим колесом в том же смысле,
в каком прямолинейная зубчатая рейка представляет собой предель-
57
ное цилиндрическое колесо с радиусом R -» со. Как и у прямолиней-
ной зубчатой рейки, у круговой рейки профили зубьев очерчены
прямыми линиями. Это является основным при использовании
плоского или плосковершинного конического колеса в качестве
производящего.
Рис. 4.15. Схема зацеплении обрабаты-
ваемого конического колеса с плоским
производящим воображаемым колесом
Рис. 4.16. Схема нарезания зубьев ко-
нического колеса
Кинематическая структура любого из зуборезных станков, на-
резающих конические колеса по методу обката (рис. 4.16), будет
состоять из двух, а в некоторых случаях из трех групп формообра-
зования и группы деления. Нарезание прямозубых конических
колес осуществляется чаще с помощью двух зубострогальных резцов,
а нарезание колес с дуговым зубом — резцовыми головками, ре-
жущие зубья которых расположены на окружности. Структура
этих станков однотипна. Она содержит сложную группу формо-
образования Ф8 (В2В3), обеспечивающую обкаточное движение за-
готовки и люльки для образования профиля зубьев, и простую
группу Фв (IJj) или Фо (BJ, обеспечивающую движение резцов или
резцовой головки для получения формы зубьев по длине. Помимо
групп формообразования структура зуборезных станков включает
группу деления Д (В4). Исполнительным органом ее является шпин-
дель заготовки, являющийся также одним из исполнительных орга-
58
нов группы Ф8 (В2В3). Поэтому группы Ф8 и Д должны иметь
между собой кинематическое соединение. Для этого применяют
один из трех способов соединения: параллельный, последовательный
или смешанный (параллельно-последовательный). В зависимости от
способа соединения групп Ф8 и Д видоизменяются структура
станка и его кинематическая настройка.
Рис. 4.17. Кинематическая структура зуборезного станка для нарезания кони-
ческих колес:
а, — при параллельном способе соединения групп Д и Ф§; б — при смешанном способе соеди-
нения групп Д и Ф8
Структура групп Фв (/7J и Фо (Вг) простая, и внутренняя связь
их обеспечивается связью либо поступательной пары ползуна с рез-
цами — люлька, либо вращательной пары резцовая головка —
люлька. Внешняя связь группы Фо состоит из кинематической цепи
J—2—3 между (рис. 4.17, а) двигателем М и ползунами или резцо-
59
вой головкой, обеспечивающей условие согласования перемещений
ее конечных звеньев следующего вида:
пм об/мин двигателя М «-♦ k дв. ход/мин резцов или
пм об/мин двигателя М пр. г об/мин резцовой головки.
Группа движения подачи Фв (В2В3) сложная: ее внутренняя
связь обеспечивается кинематической цепью 5—6—7 между люлькой
и шпинделем заготовки, называемой цепью профилирования или
обката. Эта цепь с органом настройки (гитарой профилирования
гпроф) должна обеспечивать следующее условие кинематического
согласования вращений своих конечных звеньев:
1 об. люльки«-»об. заготовки,
гзаг
где гзаг — число нарезаемых зубьев колеса; гпл — z3ar/sin ф — услов-
ное число зубьев плоского производящего колеса, здесь ф — поло-
вина угла при вершине начального конуса нарезаемого колеса.
Внешняя связь группы Ф8 обеспечивает передачу движения от
двигателя М во внутреннюю связь группы по цепи 1—2—8—6 и
содержит орган настройки на скорость обкаточного движения —
гйтару подач is. Помимо настройки на скорость обкаточное движение
Ф$ (В2В3) должно настраиваться на путь —угол качания 0° люльки,
необходимый для полного профилирования одного зуба нарезаемого
колеса, после чего люлька должна возвратиться в исходное поло-
жение для профилирования следующего зуба.
Все зуборезные станки работают в цикловом режиме. За время
цикла /ц принимают время обработки одного зуба (впадины). Этим же
временем условно задается подача, и поэтому ее называют цикловой.
Время цикла /ц есть сумма tp + tx, где tp — время рабочего хода
люльки (ее поворот в процессе профилирования зуба) и tx —время
вспомогательного хода (ее поворот в исходное положение). Для
повышения производительности обработки стремятся, чтобы tx <
< tp. Для этого нередко в зуборезных станках во внешней связи
группы Ф8 (В2В3) применяют передачи или цепь передач, позволя-
ющие получать ускоренное вращение люльки при вспомогательном
ходе. Включение и отключение этих передач осуществляется с по-
мощью распределительного вала барабана автомата, который за
время цикла всегда совершает один оборот.
Настройка на скорость подачи обкаточного движения осуще-
ствляется через гитару подач is. Формулу настройки гитары опре-
деляют из уравнения кинематического баланса цепи между двига-
телем и распределительным валом. Условие согласования их
вращения можно представить следующим образом:
п.,
1 Об. распределительного вала об. двигателя,
п,.
где —-----число оборотов двигателя в секунду.
Если при вспомогательном ходе люльки движение к ней пере-
дается минуя гитару подач is, то распределительный вал имеет две
66
различные скорости, причем во время вспомогательного хода распре-
делительный вал всегда вращается с постоянной скоростью. В этом
случае условие согласования вращений распределительного вала
и двигателя будет иметь вид
6° п
-~т- об. распределительного вала ** —/р об. двигателя,
где 6р — угол поворота распределительного вала, соответствующий
времени /р.
Угол 6р зависит от соотношения скоростей вращения люльки
при рабочем и вспомогательном ходах и определяется для каждого
конкретного станка и передаточных отношений зубчатых колес
механизма реверса люльки.
Настройка движения Ф8 (В2В3) на путь, т. е. на угол качания 0°
люльки, зависит от способа соединения групп Д (J34) и Ф5 (В2В3).
Наибольшее распространение получили два способа — параллель-
ный и смешанный.
При параллельном способе соединения групп Д и Фв
(рис. 4.17, а) периодическое делительное движение Д (В4) сумми-
руется через дифференциал S с движением заготовки В3 в период
реверсирования обкаточного движения Ф8 (В2Ва), т. е. возврата люль-
ки в исходное положение для профилирования следующего зуба или
впадины нарезаемого колеса. При этом заготовка за время реверси-
рования, т. е. за как правило, поворачивается на 1/гзаг оборота.
При смешанном способе соединения групп Д и Ф8 (рис. 4.17, б)
реверсируется лишь люлька, а заготовка продолжает непрерывно
вращаться в одну сторону. Причем за время возвращения люльки
в исходное положение заготовка проворачивается на г,/гзаг оборота,
где zt —число зубьев заготовки, пропускаемых между двумя после-
довательными циклами деления, г, не имеет общих множителей
С ^заг-
При обоих способах соединения групп Д и Ф8 для возврата
люльки в исходное положение необходим в структуре станка реверс.
При параллельном способе для реверсирования люльки и заготовки
реверс располагают во внешней связи группы Ф8 (B2BS) на участке
8—6. При смешанном соединении надо реверсировать только люльку,
и поэтому реверс располагают во внутренней связи группы Ф8 (В2В3)
на участке 6—15—16—5 цепи профилирования от звена присоеди-
нения внешней связи к внутренней до люльки. В этом случае наи-
большее распространение получил специальный реверс в виде со-
ставного зубчатого колеса, составленного из нескольких зубчатых
секторов внешнего и внутреннего зацепления. Вращение ведущего
колеса авщ в одну сторону и постоянство его зацепления с внутрен-
ним замкнутым контуром составного колеса будет сообщать послед-
нему вращательное движение то в одну, то в другую сторону и тем
самым осуществлять реверсирование люльки. Колесо авщ обходит
один раз полностью весь внутренний контур составного колеса за
время цикла обработки одного зуба нарезаемого колеса.
61
При параллельном способе соединения групп Д и Ф8 настройка
на путь движения Ф8 (В2В3) осуществляется через гитару угла
качания люльки гк. л. Формулу настройки гитары iK. л определяют
из уравнения кинематического баланса цепи, обеспечивающей сле-
дующее условие согласования вращений распределительного вала
и люльки:
об. распределительного вала об. люльки.
ОВД) мОм
Угол = где —угол поворота заготовки для пол-
нил
ного профилирования зуба нарезаемого колеса, который выбирают
по специальным номограммам в зависимости от числа нарезаемых
зубьев, модуля и других параметров колеса.
При смешанном способе соединения групп Д и Ф8 путь обкатного
движения Фв (В2В3) настраивают посредством гитар профилирова-
ния 1П{Юф и деления 1лел, в формулах настройки которых фигурирует
число г,, являющееся функцией угла качания люльки и соответ-
ственно угла поворота ф° заготовки. Функцию zt = f (ф°) определяют
отдельно для каждого конкретного станка, используя для этого
следующее условие согласования поворотов распределительного вала
и шпинделя заготовки:
6° lb°
°б- распределительного вала >-+ об. заготовки.
ODU
Внутренняя связь группы деления Д (В4) обеспечивается связью
вращательной пары шпиндель заготовки — делительная бабка.
Внешняя связь группы Д обеспечивается цепью от двигателя к шпин-
делю заготовки, в которую входят общие участки внешней и вну-
тренней связи группы Ф8 (В2В3). При параллельном способе соеди-
нения групп Ф8 и Д этой цепью будет цепь 1—2—8—10—И—S—7
(см. рис. 4.17, а), а при смешанном —цепь 1—2—10—11—12—8—6—
7 (см. рис. 4.17, б). Движение деления —периодическое включение
и отключение его — осуществляется с помощью распределительного
вала барабана-автомата Б—А. Движение Д (В4) настраивается на
путь через орган настройки — гитару деления 1дел. Формулу на-
стройки гитары /дел определяют из уравнения кинематического
баланса цепи, обеспечивающей условие согласования перемещений
отсчетного звена и шпинделя заготовки. При параллельном способе
соединения групп Д и Ф8 это условие будет иметь вид
п 3 об. отсчетного звена«—-----об. заготовки,
%заг
причем отсчетным звеном может быть, например, делительный
диск (ДД).
При смешанном способе отсчетным звеном является распредели-
тельный вал барабана-автомата, и условие согласования будет иметь
вид
1 об. распределительного вала «-*7^- об. заготовки.
62
Для нарезания прямозубых конических колес применяют также
две дисковые фрезы большого диаметра, имитирующие зуб плоского
производящего колеса. Нарезание фрезами осуществляется без
подачи вдоль зуба, и поэтому на станке нарезают конические колеса
с небольшой длиной зуба. Кинематическая структура такого станка
аналогична рассмотренным выше.
Существуют также станки и для шлифования зубьев конических
колес. Конические колеса с прямым зубом шлифуют двумя диско-
выми кругами с продольной подачей их вдоль зуба. Структура такого
станка имеет три группы формообразования: Ф„ (Вх), Ф81 (772)
и Ф8.> (В3В4), а также группу деления Д (В5). Конические колеса
с круговыми зубьями шлифуются чашечным кругом. Структура
такого станка аналогична структуре станка, работающего резцовой
головкой.
Г Л А В А 5
СТАНКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
§ 1. УСТРОЙСТВО ТОКАРНЫХ СТАНКОВ
На станках токарной группы обрабатывают детали типа
валов, дисков и втулок, осуществляя обтачивание наружных цилин-
дрических поверхностей, торцов и уступов, прорезание канавок
и отрезку, растачивание отверстий (цилиндрических, конических
и фасонных), обтачивание конических и фасонных поверхностей,
> сверление, зенкерование и развертывание отверстий, нарезание
наружной и внутренней резьбы резцом, нарезание резьбы метчиком
и плашкой, вихревое нарезание резьбы, накатывание рифленых
' поверхностей.
i Главным движением, определяющим скорость резания, является
вращение шпинделя, несущего заготовку. Движением, определя-
ющим величины продольных и поперечных подач, является движение
суппорта, в котором закрепляют резцы, а при обработке концевым
инструментом движение подачи получает задняя бабка станка. По
классификации (см. табл. 1.1) токарные станки относят к 1-й
группе.
Традиционная компоновка токарно-винторезного станка общего
назначения показана на рис. 5.1. На основании 1 закреплены ста-
нина 11 и корыто 12. На станине размещены* передняя бабка 3 и ко-
робка подач 2. По направляющим станины перемещаются суппорт 6
с фартуком 9 и задняя бабка 7. Двигатель установлен в основании
и закрыт кожухом.
Движение от коробки подач передается механизмам фартука
или через ходовой вал 8 (при точении), или через ходовой винт 10
(при нарезании резьбы резцом). На передних стенках фартука,
коробки передач и передней бабки сосредоточены рукоятки упра-
вления станком. Экран 4 и щиток 5 обеспечивают безопасность
63
работы на станке. Основное электрооборудование станка сосредото-
чено в электрошкафу 13.
В легких токарных станках, применяют разделенный привод
главного движения. В этом случае коробку скоростей устанавливают
в основании станка, а в передней бабке (шпиндельной) размещают
шпиндель и перебор.
Рис. 5.1. Токарно-винторезный станок
Станки с числовым программным управлением имеют часто тра-
диционную компоновку станков общего назначения такого же раз-
мера (рис. 5.2). Многооперационные станки токарного типа имеют
компоновки, существенно отличные от традиционной.
Станины токарных станков представляют собой сложные корпус-
ные отливки коробчатой формы; они служат для монтажа основных
узлов станка.
Развертка валов передней бабки токарно-винторезного станка
общего назначения приведена на рис. 5.3. Изменение частот враще-
ния шпинделя 1 осуществляется посредством групповых передач
с подвижными блоками 2, 4, 5, 6. Муфта 3 предназначена для изме-
нения направления вращения шпинделя. Она имеет два пакета
фрикционных дисков. Включение левого пакета обеспечивает прямое
направление вращения шпин-
Рис. 5.2. Токарный станок с числовым про-
граммным управлением
деля.
В передней бабке распо-
ложен привод механизма по-
дач, содержащий звено уве-
личения шага и реверсив-
ный механизм. В качестве
передней опоры шпинделя
использован двухрядный ро-
ликоподшипник типа 3182000
с короткими цилиндриче-
64
скими роликами. Он установлен на конической шейке шпинделя
с конусностью 1 : 12.
В качестве опор шпинделей токарных станков применяют и дру-
гие конструкции подшипников качения. На рис. 5.4, а показан
шпиндельный узел, в котором в качестве радиальных опор при-
Рис. 5.3. Развертка валов передней бабки токарно-винторезного станка
менены роликовые подшипники, а в качестве осевой опоры исполь-
зован упорно-радиальный шарикоподшипник 2. Предварительный
натяг в передней опоре шпинделя обеспечивается гайкой 1 и двумя
дистанционными кольцами 3 и 4, размер которых определяют за-
ранее. Таким образом, удается одной гайкой / обеспечить регули-
рование двух подшипников.
На рис. -5.4, б показан шпиндельный узел, в качестве передней
и задней опор которого использованы конические роликовые под-
3 П/р В. Э. Пуша 65
шипники, воспринимающие как радиальную, так и осевую нагрузки.
Натяг в этих опорах регулируют гайками 1 и 3 и дистанционными
кольцами 2 и 4. Роликовый подшипник, установленный в задней
опоре шпинделя, имеет пружинную компенсацию возникающего
в процессе эксплуатации зазора.
На рис. 5.4, в представлен шпиндельный узел быстроходного
токарного станка, в качестве передней опоры шпинделя которого
66
применены радиально-упорные шариковые подшипники, их натяг
обеспечивается гайкой 1 и дистанционным кольцом 2.
В станках особо высокой точности в передней бабке распо-
лагают только шпиндель, причем в качестве опор преимущественно
используют гидродинамические или гидростатические подшип-
ники.
Коробки подач (рис. 5.5) станков общего назначения представ-
ляют собой многоваловые коробки с групповыми передачами, пере-
ключаемыми блоками. Направление движения от вала к валу изме-
няется зубчатыми муфтами внутреннего зацепления Л41( М2, М3
и Mt. В токарно-винторезных станках выходными звеньями коробок
подач являются ходовой винт / и ходовой вал 2.
Суппорт токарно-винторезного станка показан на рис. 5.6. По на-
правляющим станины посредством винтовой или реечной передачи
(на рисунке не показаны) перемещается каретка 6, по которой ходят
поперечные салазки 4. Механическое или ручное перемещение
салазок осуществляется парой винт—гайка 7—8. На салазках 4
установлена поворотная плита 3, имеющая направляющие типа
ласточкина хвоста, по которым перемещаются верхние (резцовые)
салазки 2. На резцовых салазках установлены передний поворот-
ный 1 и задний 5 резцедержатели.
В станках с числовым программным управлением на поперечном
суппорте устанавливают многопозиционные поворотные резцедержа-
тели и револьверные головки.
Поворотный резцедержатель с горизонтальной осью вращения,
несущий шестипозиционную инструментальную головку, показан
на рис. 5.7. В исходном положении инструментальная головка
(рис. 5.8) закреплена на валу 9 (см. рис. 5.7), полумуфта 7 жестко
связана с валом и введена в зацепление с полумуфтой 6, закреплен-
ной на корпусе 13. Зубья полумуфт 7 и 6 выполнены плоскими и
предназначены для точной фиксации положения инструментальной
головки. Пружина 1 сжата, а кулачки кулачковых. полумуфт 3 и 8
контактируют по торцам. При подаче команды на поворот электро-
двигатель 12 через цилиндрическую и червячную 5—2 передачи
поворачивает кулачковую полумуфту 8; при этом полумуфта 3,
жестко закрепленная на валу 9, под действием пружины 1 входит
в зацепление с полумуфтой 8, а вал подается влево, и полумуфты 6
и 7 выходят из зацепления. Вал 9 с инструментальной головкой
продолжает вращаться до тех пор, пока кулачок 10 не нажмет на
конечный выключатель 11. При этом двигатель 12 реверсируется,
а полумуфта 7 фиксируется фиксатором (на рисунке не показан),
допускающим ее осевое перемещение. Реверс полумуфты 8 вызывает
осевое перемещение вала 9 вправо, так как кулачки зафиксирован-
ной от поворота полумуфты 3 выходят из зацепления с кулачками
полумуфты 8. При перемещении вала 9 вправо полумуфты 6 и 7
входят в зацепление, сжимая пружину 1 и точно фиксируя угловое
положение инструментальной головки. В конце хода вала 9фиксатор
зажима выключает электродвигатель 12. Резцедержатель готов
к выполнению очередной операции.
3* 67
Рис. 5.5. Коробка подач токарного станка
68
Рис. 5.6. Суппорт токарно-винторезного станка
Рис. 5.7. Поворотный резцедержатель
Рис. 5.8. Инструментальная головка
69
Задняя бабка токарного станка общего назначения показана
:на рис. 5.9. Корпус 14 бабки устанавливают На основании 15, кото-
рое крепят к направляющим станины 1 планкой 3 и винтами 2 и 4,
один из которых (4) связан с эксцентриковым механизмом 5 с рукоят-
кой 6. В корпусе 14 размещена пиноль 10 с центром 12. Пиноль 10
перемещается парой винт—гайка 9—8. Неподвижный в осевом на-
‘ правлении винт 9 связан с маховиком 7. Положение пиноли фикси-
руют поворотом рукоятки 11, связанной с винтом 13. При зажиме
по винту перемещаются встречно две втулки 16 и 17 со скосами,
контактирующими с наружной поверхностью пиноли.
Рие. 5.9. Задняя бабка токарно-винторезного станка
Задняя бабка может быть соединена с кареткой суппорта для
получения подачи. В станках с числовым программным управле-
нием пиноль задней бабки перемещает автономный привод, чаще
гидравлический.
Для облегчения перемещения задней бабки по направляющим
станины применяют пневморазгрузку. Воздух подается от цеховой
пневмосети к направляющим бабки через пневмораспределитель,
связанный с рукояткой зажима-разжима бабки.
Приспособления для токарных станков можно разделить на два
вида: приспособления, предназначенные для крепления деталей,
и приспособления, предназначенные для крепления инструмента.
К первому виду относят патроны (самоцентрирующие и поводковые),
хомутики, упорные центры, люнеты и оправки.
Трехкулачковые самоцентрирующие патроны с различными меха-
низмами привода кулачков приведены иа рис. 5.10. Патрон с клино-
вым зажимом и шестеренно-реечным механизмом синхронизации
перемещения кулачков показан на рис. 5.10, а. На торцах кулачков 1
и гранях реек 2 выполнены клиновые поверхности. Рейки 2 связаны
с центральной шестерней 4. Одна из реек перемещается вручную
винтом 3. Патрон со спирально-реечным механизмом зажима и
механизмом синхронизации показан на рис. 5.10, б. На торцах
70
кулачков 1 нарезаны зубья рейки, взаимодействующие со спираль-
ным диском 2, на задней поверхности которого нарезаны зубья
конического венца 3, зацепляющиеся с ведущими шестернями 4.
Патрон с эксцентриковым механизмом зажима и механизмом
синхронизации показан на рис. 5.10, в.'На кулачках 1 выполнены
Рис. 5.10. Трехкулачковые самоцентрирующие патроны
впадины, входящие в зацепление с эксцентричными выступами 2,
расположенными на торце червячного колеса 3, которое вращают
посредством червяка 4. Патрон с винтовым механизмом зажима
и шестеренным механизмом синхронизации показан на рис. 5.10, г.
На торцах кулачков 1 нарезаны гайки, взаимодействующие с за-
крепленными в корпусе патрона винтами 2, на концах которых
выполнены конические зубчатые колеса 3, зацепляющиеся с цен-
тральным коническим колесом 4. На периферии колеса 4 нарезан
червячный венец, взаимодействующий с червяком 5, поворачнва-
.71
емым при разжиме-зажиме посредством ключа. Для закрепления
некруглых и несимметричных деталей используют четырехкулачко-
вые патроны.
В станках с числовым .программным управлением применяет
патроны с электромеханическим, гидравлическим и пневматическим
приводами. ,)ва
Электромеханический привод рычажного токарного патрона по-
казан на рис. 5.11. Электродвигатель 1 через зубчатый редуктор
(колеса 2—6) вращает колесо 7, свободно сидящее на гайке 9. На
колесе 7 и гайке 9 имеются выступы 8 и 10, образующие однооборот-
ную муфту. Гайка 9 взаимодействует с винтом 11, установленным
в корпусе редуктора с возможностью осевого перемещения и свя-
занным с тягой 12, размещенной в отверстии шпинделя станка.
Перемещение тяги 12 вызывает поворот рычагов 13 и радиальное
перемещение кулачков 14 патрона.
Самозажимной поводковый патрон (рис. 5.12) широко применяют
в тех случаях, когда деталь уже установлена в центрах станка
и требуется только передача крутящего момента от шпинделя к
детали.
72
§2. НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ
ТОКАРНЫЕ СТАНКИ
*- - • • ' - , . . т; - 1 г; ' .-I
Токарно-винторезный станок 16К20 предназначен для
выполнения различных токарных и резьбонарезных работ в условиях
единичного й мелкосерийного производства, а также для ремонтных
работ.
Техническая характеристика
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм:
над станиной....................................... 400
над поперечным суппортом........................... 220
Расстояние между центрами (РМЦ), мм.................... 700, 1000, 1400, 2000
Число частот вращения шпинделя......................... 24 (22 различных зна-
чения)
Частота вращения шпинделя, мин-1.................... . 12,5—1600
Подача, мм/об:
продольная ............................................ 0,055—2,8
поперечная........................................... 0,025—1,4
Шаг нарезаемой резьбы:
метрической, мм.......................................... 0,5—112
дюймовой, число инток на Г . ..................... 56—0,5
модульной, мм...................................... 0,5—112
питчевой, Питч..................................... 5б—0,5
Мощность электродвигателя главного привода, кВт.... 7,5; 10
Габаритные размеры стайка, мм:
длина . , . ..................................... 2470,2760,3160, 3760
высота . *.................................................. 1470
ширина...................................................... 1195
Масса станка (РМЦ 1000 мм), кг ............................... 3000
Кинематическая схема станка приведена на рис. 5. Ц. Главное
движение—вращение шпинделя. Вращение шпинделю ~VI сооб-
щается от электродвигателя Ml через клиноременную передачу
со шкивами диаметром 154 и 268 мм и коробку скоростей. На первом
валу коребкй скоростей установлена двусторонняя фрикционная
муфта Mt, обеспечивающая прямое и обратное вращение шпийделя.
При включении муфты Mt влево движение на вал II передается через
передачи -57- или -хй-. Таким образом, вал II получает две раз-
ОУ
П 29 24 38
личные частоты вращения. Далее через передачи-^-, или -gg-, или-gg-
движение передается на вал Ill, который получает, таким
образом, шесть различных частот вращения. Движение передается
шпинделю VI станка двумя путями. При включении передачи -4?-
30
или -gg- шпиндель получает двенадцать высоких частот вращения.
Передача высоких частот вращения по короткой кинематической
цепи снижает потери на трение. При установке блока шестерен 48, 60
45 15
в правое крайнее положение и включении передач -^g- или -gg- по-
средством .перемещения блока 45, 60 в одно из крайних положений
движение с вала III передается на шпиндель VI через промежуточ-
ные валы IV н V. Таким образом обеспечивается получение двенад-
73
Рис. 5.13. Кинематическая схема токарио-вдиторезного стайка 16К20
П-14В0 мин-'
цати низких частот вращения. Частоты вращения шпинделя 500
и 630 мин-1 повторяются дважды, поэтому фактически шпиндель
имеет 22 частоты вращения. Обратное вращение шпиндель VI полу-
чает при включении муфты вправо. В этом случае движение
передается с вала / на вал // через промежуточный вал VII и пере-
50 36 у,
дачи -gg- и -gg-. Далее движение на шпиндель передается так же,
как при прямом вращении. Обратные частоты вращения изменяются
в пределах 19—1900 мин'1.
Движение подач. Привод подач имеет звено увеличения шага,
механизм реверса (изменения направления вращения), гитары смен-
ных колес, коробки подач и механизма фартука. Вращение от шпин-
деля передается либо на ходовой винт, либо на ходовой вал.
Зубчатые колеса звена увеличения шага установлены на валах
III, VI и VIII (см. рис. 5.13), поэтому вращение на вал VIII может
передаваться либо непосредственно от шпинделя при включенной
60 - nt 45 п
передаче либо от вала III через передачу В этом случае по-
дача и шаг нарезаемой резьбы увеличиваются в 2,8 и 32 раза, в за-
висимости от положения блоков 45, 60 и 48, 60. Вращение с вала VIII
30
на вал X передается либо через передачу либо через промежу-
iv 30 25
точный вал IX и передачи -gg- и что обеспечивает изменение
направления вращения вала X.
Гитара сменных колес расположена между валами X, XI и XII
(гитара двухпарная, с постоянными осями) и содержит две пары
сменных зубчатых колес а — Ь и с — d. Для получения механиче-
ской подачи и нарезания метрических и дюймовых резьб устанавли-
ваются передачи -gg- и -g^- (в зацеплении участвуют три зубчатых
колеса). Для получения модульных и питчевых резьб устанавли-
60 86 .
ваются передачи -gg- и -gg- (в зацеплении участвуют четыре колеса;
на рисунке не показаны).
Входной вал коробки подач XII получает вращение от сменного
колеса d гитары. С вала XII движение может передаваться по двум
кинематическим цепям. Если включены муфты Л13 и Л44, то движение
28
передается с вала XII на вал XIII через передачу -gg- и далее на
28 28 30 42
вал XIV через одну из передач -лй-, -sf-, -sf-> -57г. а затем на вал
Zo uu Zu uU
XV множительного механизма. Если муфты М3 и М4 выключены, то
28 38
движение передается с вала XII на вал XIV через передачи -gg- и -g^-,
30 25 35
далее с вала XIV на вал XIII через одну из передач -75-,
U1J ХО
28
-gg- и с вала XIII на вал XV множительного механизма через пере-
зо
дачу -gg-.
75
При нарезании метрических и модульных резьб и получении
продольных и поперечных механических подач включают муфты М3
и М4 при выключенной муфте М2. При нарезании дюймовых и пит-
чевых резьб отключают муфты М2, Ms и М4.
Множительный механизм содержит два подвижных блока 18,
28 и 28, 48, размещенных на валах XV и XVII, и три зубчатых ко-
леса 45, 35 и 15, жестко закрепленных на валу XVI. Множительной
механизм при включении различных комбинаций передач обеспечи-
вает получение четырех различных передаточных отношений: i' —
, 28 35 . 1 18 35
= 1 — включены передачи -gg- и I — ---------передачи-jg-H-gg-,
1 28 15 . 1 18 15
1 = ~ - передачи -^-и -gg-, i = -g- - передачи и -^g-.
С вала XVII при включенной муфте Л4а движение передается
на вал XVIII— ходовой винт с шагом 12 мм. Муфта М5 включается
в том случае, когда нарезают резьбу. Ходовой вал XX получает
23 24 , , 28
вращение через передачи -gg-, -gg-, обгонную муфту Мо, передачу -gg-.
При этом муфту М-а выключают. Обгонная муфта позволяет совме-
стить вращение ходового вала от коробки подач с вращением его
от отдельного привода вспомогательных перемещений, содержащего
двигатель М2 и ременную передачу От ходового вала вра-
щение передается механизму фартука и далее — на тяговые устрой-
ства.
Получение продольной подачи обеспечивается включением муфт
М6 и М7 (реверс подачи). Тогда движение на реечную передачу
передается от ходового вала XX через передачи -Ц-, -|я-,
uZ oU
, 4 36
предохранительную муфту, червячную передачу.-^р, передачи -^-,
41 17
-р-, муфты Мв или М,, передачу на шестерню 10 реечной
передачи.
Получение поперечной подачи обеспечивается включением муфт
Ма или М9.: Тогда движение с вала червячного колеса 21 передаётся
36 36 , .< 34 55
через передачи -хд-, муфты М9 или /И10, передачи -тт-, -ж-,
•ijv OD иО лУ
29
-рг- на ходовой винт поперечной подачи с шагом 5 мм.
На станке может быть установлен суппорт с механическим при-
водом резцовых салазок. Тогда движение с вала реечной шестерни
передается на винт подачи резцовых салазок с шагом 5 мм через
55 29 20 20 23 30 28 20
передачи 29 , (8 , 20 , 23 , 30 , 28 , 36 , 20 •
Токарный патронно-центровый станок 16К20ФЗ предназначен
для выполнение различных токарных работ в полуавтоматическом
цикле. В зависимости от возможностей используемой системы ЧПУ
на станке можно обрабатывать различные резьбы. Станок выпу-
скают на базе станка 16К20.
76
Техническая характеристика
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм:
иад станиной................................................. 400
иад суппортом .............................................. 220
Число инструментов................................................ 6
Число частот вращения шпинделя............................12 (по программе 9)
[Литота вращения шпинделя, мин*1 .............................. 35—1600
Регулирование подач ....................................... Бесступенчатое
Подача, мм/мии:
продольная................................................ 3—200
поперечная .......................................... 3—500
Скорость быстрых перемещений, мм/мии:
продольных.................................................. 4800
поперечных................................................ 2400
Дискретность перемещений, мм:
продольных................................................ 0,01
поперечных.................................................. 0,005
Габаритные размеры стайка, мм:
длина....................................................... 3360
высота.................................................... 1710
ширина..................................................... 1750
Станок оснащен системой ЧПУ, которая обеспечивает управление
по двум координатам, изменение частот вращения шпинделя и вели-
чин подач, индексацию револьверной головки и нарезание резьбы
по программе.
Рис. 5.14. Кинематическая схема токарного стайка с ЧПУ 16К20ФЗ
Кинематическая схема станка приведена на рис. 5.14. Главное
движение — вращение шпинделя. Вращение шпинделю VI сооб-
»«< 0126
щается от двигателя Ml через клиноременную передачу ,
автоматическую коробку скоростей (АКС), вал ///, клиноременную
* 0 200 Л НО 65 30
передачу зубчатую передачу и передачу или .
77
На валу / АКС свободно установлены зубчатые колеса 36, 30, 24
н электромагнитные муфты Mlt М3 и М3, при включении которых
зубчатые колеса передают крутящий момент на вал //. На этом валу
жестко установлены зубчатые колеса 14, 42, 30, 48, передающие
вращение свободно установленным на валу /// зубчатым колесам 56,
42, 24 и далее через электромагнитные муфты М4, Мъ, Мв на вал III
и затем на шпиндель. Таким образом, АКС обеспечивает получение
девяти автоматически переключаемых частот вращения.
Ручное переключение групповой передачи обеспечивает два
диапазона частот вращения шпинделя: 35—560 и 100—1600 мин-1.
Поскольку шесть частот в указанных диапазонах совпадают по вели-
чине, шпиндель фактически имеет двенадцать частот вращения.
Одновременным включением муфт М4 И Ме осуществляется тормо-
жение шпинделя (кинематический замок).
Движение подач. Приводы продольной и поперечной подач суп-
порта могут иметь два исполнения. В первом исполнении в качестве
двигателя, вращающего ходовые винты X и VIII, используют элек-
трбгидравлический шаговый двигатель. Во втором исполнении ис-
пользуют высокомоментный двигатель постоянного тока. В обоих
случаях движение на винты передается через редуцирующую без-
зазорную зубчатую передачу (малое зубчатое колесо установлено
на валу двигателя). При применении высокомоментного двигателя
постоянного тока на ходовых винтах VIII и X устанавливают дат-
чики обратной связи.
ГЛАВ А 6
СТАНКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ '
ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
§ 1. ФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ
Фрезерные станки предназначены для обработки плоских
н фасонных поверхностей с помощью фрез — многолезвийных ин-
струментов с режущими кромками, расположенными на поверхности
тела вращения или на его торце.
Фрезы могут быть самых различных конструкций, из которых
наиболее распространенными являются цилиндрические, дисковые,
концевые, торцовые, фасонные (рис. 6.1).
Главным движением во фрезерных станках является вращение
фрезы, а движением подачи — относительное перемещение фрезы
и заготовки.
Согласно классификации (см. табл. 1.1), фрезерные станки отно-
сятся к 6-й группе.
В зависимости от расположения узлов станка (компоновки)
различают консольные и бесконсольные фрезерные станки. Основ-
ным конструктивным отличием консольно-фрезерных станков
(рис. 6.2) является наличие консоли 1, перемещающейся в вертикаль-
78
ном направлении по направляющим станины 2. На консоли выпол-
нены горизонтальные направляющие, по которым движутся
салазки 3, несущие стол 4, на котором закрепляют заготовку.
Консольные горизонтальные универсальные станки отличаются
тем, что на салазках 3 установлена промежуточная поворотная
г) S)
Рис. 6.1. Основные типы фрез:
а — цилиндрическая; б — дисковая; в — концевая; г в торцовая; д — фасонная
Рис. 6,2. Коисольно-фрезерные станки:
а — широкоуииверсальный; б — горизонтальный универсальный; в — вертикальный
плита 5, по горизонтальным направляющим которой перемещается
стол 4. Шпиндель 6 станка расположен горизонтально, а на ста-
нине 2 смонтирован хобот 7, несущий поддерживающую серьгу 8.
Фрезу или набор фрез закрепляют в оправке, один конец которой
устанавливают в шпиндель, а другой — в отверстие серьги.
79
Широкоуниверсальный горизонтально-фрезерный станок отли-
чается наличием дополнительной шпиндельной головки 9, смонти-
рованной на выдвижном хоботе. Головка может поворачиваться
на любой угол в вертикальной плоскости. Еще большую универсаль-
ность придает станку наличие накладной фрезерной головки 10 ,
со шпинделем, поворачивающимся под любым углом в горизонталь-
ной плоскости. В этих станках отсутствует поворотная плита.
Рис. 6.3. Бесконсольные фрезерные станки:
а — вертикальный; б — горизонтальный
Вертикальный консольно-фрезерный станок имеет вертикально
расположенную шпиндельную головку 11, которая может поворачи-
ваться в вертикальной плоскости. Известны конструкции станков
этого типа, в которых имеется осевое перемещение шпинделя.
Бесцонсольные вертикально- и горизонтально-фрезерные станки
(рис. 6;3) отличаются тем, что салазки 2, несущие стол 3, пере-
мещаются по горизонтальным направляющим станины 1, а шпиндель-
ная бабка 4 перемещается в вертикальном направлении по направля-
ющим стойки 5.
Рис. 6.4.' Продольно-фрезерный станок
Продольно-фрезерные станки
(одностоечные и двухстоечные)
предназначены для обработки
крупногабаритных деталей в основ-
ном торцовыми фрезами (рис. 6.4).
По горизонтальным направля-
ющим станины 1 перемещается
стол 2, а шпиндельные головки 3
перемещаются по стойкам 4 пор-
тала, связанного балкой 5, или по
направляющим поперечины 6, ко-
торая перемещается " по направ-
ляющим портала.
Карусельно-фрезерные и бара-
банно-фрезерные станки имеют
круглый стол с горизонтальной
80
осью вращения или многогранный барабан с вертикальной осью
вращения, что обеспечивает круговую подачу. На стойках или на
портале размещены шпиндельные головки с одним или несколькими
шпинделями. Эти станки предназначены для обработки различных
деталей в условиях крупносерийного и массового производства.
Z=46 2=26 z=J8 2=82 2=68
Рис. 6.5. Коробка передач горизонтально-фрезерного станка
Станины и стойки фрезерных станков представляют собой корпус-
ные отливки коробчатой формы с ребрами жесткости и служат для
размещения основных узлов станка. На станинах выполняют литые
или накладные направляющие для перемещения узлов.
Коробки скоростей фрезерных станков предназначены для обес-
печения главного движения — вращения шпинделя с различными
частотами (рис. 6.5).
В горизонтально-фрезерных станках шпиндель и валы коробки
скоростей часто монтируются непосредственно в стойке. Изменение
частот вращения шпинделя обеспечивается рядом последовательно
включенных групповых передач с подвижными блоками шестерен.
В станках повышенной точности часто применяют разделенный
81..
привод, имеющий коробки с групповыми передачами в отдельном
корпусе.
В продольно-фрезерных станках шпиндель и коробка скоростей
представляют собой отдельную шпиндельную головку (рис. 6.6),
перемещаемую по направляющим стойки или поперечины. Пере-
мещение на глубину фрезерования и некоторые другие виды работ
требуют наличия осевого перемещения шпинделя. В этом случае
шпиндель 1 монтируют в пиноли 2, которая перемещается парой
Рис. 6.6. Шпиндельная головка продольно-фрезерного станка
шестерня—рейка 3. В рабочем положении пиноль закрепляют меха-
низмом зажима 4, представляющим собой винт с разнонаправленной
нарезкой и две резьбовые втулки со скосами, контактирующими
с наружной цилиндрической поверхностью пиноли.
Шпиндели фрезерных станков имеют сквозное отверстие для
размещения тяги механизма зажима. Передний конец шпинделя
имеет внутреннее коническое отверстие с конусностью 7 : 24 для
базирования оправки или фрезы. На переднем торце шпинделя
установлена шпонка, входящая в паз оправки, и имеются резьбовые
отверстия для крепления оправки или корпуса фрезы.
Опоры шпинделей фрезерных станков мало отличаются от опор,
применяемых в токарных станках.
В2
Поскольку процесс фрезерования характеризуется переменной
величиной силы резания, на шпинделях фрезерных станков иногда
устанавливают маховики, повышающие равномерность вращения
шпинделя. В ряде случаев роль маховика выполняет шестерня
большого диаметра, которую желательно размещать непосредственно
у переднего конца шпинделя (например, г = 69 на рис. 6.5).
Коробки подач фрезерных станков общего назначения предста-
вляют собой многоваловые коробки, изменение частот вращения
выходного вала которых обеспечивается рядом групповых передач
с подвижными блоками или кулачковыми муфтами. Коробки подач
обеспечивают ряд рабочих подач и ускоренные перемещения. Для
предохранения механизма подач от перегрузок в коробках предусма-
тривают предохранительные шариковые или дисковые фрикционные
муфты.
В станках с числовым программным управлением коробки подач
отсутствуют, и вращение от высокомоментного двигателя с широким
диапазоном регулирования передается непосредственно (или через
несложный редуктор) на тяговое устройство (ходовой винт). Требу-
емая частота вращения шпинделя и подача во фрезерных станках
обеспечиваются относительно сложным, но удобным в эксплуатации
механизмом управления. Назначение этих механизмов — предва-
рительный выбор требуемой частоты или подачи во время работы
станка на предыдущей операции и, после остановки станка, включе-
ние новой частоты или подачи одной рукояткой. Очевидно, такой
механизм должен обеспечить перемещение блоков и включение
кулачковых муфт в определенной, наперед заданной комбинации.
Механизм управления главным движением фрезерного станка
показан на рис. 6.7. В отдельном корпусе 1, монтируемом на перед-
ней стенке коробки скоростей, расположен указатель 2 частот вра-
щения шпинделя. Поворачивая этот указатель, через установленные
на валиках 4 и 6 конические колеса 5 и 7 можно поворачивать диск
переключения 16. В диске переключения имеются концентрично
расположенные отверстия определенного диаметра, которые при
фиксированном повороте диска устанавливаются против каждой
пары толкателей 14 и15, предназначенных для переключения одного
блока. Число пар толкателей соответствует числу перемещаемых
блоков зубчатых колес или кулачковых муфт. На рисунке показан
только один блок 11. Толкатели связаны между собой шестеренно-
реечной передачей 8, 9, 10, причем на одном из толкателей закре-
плена вилка 12, взаимодействующая с блоком. Правые концы тол-
кателей выполнены ступенчатыми для обеспечения двух или трех
положений блока. Рукояткой 18 через сектор-рейку 20 перемещают
вилку управления диском 17. Между рейками шестеренно-реечной
передачи и толкателем установлены пружины 13, которые сжи-
маются при совпадении зубьев блока и шестерни по торцам. Поло-
жение рукоятки 18 и указателя 2 фиксируется соответственно фикса-
торами 19 и 3.
В начале переключения рукояткой 18 отводят диск 16 в правое
положение. Затем указателем 2 поворачивают диск 16, угловое по-
83
ложеиие которого соответствует заданной частоте вращения шпин-
деля. Рукояткой 18 диск перемещают влево. Если против одного
из толкателей каждой пары отсутствует отверстие (против другого
толкателя пары в этот момент находится отверстие), то толкатель
или непосредственно, или через реечную передачу перемещает блок
в нужное положение. Если требуется перемещать тройной блок, то
толкатели блока на левом конце имеют две ступени.
Рис. 6.7. Механизм управления
главным движением фрезер-
ного стайка с гидравлическим
приводом
Аналогично устроен и механизм управления движением подачи.
В тяжелых фрезерных станках механизм переключения имеет ги-
дравлический или электрический привод.
Механизм управления главным движением фрезерного стайка
с гидравлическим приводом приведен на рис. 6.8. Блоки шестерен /,
2, 19, 22 перемещаются соответственно вилками 12, 6, 18, 23, которые
закреплены на штоках 11, 5, 17, 21 гидроцилиндров 14, 3, 16, 20.
Штоки 5 и 11 в отличие от штоков 17 и 21 выполнены ступенчатыми.
В гидроцилиндрах 14, 3, 9, 8 установлены втулки 13, 10, 7, 4. Это
сделано для того, чтобы обеспечить нейтральное положение блоков /
и 2 при блокировке и среднее положение при применении тройного
блока. Жидкость насосом 24 подается к поворотному распредели-
телю 15 и от него в требуемые полости гидроцилиндров; при этом
противоположные полости соединяют со сливом. Для установления
блоков 1 и 2 в среднем положении жидкость поступает в противо-
положные полости одновременно.
84
Приспособления, применяемые во фрезерных станках, можно
разделить на приспособления для закрепления заготовок, приспо-
собления для закрепления фрез и приспособления, расширяющие
технологические возможности фрезерных станков.
Для закрепления заготовок непосредственно на столе станка
служат прихваты различной формы, подставки и угловые плиты
^простые и:универсальные). Нередко заготовки крепят в различного
вида машинных тисках. Тиски могут иметь ручной или гидравли-
ческий (пневматический) привод. Заготовки можно закреплять также
на накладных столах, поворотных и неповоротных, в патронах и на
оправках, в универсальных сборных приспособлениях.
Рис. 6.8. Механизм управления глав-
ным движением
Рис. 6.9. Гидравлическое приспособле-
ние для затяжки тяги
Фрезы крепят на оправках, которые имеют конический хвостовик
с резьбовым гнездом на торце. Хвостовик устанавливают в кони-
ческое отверстие шпинделя станка и плотно притягивают тягой,
проходящей через сквозное отверстие шпинделя станка. Тяга имеет
резьбовой конец, взаимодействующий с резьбовым гнездом оправки.
Крупные торцовые фрезы имеют хвостовик, который устанавливают
непосредственно в коническое отверстие шпинделя. Корпус фрезы
притягивают к торцу шпинделя винтами, входящими в резьбовые
отверстия, предусмотренные на переднем торце шпинделя станка.
Концевые фрезы имеют конический или цилиндрический хвостовики;
их крепят в патронах, устанавливаемых на шпиндель станка.
При закреплении тяжелых фрез используют гидравлические или
механические приспособления для перемещения тяги. Гидравличе-
ское устройство для закрепления тяги показано на рис. 6.9. Кони-
ческий хвостовик оправки 1 и конец тяги 3 снабжены байонетным
захватом 2'. Фрезу 8 вводят в шпиндель станка и поворачивают так,
чтобы сработал байонетный захват. Тяга 3 перемещается вверх
85
пакетом тарельчатых пружин 4, связанных с ней шариковым устрой-
ством 5. Пружина 4 обеспечивает при этом силу зажима. Гидро-
цилиндр 6, воздействуя через шарик 7 на торец тяги, осуществляет
разжим.
Для расширения технологических возможностей фрезерных стан-
ков используют различные приспособления, позволяющие сообщить
закрепляемой детали дополнительные рабочие или вспомогательные
движения. К ним относятся круглые поворотные столы с механизмом
поворота, связанным с механизмом подачи стола станка, делительные
Рис. 6.10. Оптическая делительная головка:
а — общий вид; 6 — осевое сечение по шпинделю; в — шкала микроскопа
головки с прерывистым и непрерывным поворотом, одношпиндельные
и многошпиндельные, сверлильные, долбежные и шлифовальные
головки.
Оптическую делительную головку (рис. 6.10) используют при
обработке особо точных деталей. Шпиндель 1 делительной головки
приводят во вращение маховиком 7 через червячную пару 2—8.
На шпинделе закреплен стеклянный диск 3 со шкалой, с ценой
деления 1°. Углы отсчитывают с помощью микроскопа 5, в опти-
ческую систему которого включена неподвижная шкала 6, на которой
нанесено 60 делений с ценой деления Г. Свет через окно 4 падает
на шкалу 6 и отражается на стеклянном диске 3. В окуляре микро-
скопа 5 видны совмещенные изображения шкалы 6 и шкалы на диске
3. Точность отсчета углового положения шпинделя с помощью такой
головки до Г.
Вертикально-фрезерный консольный станок с числовым про-
граммным управлением 6Р13РФЗ предназначен для обработки дета-
86
лей сложной формы торцовыми и концевыми фрезами. Станок снаб-
жен револьверной головкой, в которой могут быть установлены также
сверла, зенкеры, развертки.
Техническая характеристика
Размер рабочей поверхности стола (длинахширина), мм . , , , . 1600X 400
Частота вращения шпинделя, мин'1................. 40—2000
Число частот вращения шпинделя................... 18
Рабочая подача, мм/мин:
по осим X' и Y' .................... . 8—1200
по оси Z ......................... 8—800
Регулирование....................................Бесступенчатое
Скорость быстрых перемещений по осям X' и У1, мм/мин; . / , 4000
Габаритные размеры стайка, мм:
длина.......................................... 2575
высота.................................... . . 2180
ширина......................................... 2480
Число инструментов в револьверной головке ............ 5
Число управляемых координат:
всего ...............-....................... . 6
одновременно ................................. 3
Дискретность отсчета по осям координат, мм ...... 0,01
Системы числового управления Н331 или Н331М обеспечивают
формообразование по трем координатам. Кинематическая схема
станка показана на рис. 6.11.
Привод главного движения. Вращение на шпиндель VIII поворот-
ной револьверной головки передается от электродвигателя постоян-
27 22
ного тока Ml типа ПБСТ-63 через передачи групповые
38 27 78 19 53 34
передачи и далее через цилиндрическую
20 22
и коническую или передачи.
Комбинация двигателя с бесступенчатым регулированием и ко-
робки скоростей обеспечивает 18 частот вращения шпинделя в диапа-
зоне 40—2000 мин-1, переключаемых автоматически по заданной
программе.
Привод подач и установочных перемещений стола и консоли осу-
ществляется от шаговых двигателей М3, М4, М5 типа ШД5-Д1
с гидроусилителями моментов Э32Г18-24.
Поперечная подача стола осуществляется по цепи: М3 — пере-
20 21 „ о
дача -ад--передача — шариковый ходовой винт с шагом 8 мм.
Вертикальная подача консоли по цепи: М4 — коническая пере-
27 39
дача —цилиндрическая передача —шариковый ходовой
04 иО
винт с шагом 8 мм. Ходовой винт вертикальной подачи связан
через коническую и гидравлические передачи с гидравлической
муфтой Мх, предохраняющей консоль от самопроизвольного опу-
скания.
87
‘ Пр'б^гьная подача стола по цепи:: М5 — передач# — пере-
26" .. „ ' .. ' ‘'
дача -^гуг— шариковый ходовой винт е шагом 8 мм.
Поворот револьверной головки осуществляется от гидродвигателя
Г12-22 через передачи ----— вал XII с водилом и мальтийский
крест. . -
Рис. 6.11. Кинематическая схема вертикально-фрезерного консольного станка
с числовым программным управлением
Вертикальио-фрезериый станок МА655ФЗ с крестовым столом
и числовым управлением предназначен для обработки деталей слож-
ной конфигурации в условиях единичного и мелкосерийного произ-
водства, может быть использован в автоматизированном комплексе
с управлением от ЭВМ.
Техннческаи характеристика
Размер рабочей поверхности стола, мм:
длина....................................................’ 1250
ширина....................................................... 500
Частота вращения шпинделя, мин-1. . :.................... 63—2500
Число частот вращения шпинделя................................... 17
Рабочая подача, мм/мин:
стола................................................... 12—700
ползуна.................................................... 12—700
88
Регулирование подач.стола и ползуна . ..... . . . . . Бесступенчатое
Скорость быстрых перемещений стола и ползуна, мм/мин... 1400
Наибольшее перемещение стола, мм: .. .. .......
продольное ......................................... Ю00
поперечное .у. г ..............................*... - 500, ;
Число управляемых координат:
• всего . . . ....................................... & '
одновременно ....................................... 3
Система числового управления............................Фазово-импульсная
типа УМС-2Ф
Рис, 6.12. Кинематическая схема вертикально-фрезерного стайка с числовым
программным управлением
Кинематическая схема станка приведена на рис. 6.12.
Привод главного движения содержит асинхронный двигатель и
ступенчатую коробку скоростей. Посредством пяти подвижных
89
блоков, управляемых селективным механизмом, получают 17 раз-
личных частот вращения шпинделя (в станке применена структура
привода главного движения с перекрытием ряда частот вращения).
Приводы подач и установочных перемещений стола и ползуна
выполнены в виде тиристорных следящих электроприводов с исполь-
зованием двигателей ПГТ-2. Контроль по пути и скорости осу-,
ществляется соответственно вращающимися трансформаторами ВТ
и тахогенераторами.
Вертикальное перемещение ползуна осуществляется от двига-
12 36
теля М2 через передачи и на ходовой винт с шагом 6 мм.
Зубчатые передачи выполнены беззазорными. Поперечное перемеще-
ние салазок и продольное перемещение по ним стола осуществляется
соответственно от двигателей М4 и М3 через беззазорные червяч-
ные редукторы на ходовые винты с шагом 12 мм. Червячные редук-
торы имеют две параллельные кинематические цепи, зазор в кото-
рых выбирают осевым смещением одного из червяков. Ходовые винты
связаны через беззазорные зубчатые передачи с вращающимися
трансформаторами ВТ.
Шпиндельная бабка, по направляющим которой перемещается
ползун, имеет вертикальное установочное перемещение, осуще-
ствляемое от электродвигателя переменного тока М5 через червяч-
2 , 40
ную передачу -gg-, зубчатую передачу -^д- и ходовой винт с ша-
гом 8 мм.
§ 2. МНОГООПЕРАЦИОННЫЕ СТАНКИ
Многооперационные (многоцелевые) станки с числовым
программным управлением предназначены для комплексной обра-
ботки деталей с автоматической сменой инструментов. Многоопера-
ционные станки в основном используют для обработки призмати-
ческих и корпусных деталей, имеющих большое число гладких, сту-
пенчатых и резьбовых отверстий различных диаметров и располо-
женных с разных сторон детали. Кроме того, возможна обработка
плоскостей и сложных контуров.
Таким образом, на многооперационных станках производят свер-
ление, зенкерование, растачивание, развертывание, нарезание
резьбы, подрезание торцов, фрезерование контуров и плоскостей.
Известны станки, на которых кроме указанных операций возможны
разметка, строгание, протягивание.
Отличительной особенностью этих станков является максималь-
ная концентрация операций на одной позиции, т. е. замена одним
многооперационным станком нескольких станков, каждый из ко-
торых осуществлял бы свою операцию. Следовательно, назначение
многооперационных станков диктует необходимость иметь значи-
тельный запас инструментов, автоматическую их смену, устройство
для периодического деления, обеспечивающее обработку с несколь-
ких сторон, и приспособление для автоматической смены заготовок,
90
Автоматическая обработка сложно» корпусной детали в условиях
мелкосерийного производства требует оснащения многооперацион-
ных станков универсальной системой числового программного
управления, обеспечивающей управлением циклом, установку коор-
динат, контурную обработку, периодическую установку в исходное
положение, изменение режимов резания, автоматическую смену
инструментов, автоматический поворот заготовки, автоматическую
смену заготовки.
f2
Рис. 6.13. Горизонтальный многооперацнонный станок
На станках этого типа, как правило, обрабатывают дорогостоя-
щие детали, поэтому многооперационные станки должны обладать
высокой надежностью. С этой целью станки оснащают системами
диагностики и контроля детали и инструмента, а в системе числового
управления должна быть предусмотрена возможность ручной
(с пульта) или автоматической коррекции положения и перемеще-
ния узлов станка и инструментов, а также режимов резания в со-
ответствии с показаниями контрольно-измерительной аппаратуры.
Наиболее распространенные многооперационные станки имеют
компоновку, сходную с компоновками станков общего назначения.
На рис. 6.13 приведена компоновка многооперационного станка,
выполненного иа базе горизонтально-расточного станка. Стойка 3
91
перемещается по горизонтальным направляющим станины в направ-
лении,совпадающем с направлением оси шпинделя 1. Стол станка
состоит из двух частей: нижняя часть 10 перемещается по горизон-
тальным направляющим станины в направлении, перпендикуляр-
ном оси вращения шпинделя; верхняя часть 11— поворотная.
Шпиндель установлен в выдвижной пиноли. Шпиндельная бабка 2
перемещается по вертикальным направляющим стойки. Станок снаб-
жен инструментальным магазином 5, выполненным в виде беско-
нечной цепи, звенья которой несут гнезда для размещения оправок
с инструментами. Из магазина требуемый инструмент извлекает авто-
оператор 4 и передает его в шпиндель станка. На станине 8 установ-
Рис. >6.14. Мнргооперационный станок токарного типа
лен дополнительный стол 9 с приспособлением-спутником 7, на
котором закрепляют подготовленную к обработке заготовку 6.
В начале цикла обработки приспособление-спутни-к вместе с заго-
товкой перемещается по столу 9 в направлении стола 10 станка,
который в этот момент установлен в положение загрузки. После
передачи приспособления-спутника с заготовкой на поворотный
стол 11 станка и закрепления его нижний стол 10 станка переме-
щается в зону обработки. С противоположной стороны установлен
аналогичный дополнительный стол 12 с приспособлением-спутни-
ком, на котором во время обработки предыдущей заготовки закреп-
ляют последующую. После полной обработки деталь возвращается
на стол 9, и следующая заготовка со стола 12 устанавливается в зону
обработки. Такой «маятниковый» способ загрузки детали позволяет
совместить вспомогательное время, затрачиваемое на закрепление
детали, с машинным временем обработки, что существенно повы-
шает производительность станка.
Многооперационный станок токарного типа приведен на
рис. 6.14. Заготовку крепят в патроне 4, установленном на шпин-
92
деле станка. На суппорте 7, совершающем продольное и поперечное
перемещения, смонтирован корпус 2, несущий револьверную го-
ловку 3, в которой устанавливают инструменты, обеспечивающие
обработку, характерную для токарных станков (обтачивание, рас-
тачивание, сверление, зенкерование, нарезание резьбы). Для обра-
ботки длинномерных заготовок в центрах предусмотрена задняя
бабка 8. Однако, в отличие от токарных станков, на корпусе 2 уста-
новлены дополнительный инструментальный шпиндель 7 и мага-
зин 5 с инструментами, а шпиндельная бабка станка имеет верти-
Рис. 6.15. Агрегатный многооперационный станок
кальное перемещение и фиксированный поворот шпинделя на за-
данный угол. Это позволяет изменять положение заготовки относи-
тельно инструментального шпинделя и фрезеровать шпоночные ка-
навки, пазы и уступы на валиках, а также обрабатывать отверстия,
оси которых перпендикулярны оси вращения шпинделя станка.
Смена инструментов в инструментальном шпинделе осуществляется
автооператором 6. Для удаления стружки служат скребковый кон-
вейер 10 и тележка 9.
Многооперационный станок, выполненный по принципу агрегат-
ных станков, показан на рис. 6.15. Корпусные детали закрепляются
на поворотном столе 6. С двух противоположных сторон стола на
кронштейнах 4 и 8 расположены шпиндельные бабки 3 и 9, которые
могут перемещаться в трех направлениях: вертикально вместе
с кронштейнами, горизонтально перпендикулярно оси шпинделя
по направляющим кронштейнов вместе с салазками 5 и 7 и в направ-
лении оси шпинделя по направляющим салазок. Каждая шпиндель-
ная бабка оснащена магазином, в котором установлено 15 сменных
93
инструментов. Смена инструментов осуществляется при повороте
и осевом перемещении магазинов 1 н 2; при этом шпиндельные бабки
находятся в верхнем положении.
Известны компоновки многоинструментных станков на базе
продольно-фрезерных и сверлильных станков общего назначения,
а также агрегатные многооперациониые станки со сменными шпин-
дельными коробками.
Конструкции шпиндельных бабок многооперационных станков
существенно зависят от компоновки станка. В станках, скомпоно-
ванных на базе вертикально-фрезерного станка, конструкция шпин-
деля и его опор не отличается от аналогичных конструкций станков
общего назначения. Шпиндель монтируют или непосредственно
в корпусе шпиндельной бабки,-или, для облегчения сборки, в не-
подвижной гильзе, установленной в корпус бабки. В качестве опор
шпинделей применяют радиальные подшипники типа 3182000, ра-
диально-упорные и упорные подшипники, а также подшипники типа
178000. Выбор радиальных и осевых зазоров осуществляется обыч-
ными средствами.
В отличие от станков общего назначения, привод вращения шпин-
деля осуществляется электродвигателем постоянного тока с широ-
ким диапазоном регулирования частот вращения, связанных не-
посредственно или через ременную передачу с коробками скоростей,
содержащими одну или две групповые передачи. Коробку скоростей
применяют для увеличения диапазона регулирования частот вра-
щения с постоянной мощностью. Автоматическое управление пере-
мещением скользящих блоков в групповых передачах осуществляется
электромеханическими и гидравлическими устройствами.
Развертка валов шпиндельной бабки многооперационного фре-
зерно-сверлильного станка показана на рис. 6.16. Вращение шпин-
деля 1 осуществляется или непосредственно через ременную пере-
дачу 7, минуя коробку скоростей, что происходит при включенной
полумуфте 2 и среднем положении блока шестерен 3, или через ко-
робку скоростей при выключенной полумуфте 2 и включенном в за-
цепление блоке 3 с одной из шестерен 4 или 5, закрепленных на
втулке 6, связанной со шпинделем шлицевым соединением. Таким
образом, привод вращения шпинделя имеет сложенную структуру.
На развертке показан механизм перемещения вилки 12, вклю-
чающей полумуфту 2 и передачу 8, 9. От электродвигателя 17 че-
рез зубчатую передачу 11 вращается винт 10, который перемещает
вилку 12. Между гайкой и вилкой установлена пружина 18, которая
сжимается в случае совпадения зубьев переключаемых элементов,
а затем при их относительно медленном повороте досылает полу-
муфту 2 или блок 3 в требуемое положение. Конечные положения
вилки определяют кулачками 13 и 14, воздействующими на микро-
переключатели 15 и 16. Аналогично устроен и механизм перемеще-
ния блока 3.
Вариант механизма перемещения скользящих блоков с гидрав-
лическим приводом приведен на рис. 6.17. В момент переключения
двигатель главного движения затормаживается, и жидкость по-
94
дается в полость 1 гидроцилиндра 2 с неподвижным штоком 3. При
этом корпус гидроцилиндра перемещается и нажимает вначале на
подпружиненный шток 8, который воздействует на микропереклю-
чатель 6. При этом электродвигатель включается на работу в ре-
Рис. 6.16. Шпиндельная бабка фрезерно-сверлильного многооперационного станка
жиме импульсного качательного движения. Затем корпус гидро-
цилиндра перемещает втулку 4, которая перемещает вал-шестерню 9.
При дальнейшем движении втулки подпружиненный шток 7 запа-
дает в углубление втулки; при этом включается микропереключа-
95
в противоположном направлении,
Рис. 6.17. Механизм переключения
скользящих блоков с гидравлическим
приводом
тель 5, и двигатель переходит
в режим нормального враще-
ния. Для обратного перемеще-
ния вала-шестерни 9 в по-
лость 10 подается жидкость,
корпус гидроцилиндра 2 пере-
мещается в обратном направ-
лении, шток 7 выходит из от-
верстия, срабатывает микропе-
реключатель 5, и двигатель
переходит на работу в режиме
качательного движения. Втулка
4 перемещает вал-шестерню
освобождается шток 8, и микро-
переключатель 6 переключает двигатель главного движения на
работу в режиме нормального вращения.
Если многооперационный станок (рис. 6.18) скомпонован на базе
горизонтально-расточного станка, то внутри основного полого шпин-
деля 1 располагают выдвижной расточной шпиндель 2, причем оба
шпинделя имеют автономные устройства для закрепления инстру-
мента . 4
Шпиндельные бабки токарных многооперационных станков
часто выполняют подвижными. Вариант выполнения шпиндельной
бабки, подвижной в осевом направлении, показан на рис. 6.19.
Шпиндель 1 станка размещен в отдельном корпусе 2, перемещаемом
по направляющим. Вращение шпинделя в широком диапазоне ча-
стот осуществляется от неподвижной коробки скоростей 5, связанной
со шпинделем подвижным шлицевым соединением 6. Фиксирован-
ный поворот шпинделя производится отдельным электродвигателем 4,
установленным на шпиндельной бабке, через зубчатые передачи и кон-
тролируется датчиком 3 обратной связи. Такая компоновка привода
главного движения позволяет получить легкую термосимметричную
шпиндельную бабку, что обеспечивает повышение точности станка.
Многооперационные станки, как правило, имеют приводы по-
дач, выполненные в виде шариковых винтовых пар, связанных соеди-
нительными муфтами (рис. 6.20) с высокомоментными электродвига-
телями. Между корпусом 1 муфты и валом 2 установлены тонкие ко-
нические втулки 3, затягиваемые в коническое отверстие корпуса
винтами 4. При этом втулки радиально деформируются и плотно
охватывают вал. Корпуса 1 и 6 соединены между собой стальным
гофрированным кольцом 5 (сильфоном), допускающим некоторое
смещение или перекос осей валов, но исключающим их относитель-
ный поворот.
Один из вариантов крепления ходового винта и гайки качения
показан на рис. 6.21. Винт 4 растянут между опорами 2 и 5 гай-
96
4 П/р В. Э. Пуша
97
Рис. 6.19. Шпиндельная бабка токарного многооперационного станка
98
ками 1 и 6, а в паре винт 4 — гайка 3
создан предварительный натяг. Та-
кое двухопорное крепление растя-
нутого винта компенсирует погреш-
ности монтажа и температурные де-
формации.
В качестве направляющих под-
вижных узлов многооперационных
станков, как правило, используют
направляющие качения. Известно
использование в станках этого типа
гидростатических и аэростатических
направляющих, а также полимерных
материалов на основе фторопласта,
обеспечивающих коэффициент трения
покоя 0,002—0,003.
Рис. 6.20. Сильфонная муфта
Низкий коэффициент трения покоя всех видов направляющих
диктует необходимость введения устройств для зажима подвижных
узлов многооперационных станков.
Устройства для автоматической смены инструментов, приме-
няемые в многооперационных станках, разнообразны по конструк-
ции и могут быть укрупненно разделены на три группы: устройства,
Рис, 6.21. Крепление ходового шарикового виита
обеспечивающие смену инструментов путем поворота револьверной
головки, в которой они установлены; устройства для автоматической
смены инструментов без автооператора; устройства для смены
инструментов с автооператором.
Устройства первой группы по конструкции мало отличаются от
устройств, применяемых в токарно-револьверных станках и авто-
матах. Единственным отличием является обеспечение выборочного
поворота револьверной головки в любом направлении и установка
ее в любой позиции.
4*
99
В устройствах второй группы предусмотрен перенос инструмен-
тов из магазина в шпиндель станка и обратно только за счет движе-
ний, сообщаемых магазину и шпинделю. Есть конструкции, в ко-
Рис. 6.22. Устройства для автоматической смены инструмента с магазином, распо-
ложенным соосно со шпинделем (а) и параллельно ему (б, в)
торых магазин 1 размещен соосно со шпинделем 2 (рис. 6.22, а),
и. конструкции, в которых ось магазина 1 параллельна оси шпин-
деля 2 (рис. 6.22, б, в).
а) 6)
Рис. 6.23. Устройства для автоматической смены инструмента с автооператором
и магазином:
а — дисковым; б — цепным; в расположенным иа стойке станка
Недостатком устройств этой группы является большая потеря
времени на перегрузку инструментов, так как она связана с пере-
мещениями узлов значительной массы. Кроме того, вместимость ма-
газина относительно невелика (12—15 инструментов).
В устройствах третьей группы (рис. 6.23) обязательно наличие
одного или двух автооператоров 1. Автооператор — приспособление
100
малой массы, совершающее пово-
ротное и осевое движения и пе-
ремещающее инструменты из ма-
газина 2 в шпиндель 3 станка и об-
ратно. Магазины этих устройств
большой вместимости (до 100 ин-
струментов) дискового или цеп-
ного типа располагают вне станка
на отдельных стойках или на
верхнем торце стойки станка.
Известны устройства смены ин-
струмента, имеющие промежуточ-
ную позицию, в которой временно
находится перемещаемый инстру-
Рис. 6.24. Устройство для автомати-
ческой смены инструмента с автоопе-
ратором и позицией ожидания
мент «позиция ожидания». В этом
случае медленное вращение ма-
газина большой вместимости, при условии кодирования гнезда ма-
газина, совпадает со временем обработки, а подготовленный к за-
грузке в шпиндель или извлеченный из шпинделя инструмент на-
ходится в позиции ожидания. На рис. 6.24' приведено устройство
такого типа для многооперационных станков с горизонтальным рас-
положением шпинделя.
Три инструментальных магазина 1, 2, 3 вместимостью до 30
инструментов установлены на отдельной стойке. Поворотное гнездо 5
позиции ожидания и основной автооператор 6 размещены на шпин-
дельной бабке 4. Для переноса инструментов из магазинов в пози-
цию ожидания и обратно служит дополнительный автооператор 7,
который может поворачиваться вокруг своей оси и перемещаться
вертикально по дополнительным направляющим стойки 8. Таким
образом, загрузка позиции ожидания и шпинделя может присходить
при любом положении шпиндельной бабки. Автооператор 7 заби-
рает инструмент из любого магазина и переносит его в позицию
ожидания. Гнездо позиции ожидания поворачивается на 90Q, что
обеспечивает установку его в плоскости действия автооператора 6,
обеспечивающего загрузку и удаление инструмента.
Устройства для зажима инструментов в шпинделе станка мало
отличаются от устройств для механизированного зажима, приме-
няемых в станках общего назначения. В наиболее распространен-
ных зажимных устройствах зажим осуществляется пакетом тарель-
чатых пружин, а разжим — гидроцилиндром. В устройствах для
автоматической смены инструмента передний конец тяги оснащен
замком, который может быть выполнен в виде шарикового, цанго-
вого, рычажного или кулачкового захвата, взаимодействующего с пе-
реходником, ввернутым в резьбовое отверстие оправки инструмента.
В поворотных рычагах автооператоров оправки инструментов
закрепляют подпружиненными фиксаторами, которые отводятся
кулачками. В гнездах магазинов оправки инструментов закрепляют
подпружиненными защелками, срабатывающими при осевом пере-
мещении оправки.
101
Многооперационный станок 2623ПМФ-4 предназначен для обра-
ботки в корпусных деталях отверстий концевыми инструментами.
На станке производят сверление, зенкерование, растачивание, раз-
вертывание, нарезание резьбы, фрезерование.
Техническая характеристика
Диаметр выдвижного шпинделя, мм................................... 110
Коиус крепления инструмента в шпинделе.......................... № 50
Размер встроенного поворотного стола н стола-спутника, мм:
ширина........................................................ 1 120
длина......................................................... 1250
Наибольшая масса устанавливаемой заготовки, кг:
на столе........................‘............................. 4 000
на столе-спутнике ............................................ 2 000
Перемещения, мм:
вертикальное шпиндельной бабки.................................. 1 250
продольное шпинделя........................................... 500
продольное стойки............................................... 1 000
поперечное стола ............................................... 1 600
Круговое перемещение стола, °..................................... 360
Частота вращения шпиндели, мни-*..................................5—1 250
Число частот вращения шпинделя ................................... 25
Наибольший диаметр отверстий, растачиваемых шпинделем, мм......... 320
Наибольшая тяговая сила подачн, Н:
стойки......................................................... 15 000
шпинделя....................................................... 10 000
шпиндельной бабкн............................................... 8 000
стола (поперечная).............................................. 8 000
Подача подвижных узлов (регулирование бесступенчатое), мм/мин . . . 2—1 600
Скорость быстрых перемещений подвижных узлов, мм/мин.............. 8 000
Число инструментов в магазине, шт. ............................... 50
Мощность главного привода, кВт.................................... 15
Габаритные размеры станка, мм:
длина........................................................... 8 300
высот а......................................................... 7 500
ширина......................................................... 4 500
Масса станка, кг.................................................... 31 000
Станок снабжен инструментальным магазином с цепным приво-
дом и устройством для автоматической смены столов-спутников,
a 7ак же системой числового программного управления подвижными
узлами по пяти координатам.
Кинематическая схема станка приведена на рис. 6.25. Кинема-
тика станка исключительно простая и не требует подробных поясне-
ний. Привод главного движения (вращение шпинделя) имеет широ-
кий диапазон регулирования; в него входят двигатель постоянного
тока мощностью 15 кВт при п = 750 мин-1 и двухступенчатая ко-
робка скоростей. Частота вращения шпинделя регулируется в диа-
пазоне 750—2350 мин-1 при постоянной мощности и в диапазоне
47—750 мин-1 при постоянном моменте. Механизм переключения
зубчатых колес в коробке скоростей гидравлический с приводом от
гидроцилиндра. В момент переключения двигатель главного
движения затормаживается и переходит на работу в режиме
медленного качательного движения, а в конце хода гидроцилиндра
нормальное вращение двигателя восстанавливается.
102
!Г‘^кВт
Привод перемещения шпиндельной бабки осуществляется от
высокомоментного двигателя постоянного тока, связанного (без ре-
дуктора) с винтом специальной муфтой, обеспечивающей возмож-
ность установки двигателя с некоторым отклонением от соосности
и беззазорное соединение с винтом с высокой жесткостью на кру-
чение. Самопроизвольное перемещение бабки при отказе гидравли-
ческого механизма ее уравновешивания предотвращается тормозом
55
Л11, связанным с ходовым винтом передачей
ГЛАВА 7
СТАНКИ ДЛЯ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
§ 1. круглошлифовальные станки
Круглошлифовальные станки предназначены для наруж-
ного шлифования гладких и прерывистых цилиндрических и торцо-
вых поверхностей тел вращения. На станках этого типа можно вы-
полнять продольное и врезное шлифование при ручном или автома-
тическом управлении.
Рнс. 7.1. Компоновка круглошлифовального центрового станка
Наиболее распространенная компоновка круглошлифовального
центрового станка показана на рис. 7.1. Станок состоит из следую-
щих основных узлов: станины 1, шлифовальной бабки 3, передней
бабки 2, задней бабки 4, стекла 5. Шлифовальные станки имеют
устройство для правки шлифовального круга (на рисунке не по-
казан).
Станина и стол круглошлифовального станка приведены на
рис. 7.2. На продольных направляющих станины установлен ниж-
104
ний стол 6, на котором смонтирован поворотный верхний стол 5.
Стол 5 можно поворачивать винтом 2 вокруг оси подшипника 4.
Фиксированный поворот стола 5 необходим для обработки кони-
ческих поверхностей. Нижний стол 6 перемещается гидроцилйн-
дром 3, закрепленным на станине. Штоки поршня гидроцилиндра
связаны со столом 6. На станине закреплена плита 1, на поперечных
направляющих которой перемещается шлифовальная бабка
(рис. 7.3).
Шпиндель 1 шлифовальной бабки установлен в двух гидродина-
мических подшипниках скольжения с самоустанавливающимися
вкладышами 5. В осевом направлении шпиндель фиксируется сфе-
рическими бронзовыми шайбами 2 и 3, прижатыми к бурту шпинделя
резьбовой втулкой 4.
Иногда в качестве опор шпинделя используют подшипники ка-
чения и гидростатические подшипники. Шлифовальная бабка пе-
ремещается по направляющим качения. Для особо точных станков
применяют гидростатические направляющие.
Шпиндель 5 передней бабки (рис. 7.4) неподвижен. В нем уста-
новлен центр 4, на котором базируется заготовка. Вращение пере-
дается поводком 3, закрепленным на планшайбе 2. Планшайба при-
водится во вращение от двигателя 1 постоянного тока через две кли-
ноременные передачи, натяжение которых регулируют эксцентри-
ковой втулкой 6, поворачиваемой червяком 7.
105
В расточке корпуса 1 задней бабки (рис. 7.5) вручную или гид-
роцилиндром 4 перемещается пиноль 2, в которой установлен задний
центр 3.
На рис. 7.6 представлен прибор для правки шлифовального
круга. На корпусе 1 установлены продольные направляющие 2,
по которым перемещается каретка 3. Каретка имеет направляющие 6,
расположенные под углом 45°, по которым перемещается суппорт 8,
контактирующий с копиром 10. Копир может иметь гладкую или
ступенчатую форму. Каретку перемещает шток 13 гидроцилиндра.
В суппорте размещена пиноль 11 с алмазодержателем 12, переме-
щаемая в осевом направлении винтом 7, который поворачивается
либо вручную маховиком 9, либо гидроцилиндром 4 через храповой
механизм с храповым колесом 5. Таким образом обеспечивается
глубина врезания алмазного карандаша.
106
Приспособления, применяемые при обработке на круглошли-
фовальных станках, можно разделить по назначению на два типа:
приспособления для базирования и закрепления деталей; приспо-
собления для передачи вращения заготовке.
К приспособлениям первого типа можно отнести различные
оправки, которые подразделяют на жесткие с закреплением по ко-
нусу или торцу, разжимные с цанговым или упругим элементом,
оправки с раздвижными элементами.
Рис. 7.5. Задняя бабка круглошлифовального станка
Приспособления второго типа получают вращение от поводко-
вой планшайбы станка и представляют собой хомутики различной
конструкции илк поводковые патроны. Поводковые патроны по кон-
107
струкции и принципу действия не отличаются от патронов, приме-
няемых в токарных станках. Это, как правило, патроны самозажим-
ного действия с поворотными зажимными элементами, имеющими
возможность самоустанавливаться по детали, забазированной на
оправке или непосредственно в центрах передней и задней бабок
станка.
Рис. 7.6. Прибор для правки круга круглошлифовального станка
Круглошлифовальный станок ЗМ151 предназначен для наруж-
ного шлифования поверхностей типа тел вращения.
Техническая характеристика
Наибольшие размеры устанавливаемой детали, мм:
диаметр...................................................... 200
длина......................................................... 700
Диаметр шлифовального круга, мм:
наибольший................................................... 600
наименьший ................................................... 450
Наибольшая ширина круга, мм .................................... 80
Частота вращения шлифовального круга, мин'1’ .................... 1590
Частота вращения заготовки (бесступенчатое регулирование), мин~1 40—400
Скорость перемещения стола (бесступенчатое регулирование), м/мин 0,05—5
Периодическая подача шлифовальной бабки при каждом реверсе, мм 0,0025—0,05
Врезная подача, мм/мин....................................... 0,01—3
Мощность электродвигателя привода шлифовальной бабки, кВт . . 7,5
Габаритные размеры станка, мм:
длина........................................................ 4635
высота ...................................................... 2450
ширина....................................................... 2170
108
Кинематическая схема станка приведена на рис. 1.1.
Привод главного движения. Вращение шпинделя шлифовального
круга осуществляется от электродвигателя М2 через ременную пе-
0 112
редачу
Привод вращения заготовки. Шпиндель неподвижен, вращение
заготовки передается через поводковую планшайбу от электродви-
... 0 63 0 63
гателя Ml через две клиноременные передачи: 0 13Q и &.
Рис. 7.7. Кинематическая схема круглошлифовального станка
Ручное перемещение стола осуществляют маховиком через пе-
17 51 1 оп
редачи -др, -gj-> -gj--шестерня z = 20 — рейка.
Ручное перемещение шпиндельной бабки шлифовального круга
39
осуществляют маховиком через коническую передачу червяч-
2
ную передачу передачу винт—гайка с шагом р = 10 мм (не-
подвижный винт и вращающаяся гайка).
Ручной привод механизма правки осуществляют маховиком че-
22 27
рез коническую передачу цилиндрическую передачу пе-
редачу винт—гайка с шагом р — 2 мм.
Перемещение пиноли задней бабки осуществляется от рейки-
поршня (г = 12), через вал-шестерню z = 23 и рейку пиноли (г — 12).
109
Рабочие и вспомогательные движения осуществляются от гидро-
привода.
Бесцентрово-шлифовальные станки предназначены для высоко-
производительного шлифования поверхностей типа тел вращения
малого диаметра и большой длины, а также деталей, не имеющих
центровых отверстий.
Рис. 7.8. Способы бесцентрового шлифования:
а — напроход; б — врезное; в — до упора; 1 — шлифовальный круг; 2 — заготовка; 3
опорный нож; 4 — ведущий круг; 5 — упор
На бесцентрово-шлифовальных станках заготовки обрабатывают
тремя способами (рис. 7.8): шлифованием напроход, врезным шли-
фованием, шлифованием до упора. Перемещение заготовки 2 вдоль
периферии круга 1 осуществляется в результате поворота ведущего
Рис. 7.9. Схема получения продольной подачи заготовки при бесцентровом шли-
фовании путем поворота ведущего круга (а) и опорного ножа (б):
Уд — окружная скорость заготовки; v — окружная скорость ведущего крута; S — продоль-
ная подача; а — угол поворота ведущего круга или наклона опорного ножа (позиции те же,
что и на рис. 7.8)
круга 4 на определенный угол или за счет наклона опорного ножа 3
(рис. 7.9). Во всех случаях заготовка 2 находится в контакте с опор-
ным ножом 3, шлифующим кругом 1 и ведущим кругом 4. Оба круга
вращаются в одном направлении. Частота вращения шлифовального
круга в 60—100 раз выше частоты вращения ведущего круга
(рис. 7.10).
ПО
Рис. 7.10. Схема бесцентрового шлифова-
ния:
иш — окружная скорость шлифовального круга;
и — окружная скорость заготовки; и — окруж-
ная скорость ведущего круга (позиции те же,
что на рис. 7.8)
Поперечная подача на бесцент-
рово-шлифовальных станках осуще-
ствляется перемещением ведущего
круга и опорного ножа относительно
неподвижной шлифовальной бабки;
перемещением шлифовальной бабки
и опорного ножа относительно неподвижного ведущего круга; пере-
мещением шлифовального и ведущего кругов относительно непод-
вижного опорного ножа.
В большинстве современных станков применяют бесступенчатое
регулирование частоты вращения ведущего круга, что позволяет
сохранить постоянную производительность по мере изнашивания
ведущего круга. Обрабатываемые детали базируются либо на ноже,
либо на башмаках. Станки снабжаются приборами правки шлифо-
вального и ведущего кругов.
В станках этого типа отсутствуют какие-либо приспособления
для закрепления заготовок, так как их базируют на опорных ножах
различной конструкции. Ножи выполняют гладкой или ступенчатой
формы из легированной стали, а опорную поверхность закаливают,
или из углеродистой стали, в этом случае нож оснащают пластинкой
из твердого сплава. При отделочном шлифовании и полировании
применяют ножи с опорной поверхностью, выполненной из твердой
резины.
Б ес центр ов о-ш лифовальный станок ЗМ182
предназначен для обработки методами продольного или врезного
шлифования гладких, ступенчатых, конических и фасонных по-
верхностей тел вращения.
Техническая характеристика стайка ЗМ182
Диаметр шлифования, мм..........................................0,8—25
Наибольшая длина шлифуемой детали, мм................... 170
Размер (диаметр X ширина) круга, мм:
шлифовального............................................... 200X40
ведущего.......................................................150X40
Частота вращения ведущего круга, мин-1..........................11—150
Мощность электродвигателя привода шлифовального круга, кВт .... 7,5
Габаритные размеры, мм:
длина....................................................... 2230
высота........................................................ 1455
ширина........................................................ 2120
Отклонение от круглости после шлифования, мкм...................... 0,6
Кинематическая схема станка показана на рис. 7.11.
Привод главного движения. Вращение шлифовального круга осу-
ществляется от асинхронного электродвигателя Ml через ременную
111
Г"
I
7,5 к Вт
=1^60 мин'
Рис. 7.11. Кинематическая схема бесцентрово-шлифовального станка
112
передачу Электродвигатель установлен на отдельной плите
с индивидуальным фундаментом.
Вращение ведущего круга осуществляется от электродвигателя
постоянного тока М2 типа ПБСТ-22 через червячную передачу
Ручное перемещение шлифовальной бабки осуществляется от ма-
ховика через червячную передачу на ходовой винт VII с ша-
гом р — 4 мм. Быстрое перемещение шлифовальной бабки осу-
ществляется от электродвигателя М4 через цилиндрическую пере-
33 1
дачу -gjy- и червячную передачу -gy на ходовой винт VII с шагом
р = 4 мм.
Перемещение салазок механизмов правки шлифовального и ве-
дущего кругов осуществляется по цепи: двигатели М3 — передачи
— предохранительные муфты Afг и Л42 — передачи -||-------
ходовые винты XII с шагом р — 2 мм.
Толчковую подачу шлифовальной бабки производят рычагом 3
через храповую собачку и храповое колесо z = 80 и далее по кине-
матической цепи перемещения шлифовальной бабки.
Движение врезания шлифовальная бабка получает от гидроци-
линдров ГЦ1 и ГЦ2. Поперечная подача осуществляется от гидро-
цилиндра ГЦ1, который перемещает клин 1, контактирующий со
штоком гидроцилиндра ГЦ2, являющегося продолжением винта VII.
Ускоренный привод осуществляется штоком гидроцилиндра ГЦ2.
Выхаживание происходит на упоре 2 в конце поперечной подачи,
когда прерывается контакт между клином и штоком гидроцилиндра
ГЦ2.
Внутришлифовальные станки предназначены для шлифования
отверстий методами продольной и поперечной подачи. Наибольшее
распространение получили станки, у которых главным движением
является вращение шлифовального круга, круговая подача обеспе-
чивается вращением заготовки, а продольная и поперечная подачи
обеспечиваются перемещением шлифовального шпинделя или бабки
изделия. Станки этой группы могут быть патронными или бесцентро-
выми. В первом случае деталь базируется в патронах различных
конструкций, во втором — на роликах или башмаках.
Существуют также станки планетарного типа, на которых обра-
батывают крупные детали, установленные неподвижно, а шлифо-
вальный шпиндель совершает вращательное движение вокруг оси
обрабатываемого отверстия и вращается вокруг своей оси.
Типовая компоновка внутришлифовального станка приведена
на рис. 7.12. Станок состоит из станины 1, моста 2, бабки изделия 3,
стола 7, шлифовальной бабки 6, торцешлифовального приспособле-
ния 4, пульта управления 5. На станине 1 монтируют основные
узлы станка: стол со шлифовальной бабкой и мост с бабкой изделия.
Мост перемещается по поперечным направляющим скольжения;
стол — по продольны^ направляющим качения. Торцещлифоваль-
НЗ
ное приспособление имеет торцешлифовальный шпиндель с авто-
номным приводом и поворачивается в шариковых втулках посред-
ством гидроцилиндра. Торцешлифовальный шпиндель имеет осевое
перемещение, обеспечивающее врезание.
Станки рассмотренной компоновки имеют две разновидности.
В первом случае подача осуществляется поперечным перемещением
бабки изделия, во втором — перемещением шлифовальной бабки.
В станках предусмотрена правка шлифовальных кругов, а также
компенсация износа основного шлифовального круга.
Рис. 7.12. Компоновка внутришлифовального станка
Наиболее распространенными универсальными приспособле-
ниями, применяемыми на внутришлифовальиых станках, являются
самоцентрирующие патроны. Конструкции кулачковых патронов со
спирально-реечным механизмом перемещения кулачков мало отли-
чаются от патронов этого типа для токарных станков. В условиях
массового производства применяют быстродействующие мембран-
ные и магнитные патроны.
§ 2. ПЛОСКОШЛИФОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ
Плоскошлифовальные станки предназначены для чистовой
обработки плоскостей на деталях различных размеров. Главное
движение в этих станках — движение вращения шлифовального
круга. В зависимости от формы стола, на котором закрепляют за-
готовку, различают продольную и круговую подачи ее. Когда ши-
114
рина обрабатываемой плоскости больше ширины круга, заготовке
или кругу сообщается поперечная подача. Кроме того, шлифоваль-
ному кругу или заготовке сообщается периодическое перемещение
на глубину, направленное перпендикулярно обрабатываемой
плоскости.
Шлифование производят периферией или торцом шлифовального
круга. Есть станки, в которых шлифование осуществляется одно-
Рис. 7.13. Кинематическая схема плоскошлифовального станка с прямоугольным
столом
временно торцами двух противоположно установленных кругов.
При шлифовании торцом круга различают шлифование кругом,
ось которого перпендикулярна обрабатываемой плоскости, и шли-
фование кругом, ось которого наклонена к шлифуемой плоскости:
Плоскошлифовальные станки с прямоугольным столом выпол-
няют с горизонтальным и вертикальным шпинделями. На рис. 7.13
приведена, традиционная компоновка плоскошлифовального станка
с прямоугольным столом и горизонтальным шпинделем, работаю-
щего периферией круга. На станине 1 закреплена колонна 2, по
115
I
вертикальным направляющим которой перемещается шлифоваль-
ная бабка 3. По горизонтальным направляющим качения переме-
щаются салазки 4 (движение поперечной подачи), несущие продоль-
ные направляющие качения, по которым перемещается стол 5. Пере-
Рис. 7.14. Компоновка плоскошлифо-
вальиого станка с вертикальным шпин-
делем и круглым столом
мещение стола осуществляется от
гидроцилиндра, корпус которого
закреплен на салазках 4, а штоки
поршня — на столе 5. В станине
размещены приводы вертикаль-
ного перемещения шлифовальной
бабки и поперечного перемеще-
ния салазок.
Плоскошлифовальные станки
с круглым столом также имеют
горизонтальное и вертикальное
расположение шпинделя. На
рис. 7.14 дана компоновка плосйо-
шлифовального станка с круглым
столом и вертикальным шпинде-
лем. На станине 1 закреплена ко-
лонна 2, по направляющим кото-
рой перемещается шлифовальная
бабка 3. По горизонтальным направляющим станины перемещаются
салазки 4 со столом, несущим вращающуюся планшайбу. Вращение
шпинделя шлифовального круга осуществляется от встроенного
электродвигателя, ротор которого установлен непосредственно на
шпинделе. Для закрепления детали на плоскошлифовальном станке
наибольшее распространение получили магнитные плиты.
Техническая характеристика станка 3E71113
Размеры рабочей поверхности стола, мм:
длина.......................................................... 630
ширина.......................................................... 200
Скорость продольного перемещения стола, м/мин.................... 2—35
Поперечная подача стола, м/мин ..................................0,01—1,5
Габаритные размеры станка, мм:
длина......................................................... 2700
высота......................................................... 1775
ширина......................................................... 1910
Кинематическая схема станка представлена на рис. 7.13.
Привод главного движения. Вращение шлифовального круга осу-
ществляется от электродвигателя Ml через ременную передачу
0 194
0 105 •
Поперечная подача стола осуществляется от двигателя постоян-
ного тока через передачи -jqq- и на ходовой винт VII с шагом
р = 5 мм. Муфта M-l служит для включения автоматической или
ручной подачи. При включении муфты Л4Х вправо осуществляется
автоматическая непрерывная или прерывистая подача. При вклю-
116
чении муфты Мг влево осуществляется ручная подача (грубая —
вращением маховика или тонкая — вращением лимба при вклю-
1 \
ченнои червячной передаче .
Ручную продольную подачу стола производят маховиком с пла-
нетарным механизмом, на выходе которого установлена шестерня,
перемещающая рейку, закрепленную на столе. Вертикальная по-
дача шлифовальной бабки осуществляется от шагового электродви-
гателя М3 через передачи муфту М3, карданный вал л,
электромагнитную муфту /И3, червячную передачу на ходовой
винт XII с шагом р = 6 мм. Ручная подача шлифовальной бабки
осуществляется при включенной муфте М2 влево от маховика и
лимба, устройство которых аналогично описанному выше.
Быстрое перемещение шлифовальной бабки производится от
электродвигателя М4 через ременную передачу при выклю-
ченной муфте .М3.
Продольная подача стола осуществляется от гидропривода,
выполненного в виде бездифференциального гидроцилиндра, с элек-
трогидравлическим управлением.
Г Л А В А 8
СТАНОЧНЫЕ МОДУЛИ И ГИБКИЕ
СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
§ 1. СТАНОЧНЫЕ МОДУЛИ
Станочным модулем будем называть разновидность гиб-
кого производственного модуля (ГПМ), в котором в качестве основ-
ной технологической машины используют металлорежущий станок
с ЧПУ.
В систему станочного модуля входят: чаще всего один станок
с числовым программным управлением, подсистема транспорти-
рования, загрузки и выгрузки изделий, подсистема накопления и
смены инструмента, подсистема контроля качества изготовленных
деталей, внутренний накопитель заготовок, обеспечивающий запас
не менее чем на 8 ч работы. Станочные модули высокого уровня со-
держат подсистему контроля размерного износа инструмента с со-
ответствующей размерной поднастройкой и подсистему автомати-
зированной диагностики.
Перечисленные подсистемы объединены системой управления,
которая строится по иерархическому принципу, т. е. содержит
Центральную ЭВМ, осуществляющую функции диспетчирования,
реализующую головную управляющую программу и обрабатываю-
щую информацию о состоянии технологического оборудования,
117
которая поступает от управляющих подсистем низшего уровня.
Такими подсистемами являются: системы оперативного числового
программного управления станками, подсистемы управления пе-
реналадкой загрузочных устройств на размер подаваемой заготовки
в широком диапазоне размеров, подсистемы программированного
обучения промышленных роботов, являющихся составной частью
станочного модуля, и т. д.
Важнейшей составляющей системы станочного модуля является
совокупность «станок—робот». В известной мере технологические
возможности и конструкция робота определяют и компоновку ста-
ночного модуля (рис. 8.1).
В линейную компоновку совокупности «станок—робот» вводят
два станка с горизонтальной осью вращения шпинделя и робот,
работающий в плоской прямоугольной системе координат. В данном
118
случае промышленный робот 1, перемещающийся по балке 2, обслу-
живает станки 3 и 4, забирая заготовки и возвращая обработанные
детали на транспортирующее устройство 5.
Параллельная компоновка содержит два станка с горизонталь-
ной осью вращения шпинделя и робот, работающий в цилиндри-
ческой системе координат. Робот 1 обслуживает станки 2 и 3, взаимо-
действуя с транспортирующим устройством 4, расположенным
между станками перпендикулярно оси вращения шпинделей.
При круговой компоновке робот 1, работающий в цилиндри-
ческой системе координат, обслуживает три станка 2—4 с верти-
кальной осью вращения шпинделя. Робот и станки связаны кон-
вейером 5. Промышленные роботы, работающие в цилиндрической
системе координат, могут обслуживать станки как с горизонталь-
ной, так и с вертикальной осью вращения шпинделя.
Портальные роботы, работающие в угловой системе координат,
применяют для обслуживания станочных модулей с линейно-па-
раллельной компоновкой в тех редких случаях, когда в них входит
более трех единиц станочного оборудования.
Применение промышленных роботов современного уровня для
обслуживания системы станочного модуля накладывает некоторые
ограничения на возможную номенклатуру обрабатываемых деталей.
Такие детали должны иметь сходные по форме и расположению по-
верхности, для захвата и базирования, явно выраженные базы и
признаки ориентации, позволяющие складирование их около стан-
ков в ориентированном виде, сходные признаки, обеспечивающие
возможность унификации процессов обработки. При применении
в системе станочного модуля промышленных роботов ЭНИМС ре-
комендует следующую номенклатуру деталей:
гладкие и ступенчатые прямоосные и эксцентриковые валы диа-
метром до 160 и длиной до 2000 мм, фланцы, диски, кольца, гильзы
и втулки диаметром до 500 и длиной до 309 мм;
плоские и объемные детали простейшей формы (планки, крышки,
угольники, коробчатые детали) размерами до 1000X1000 мм;
масса деталей от 1 до 500 кг.
Для загрузки-выгрузки деталей большей массы требуются новые
конструктивные решения, а мелкие детали целесообразно загру-
жать более дешевыми средствами (вибробункерами, лотками и т. д.),
однако средствами доставки сменных бункеров и кассет могут также
служить промышленные роботы.
Изложенное выше позволяет сделать вывод, что системы станоч-
ных модулей не обязательно должны быть укомплектованы промыш-
ленными роботами, а могут содержать более простые, но менее уни-
версальные манипуляторы, причем возможна запрограммирован-
ная, смена этих манипуляторов.
Станочное оборудование, входящее в состав станочного модуля,
целесообразно выбирать в рамках существующего станочного парка.
Естественно, что ряд типоразмеров станков полностью соответствует
требованиям создания станочных модулей, а некоторые требуют
Модернизации. Во всех случаях системы управления станками тре-
119
буют стыковки с головкой управляющей ЭВМ. Основными требо-
ваниями, определяющими возможность включения станков в состав
станочного модуля, являются следующие: числовое программное
управление циклом работы, механизированный зажим-разжим де-
талей, автоматическая смена инструмента, механизированный отвод
ограждения, механический отвод стружки, автоматический кон-
троль и диагностика. В качестве вспомогательного оборудования
используют тактовые столы, я^тяю-
в системе станочного модуля
Рис. 8.2. Станочный модуль
щиеся одновременно и накопи-
телями заготовок, приемные
столы и столы для размещения
готовых деталей. Заготовки до-
ставляют со склада при помощи
штабелеров. Корпусные детали
закрепляют на спутниках,^а де-
тали типа тел вращения зара-
нее загружают в кассеты.
Подсистема контроля, каче-
ства деталей представляет собой
либо специальную измеритель-
ную машину, установленную
на отдельной позиции, либо
измерительное устройство,
встроенное в станок.
Станочный модуль для обра-
ботки тел вращения приведен на
рис. 8.2. Круговая компоновка модуля продиктована применением
промышленного робота, работающего в цилиндрической системе
координат. В систему модуля входят: токарный станок 1, сверлиль-
ный станок 5, многооперационный станок 2, контрольная позиция 3,
инструментальный магазин 4, позиция загрузки и выгрузки 6.
Промышленный робот 7 выполняет роль универсальной транспорт-
ной системы внутри модуля и обеспечивает поток деталей и инстру-
ментов. Заготовки подаются на позицию 6 в кассетах, а затем пооче-
редно захватываются роботом и передаются на требуемую рабочую
позицию. Контроль готовых деталей или полуфабрикатов может
осуществляться автоматическим измерительным устройством на
любой стадии обработки. Готовые детали передаются роботом на
позицию выгрузки. Все агрегаты модуля связаны единой подсисте-
мой управления, построенной по иерархическому принципу, т. е.
возможно автономное управление каждым агрегатом с применением
микропроцессора и централизованное управление от ЭВМ,
§ 2. ГИБКИЕ СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
Гибкая станочная система содержит набор переналажи-
ваемых в соответствии с номенклатурой заготовок автоматически
действующих станков, связанных с общим автоматическим транс-
портом и общей системой управления. Использование гибких ста-
120
ночных систем позволяет повысить производительность, стабилизи-
ровать качество обработки, сократить число обслуживающего пер-
сонала, уменьшить производственные площади.
По компоновке различают: системы линейной одно- или много-
рядной компоновки, системы круговой компоновки, системы модуль-
ной компоновки.
При линейной компоновке станки устанавливают в один или
несколько рядов, а транспортно-накопительную подсистему распо-
лагают параллельно ряду. Для круговой компоновки характерна
установка станков вокруг центрального склада-накопителя. Системы
Рис. 8.3. Станочная система участка типа АСК-10
модульной компоновки содержат станочные модули из однотипных
станков, взаимодействующие с центральной транспортно-накопи-
тельной системой с помощью автооператоров или роботов.
По технологическому назначению гибкие станочные системы
можно разделить на системы, предназначенные для обработки кор-
пусных деталей, и системы для обработки деталей типа тел вращения.
Станочная система участка АСК-10 для обработки корпусных
деталей приведена на рис. 8.3. Станочная система участка содержит
группу многооперационных сверлильно-фрезерно-расточных стан-
ков 3 с ЧПУ, разметочную машину 1, контрольно-измерительную
машину 4, автоматическую транспортно-накопительную подси-
стему 5, станок для подготовки баз 2. Система управляется центра-
лизованно от ЭВМ.
Станочная система предназначена для обработки корпусных де-
талей из серого чугуна повторяющихся мелких серий по 10—15 шт.,
при общей номенклатуре выпуска 30—50 наименований. Основным
оборудованием системы являются многооперационные станки. На
станках осуществляется черновая, получистовая и чистовая обра-
ботка плоскостей, пазов и уступов, сверление, растачивание, зенке-
рование отверстий, нарезание резьбы в отверстиях, контурное фре-
зерование отверстий, приливов, платиков и бобышек. Станки имеют
горизонтальный шпиндель с устройством для автоматической смены
инструмента и крестовый стол со встроенным поворотным столом.
Таким образом, возможна обработка корпуса за один установ с трех-
четырех сторон несколькими инструментами. Станки оснащены
инструментальным магазином вместимостью в 36 инструментов.
121
Время смены инструментов составляет 6—8 с. Скорость быстрых
перемещений подвижных узлов станков равна 10 000 мм/мин, что
обеспечивает значительное сокращение времени на вспомогатель-
ные движения.
Для проверки поступающих литых заготовок в станочной си-
стеме предусмотрена координатно-разметочная машина ВЕ-111А
с цифровой индикацией. Измеряемая заготовка устанавливается на
поворотный стол. Измерение и разметка осуществляются сменным
ощупывающим или разметочным наконечником. Перемещение на-
конечника происходит по трем взаимно перпендикулярным коорди-
натам. Результаты измерения фиксируются на цифровом табло или
выводятся на печать.
Для контроля обработанных деталей система оснащена кон-
трольно-измерительной машиной ВЕ-140К с ЧПУ. Машина работает
в автоматическом режиме по заданной управляющей программе.
На ией могут быть проверены диаметры, геометрическая форма и
отклонения от соосности отверстий, межосевые расстояния и их
отклонения, расстояния и отклонения между плоскостями. Резуль-
таты измерений анализируются управляющей ЭВМ, а также могут
быть выведены на печать для составления паспорта на обработан-
ную деталь.
Транспортно-накопительная подсистема предназначена для со-
здания задела заготовок, полуфабрикатов и готовых деталей и до-
ставки их на рабочие места. Она содержит двухъярусный двухряд-
ный ячеистый склад, автоматический кран-оператор, накопительные
роликовые конвейеры для приема и выдачи заготовок, полуфабри-
катов и готовых деталей, рольганговые станции для подачи загото-
вок на рабочие места, систему управления складом с диспетчерским
пультом. Заготовки хранятся в ячейках склада на поддонах, с ко-
торых они снимаются краном-оператором. Для подготовки баз
используют фрезерный станок.
Подсистема управления построена по иерархическому прин-
ципу, т. е. каждый агрегат может управляться как от автономного
устройства (нижний уровень), так и централизованно от ЭВМ (верх-
ний уровень), что позволяет повысить эффективность и надежность
управления.
Для закрепления деталей на столах станков использованы сталь-
ные плиты-спутники, на которых монтируется унифицированная
крепежная оснастка. Полный комплект оснастки позволяет собрать
около 400 типов крепежных приспособлений. Сборка приспособле-
ний на плитах-спутниках производится вне станочной системы
в специальном отделении приспособлений.
Для хранения, комплектации и настройки режущего инстру-
мента также предусмотрено специальное инструментальное отделе-
ние, расположенное вне станочной системы. Участок оснащен ком-
плектом из 190 наименований режущего и 90 наименований вспомо-
гательного инструмента. Работа станочной системы участка АСК-10
с использованием описанного выше оборудования осуществляется
по принципу склад—станок—склад, что обеспечивает автономность
122
Рис. 8.4, Станочная
система участка типа
АСВ
работы и оптимальную загрузку каждого станка. Заготовки на под-
донах по командам с диспетчерского пульта склада краном-операто-
ром подаются к рольганговым станциям, расположенным в зоне
загрузки станков. Затем краном-манипулятором оператор снимает
заготовку с поддона и устанав-
ливает ее в приспособление на
плите-спутнике. Далее процесс
осуществляется автоматически.
Затем деталь перемещается на
склад в обратном направлении.
Рассмотренная станочная
система обеспечивает точность
межосевых расстояний в пре-
делах 0,02 мм, отклонения от
параллельности и перпендику-
лярности плоскостей 0,01—
0,02 мм, отклонение от кругло-
сти и конусообразность отвер-
стий 0,005—0,010 мм, погреш-
ность обработки сложного кон-
тура 0,03—0,05 мм.
Опыт эксплуатации уча-
стков АСК-10, накопленный
в ЭНИМСе, показал, что про-
изводительность труда повы-
шается в 2,5—3,5 раза, число
Рис. 8.5. Роботизированные станочные
секции:
а — с роботам модели 0; б — с роботом
модели Г: 1 — транспортер: 2 — транспор-
тер-манипулятор; 3 — робот модели 0;
4 — УЧПУ .робота; 5 — приемные столы
Для инструмента, оснастки, деталей, заго-
товок; 6 — тактовый стол; 7 — емкость для
сбора стружки; 8 робот модели 1
123
рабочих-станочников уменьшается в 4—5 раз, при этом снижается
число единиц станочного оборудования и уменьшается производ-
ственная площадь.
Станочная система, входящая составной частью в автоматизи-
рованный участок типа АСВ (рис. 8.4), построена по секционному
(модульному) принципу. Каждая станочная секция состоит из двух
станков 1 и 2; две секции образуют станочное отделение. Таким обра-
зом, станки расположены попарно и перпендикулярно трансг£>р-
теру-накопителю 3, что позволяет одному транспортеру-манипуля-
тору 4 обслуживать четыре станка. Манипулятор обеспечивает по-
грузку и доставку на рабочие места тары с заготовками, инструмен-
том и оснасткой.
Примеры станочных секций с использованием роботов различ-
ных конструкций приведены на рис. 8.5. Помимо секций, скомплекто-
ванных из токарных станков, можно комплектовать секции сверлиль-
но-фрезерными, многооперационными станками, а также шлифоваль-
ными и зубообрабатывающими станками с ЧПУ.
§ 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ УЧАСТКИ
Автоматизированные участки могут быть отнесены к гиб-
ким автоматизированным производствам по следующим признакам:
применение станков с числовым программным управлением; осу-
ществление грузопотоков посредством адресной транспортно-накопи-
тельной системы со свободным ритмом; обеспечение технологической
подготовки производства участка автоматизированными станками,
реализуемыми с помощью ЭВМ; внедрение оперативно-производ-
ственного планирования от ЭВМ.
Основные особенности автоматизированных участков рассмотрим
на примере автоматизированного участка типа АСВ, который пред-
назначен для механической обработки деталей типа тел вращения
средних размеров. На участке типа АСВ могут быть также обрабо-
таны детали плоской формы и мелкие корпуса в пределах техноло-
гических возможностей сверлильно-фрезерных станков, входящих
в состав участка.
В состав участка (рис. 8.6) входят взаимосвязанные управляю-
щий вычислительный комплекс и производственный комплекс. Рас-
смотрим только составляющие производственного комплекса.
В состав участка типа АСВ входят токарные полуавтоматы с ЧПУ,
сверлильно-фрезерные станки, многооперационные станки, образую-
щие станочную систему. В состав станочных секций, образующих
станочную систему, входят станки одной модели, что позволяет
облегчить их обслуживание и ремонт. Общее число станков на
участке 8, 12 или 16.
Транспортно-накопительное оборудование предназначено для
межоперационного накопления, транспортирования между сек-
циями участка и доставки на рабочие места (приемные столы) тары
с заготовками, деталями, оснасткой, а также вывоза емкостей со
стружкой.
124
Транспортер-накопитель (рис. 8.7), обслуживающий все секции
участка, выполнен в виде напольного тележечно-цепного конвейера
с одинаковыми тележками, имеющими плоские платформы. На плат-
формах в различных комбинациях может быть установлена тара для
'Автомата'
зиробанный
(.участок )
Технологи-
ческое,
оборудование
с ЧПУ-ЗВМ
Управляющий Вычислитель-
ный комплекс (УВк)
ЭВМ Накопители управляющей и учетной информации Устройства для связи с звм по Вводу-Выводу информации Стеллажи для хра- нения перфолент, УЛ и сопроводитель- ной информации
111ШИШШ1
IIIIIIIIIIUIII
IIIHIIIIIIIIII
Транспортно-
нанопитер'
ное С.. . ,
ние $ адресо-
ванием
Производственный.
Комплекс (ПК)
Режущий.
опит ель- инструмент Пршпосо&е- измерь
оВоруоова- и оснастка пили ос нас- ное обо
с кодом или
шифром
тка с шиф-
ром
Контрольно-. Вспомога-
измеритель- нышь»
-----Зору-
Вование и
инстру-
мент
Взаимные
связи.
. ... .- Ремонтно-
тельное npotpuMK-
ooopyBoia- тические
еще и уст-
ройства
средства
и заП~
части
Рис. 8.6. Структура участка АСВ-10
Рис. 8.7. Транспортер-накопитель:
1 — тара с заготовками или деталями; 2 — емкость для сбора стружки; 3 — спутник для
инструментов к токарному станку; 4 — спутник для инструментов к сверлильно-фрезер-
ному станку
заготовок и деталей, емкости для сбора стружки, спутники для ком-
плектации инструмента к токарным и сверлильно-фрезерным стан-
кам. Типовой транспортер для участка содержит 50 тележек и мо-
жет обеспечивать автономную работу участка в течении двух—четы-
рех смен.
Автоматический транспортер-манипулятор (рис. 8.8) предназна-
чен для автоматической доставки тары с заготовками и деталями
125
Рис. 8.8. Автоматический транспортер-манипулятор
I
Рис. 8.9. Оборудование для удаления стружки от станка
и инструментальных спутников непосредственно на приемные столы
каждого станка и обратно. Перпендикулярно движению транспор-
Рис. 8.10. Оборудование секции сбора
стружки
тера-накопителя 1 располо-
жен рельсовый путь 2, по
которому перемещается соб-
ственно манипулятор 3, ко-
торый представляет собой
самоходную тележку с пово-
ротной платформой и вы-
движными каретками, на ко-
торой расположены грузы.
Забирая груз с платформы
транспортера - накопителя,
манипулятор доставляет его
на приемные столы 4. Далее
126
127
в пределах станочного модуля грузы транспортируются роботом
или автооператором.
Оборудование для удаления стружки приведено на рис. 8.9,
Конвейер 7, являющийся принадлежностью станка 2, наполняет
стружкой емкость 3, которая по роликовому конвейеру 4 подается
на укладчик с гидравлическим приводом 5. Укладчик перемешается
по рельсам 6, размещенным перпендикулярно к конвейеру-накопи-
телю. Емкость попадает на конвейер-накопитель, который достав-
ляет ее в секцию сбора стружки.
Секцию сбора стружки (рис. 8.10) обслуживает описанный выше
манипулятор 7, который подает стружечную емкость на манипуля-
тор-кантователь 2, высыпающий стружку из емкости в контейнер 3.
В контейнерах стружку удаляют за пределы участка.
Станки, входящие в состав участка, комплектуют, как правило,
стандартным режущим инструментом, соответствующим типу станка:
резцами, сверлами, зенковками, метчиками, фрезами. Для крепле-
ния режущего инструмента служат державки, цанговые патроны,
переходные втулки, оправки.
Приспособления и оснастка с шифром (крепежная оснастка)
предназначены для закрепления заготовок на токарных и сверлильно-
фрезерных станках. Токарные станки участка оснащены трехку-
лачковыми механизированными клиновыми патронами со смен-
ными кулачками, с возможностью настройки на размер эксцентри-
ковым механизмом. Патроны могут работать как самоцентрирующие
при патронных работах и как поводковые при установке детали
в центрах. В последнем случае патроны оснащают плавающим цен-
тром. Зажим и разжим заготовок осуществляется от гидравлических,
пневматических и электрических приводов, расположенных на
шпинделе станка. В комплект кулачков, используемых в каждом
патроне, входят универсальные кулачки с различной длиной за-
жимных зубьев, предназначенных для зажима заготовок после
черновой или после чистовой обработки. В крепежную оснастку
могут быть включены также консольные и центровые оправки, лю-
неты и т. д.
Для крепления деталей на столах сверлильно-фрезерных станков
используют различные виды универсальной и специальной оснастки,
например, тиски для закрепления валов, приспособления с пово-
ротными патронами, угольники, плиты и т. д.
В комплект контрольно-измерительного оборудования входят:
прибор для размерной настройки инструмента вне станка для то-
карных станков, прибор для настройки инструмента для сверлильно-
фрезерных станков, поверочная плита с измерительным инструмен-
том.
К вспомогательному оборудованию относят приемные и такто-
вые столы, верстаки, шкафы и т. д.
Общая планировка участка типа АСВ, построенного по секцион-
ному принципу и содержащего все виды рассмотренного оборудо-
вания, показана на рис. 8.11.
128
ГЛ А В A 9
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Автоматические линии предназначены для изготовления
деталей в условиях крупносерийного и массового производства и
являются основным средством решения задач комплексной автома-
тизации. В связи с продолжающейся реконструкцией и строитель-
ством новых заводов, с широким внедрением трудосберегающей и
безлюдной технологии потребность в автоматических линиях непре-
рывно возрастает.
Экономическая эффективность использования автоматических
линий достигается благодаря их высокой производительности, низ-
кой себестоимости продукции, сокращению обслуживающего персо-
нала на заданную программу выпуска, стабильному качеству изде-
лий, ритмичности выпуска, созданию условий для внедрения совре-
менных методов организации производства.
Автоматическая линия представляет собой совокупность техно-
логического оборудования, установленного в соответствии с техно-
логическим процессом обработки, соединенного автоматическим тран-
спортом.
Функции человека при этом сводятся к контролю за работой
оборудования и его поднастройкой, а также загрузке заготовок
в начале цикла и выгрузке изделий в конце него. Причем последние
операции все чаще передаются промышленному роботу.
Автоматическая линия (рис. 9.1) состоит из: технологического
агрегата / — машины, выполняющей одну или несколько операций
технологического процесса (кроме накопления и транспортирова-
ния деталей); транспортного агрегата 2 — машины, выполняющей
межоперационные транспортные операции технологического про-
цесса; накопителя заделов 3 — устройства для приема, хранения и
выдачи межоперационного задела заготовок и полуфабрикатов, рас-
положенного между двумя станками или отдельными участками
автоматической линии; участка автоматической линии (/, //, ///) —
части линии, соединенной с остальным оборудованием накопителем
или транспортным устройством с емкостью для заготовок и полу-
фабрикатов.
Автоматические линии могут быть операционными (для опреде-
ленного вида обработки) или комплексными (система автомати-
ческих линий).
Система автоматических линий комплексной обработки — со-
вокупность автоматических линий, обеспечивающих выполнение
всех операций, предусмотренных технологическим процессом обра-
ботки.
Автоматический цех — производственная единица, в которой
сосредоточены технологические потоки, состоящие из систем авто-
матических линий. Например, в автоматическом цехе на ГПЗ-1 ра-
5 П/р В. Э. Пуша 129
ботают 77 автоматических линий, имеющих в своем составе 860 еди-
ниц основного технологического оборудования, объединённых в 13
технологических потоков (систем автоматических линий комплекс-
ной обработки).
Автоматические линии классифицируются по основным призна-
кам, влияющим на их организацию и эксплуатацию. Их делят на
жесткие (синхронные) и гибкие (асинхронные), спутниковые и бес-
спутниковые, сквозные и несквозные, ветвящиеся и неветвящиеся.
3 13 4- г
1 4 S
Линия токарной обработки наружных и внутренних колеи линия термической обработки
f 2____________________________^наружных колец
)
Линия финишной обработки
наружных колец
наружных колец
й'иигйй
Линия шлифования м Линия шлифования v
внутренних поверхностей наружных ловерхностеи
Линия финишной Линия шлифования Линия шлифования наружных
обраоотки отверстий внутренних поверхностей внутренних колец
внутренних колец колец
Рис. 9.1. Компоновка автоматической линии:
1 — станок; 2 — транспортное устройство; 3 — накопитель; 4 — заготовка; 5 — приспо-
собление-спутник; I, II, III — участки линий
Жесткая межоперационная связь характеризуется отсутствием
межоперационных заделов. В такой автоматической линии заготовки
(изделия) загружаются, обрабатываются, разгружаются и передви-
гаются от станка к станку одновременно или через кратные проме-
жутки времени, и в случае остановки любого агрегата или устрой-
ства вся линия останавливается.
Гибкая межоперационная связь обеспечивается наличием меж-
операционных заделов, размещаемых в накопителях или транспорт-
ной системе, что создает возможность обеспечить при выходе из
строя любого станка работу остальных агрегатов до истощения
межоперационных заделов.
Спутниковая автоматическая линия — линия, в которой за-
готовки базируются, обрабатываются и транспортируются в при-
способлении-спутнике. Транспортная система в этом случае должна
обеспечить возврат спутников в начало линии.
130
Когда в составе технологического потока одна или несколько
операций реализуются на параллельно работающих станках, авто-
матическая линия характеризуется ветвящимся транспортным пото-
ком. Примером такого конструктивного решения служат линии для
токарной обработки и шлифования внутренних поверхностей колец
подшипников.
По степени совмещения обработки с транспортированием заго-
товки линии подразделяют на стационарные, роторные и цепные; по
компоновке — на линейные, кольцевые, прямоугольные, зигзаго-
образные, зетообразные; по числу потоков — на однопоточные и
многопоточные, с зависимыми и независимыми потоками, с попереч-
ным, продольным и угловым расположением основного технологи-
ческого оборудования. Большинство компоновок имеют незамкну-
тую структуру, обеспечивающую удобный доступ для обслужива-
ния и ремонта оборудования.
По виду транспортных систем и способу передачи деталей с одной
рабочей позиции на другую автоматические линии делят на линии
со сквозным транспортированием через зону обработки (в основном
используют для изготовления корпусных деталей на агрегатных стан-
ках), с фронтальным (боковым) транспортированием заготовки (при
обработке коленчатых валов, крупных колец и фланцев),, с верхним
и нижним транспортными потоками (в линиях для изготовления ше-
стерен, мелких и средних колец подшипников, фланцев валов).
По типу встроенного основного технологического оборудования
различают автоматические линии из специальных и агрегатных стан-
ков, хотя иногда имеет место компоновка из станков разных типов.
В настоящее время изготовляют автоматические линии для круп-
носерийного и массового производства, предназначенные для одно-
временной или последовательной обработки нескольких наименова-
ний однотипных, заранее известных изделий (блоки цилиндров дви-
гателей, корпусов редукторов, насосов, клапанов, гильз, поршней
и т. д.) как с автоматической, так и с ручной переналадкой. Подоб-
ные автоматические линии или системы автоматических линий назы-
вают автоматическими переналаживаемыми линиями (системами)
групповой обработки; они предназначены для одновременной или
последовательной обработки группы заранее заданных изделий, одно-
типных по размерам и технологии обработки.
По виду обрабатываемых деталей различают линии для обработки
корпусных деталей (головки блоков, блоки цилиндров, двигателей,
корпуса коробок передач и т. д.) и линии для обработки деталей типа
тел вращения (кольца подшипников, валы, гильзы и т. д.).
§ 2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Автоматические линии, предназначенные для обработки
сложных корпусных деталей, изготовляемых в условиях крупно-
серийного’и массового производства с большим объемом фрезерных,
сверлильно-расточных и резьбонарезных работ, компонуют из агре-
5* 131
гатных станков. Использование многошпиндельной инструменталь-
ной оснастки позволяет на одной позиции обработать до 60—80 от-
верстий, что дает возможность повысить производительность обра-
ботки по сравнению с обработкой корпусов в неавтоматизированном
производстве. Однотипность технологических операций и, следова-
тельно, конструктивных решений станков, предназначенных для
выполнения этих операций, привела к широкой унификации узлов
агрегатных станков и транспортных устройств (рис. 9.2).
Агрегатные станки предназначены для обработки конкретных
изделий, их собирают из специальных и нормализованных узлов4
Рис. 9.2. Пример компоновок:
а — агрегатного станка; 1 — стойка; 2 — силовая бабка; 3 ®- многошпиндельная коробка^
4 — станина боковая; 5 — самодействующий силовой стол; 6 — одношпиндельная расточ-
ная бабка; 7 — станина центральная; 8 — поворотный делительный стол; 9 — станина^
подставка; б — автоматической линии; 1 — стружкоотвод; 2 -- средняя станина; 3, 11 —
планкн упорные; 4 — боковая станина; 5,' 17 — стол силовой самодействующий; 6 — уголь-
ник упорный; 7 — коробка приводная; 8 — коробка многошпиндельная; 9 — станина;
10 — пульт наладочный силового узла; 12, 15 — коробка скоростей; 13 — стойка; 14, 18 —
електрошкаф силового узла; 16 — бабки сверлильные (расточные, подрезно-расточные,
фрезерные); 19 — электрошкаф обводного транспортера; 20 — редуктор обводного транс-
портера; 21 — приспособление-спутник; 22 — обводной транспортер; 23 — зажимная стан-
ция; 24 — натужное устройство обводного транспортера
составляющих до 70—80 % общего числа узлов в станке. Важней-
шие узлы агрегатных станков (рис. 9.2, а) разработаны в виде гаммы
стандартных типоразмеров, из которых при проектировании выби-
рают наиболее подходящие по своим характеристикам и служеб-
ному назначению. При компоновке автоматической линии
(рис. 9.2, б) используют унифицированные узлы.
Основное преимущество агрегатных станков заключается в сокра-
щении сроков и затрат на конструирование и изготовление автома-
тических линий. На рис. 9.3 приведены некоторые типовые компо-
новки агрегатных станков со стационарным приспособлением
(рис. 9.3, а), с поворотным делительным столом (рис. 9.3, б), с пово-
ротным делительным барабаном (рис. 9.3, в), с центральной колон-
ной (рис. 9.3, г), с прямолинейным перемещением деталей
(рис. 9.3, д).
Основными унифицированными единицами агрегатных станков
являются силовые узлы, многопозиционные устройства, базовые
корпусные детали, шпиндельные узлы и зажимные приспособления.
132
Рис. 9,3. 'Варианты компоновок агрегатных станков
133
Силовые узлы подразделяют на силовые головки и силовые
столы. Силовые головки выпускают с выдвижной пинолью и переме-
щаемым корпусом. Силовые столы применяют для прямолинейных
установочных перемещений и рабочей подачи режущего инстру-
мента. На верхней плоскости стола устанавливают шпиндельные
узлы (бабки) с автономным приводом вращения (сверлильные, фре-
зерные, расточные и т. д.).
Силовые головки и столы с встроенным приводом подач назы-
вают самодействующими, а с отдельным приводом подач в базовой
детали, по которой перемещается стол или головка, несамодейству-
ющими узлами. Применение несамодействующих силовых узлов
значительно упрощает обслуживание и ремонт благодаря хорошей
доступности к элементам приводов, но несколько увеличивает за-
нимаемую станком площадь.
По типу привода движения подачи силовые узлы бывают гидрав-
лическими, электромеханическими (с передачей винт—гайка или
кулачковые), пневмогидравлическими и пневматическими. По номи-
нальной мощности на шпинделе они подразделяются на малогабарит-
ные (0,08—0,5 кВт), малые (0,15—2,8 кВт) и нормальные (1,6—
30 кВт).
Привод главного движения силовой самодействующей головки
(рис. 9.4, а) выполняют в виде отдельного блока с использованием
минимального числа передач.
Для расширения их технологических возможностей силовые
головки можно комплектовать дополнительными унифицированными
устройствами и механизмами. Например, расточное приспособле-
ние, устанавливаемое отдельно от силовой головки, но приводимое
в движение от ее шпинделя и пиноли, обеспечивает большую жест-
кость при расточных, обточных работах и работах торцовым инстру--
ментом. Механизм двусторонней обработки, предназначенный для
расширения технологических возможностей силовой головки пи-
нольного типа, позволяет одновременно с осевой подачей реализо-
вать операции сверления, зенкерования, развертывания, нареза-
ние резьбы, растачивание поверхностей, расположенных с проти-
воположных сторон заготовки. Механизм обратного хода обеспечи-
вает сверлильно-расточные операции с противоположной от сило-
вой головки стороны.
Общий вид и кинематическая схема силового стола с электроме-
ханическим приводом показаны на рис. 9.4, б. Стол 3 перемещается
по направляющей плите 4, имеющей плоские или призматические
направляющие 5, ходовым винтом 6, приводимым во вращение элек-
тродвигателем 1 (Ml) при быстрых ходах, а электродвигателем 2
(М2) при рабочей подаче. Электромагнитная муфта 7 служит для
разделения кинематических цепей подачи и быстрых ходов. Муфта 8
предохраняет механизм привода при подводе стола к жесткому
упору. Привод гидравлического силового стола по своей конструк-
ции аналогичен приводу самодействующей силовой головки.
В агрегатных станках используют также крестовые силовые
столы, обеспечивающие установочные перемещения в двух взаимно
134
Рис. 9.4. Самодействующая силовая головка (а) и силовой стол (б) агрегатного станка
135
перпендикулярных направлениях и движения подачи по одному
из них.
Многопозиционные поворотные устройства предназначены для
периодического перемещения заготовки с одной позиции на другую
с точной фиксацией в каждой из них. В зависимости от плоскости
поворотные устройства подразделяют на делительные столы (верти-
кальная ось вращения) и барабаны (горизонтальная ось вращения).
Реже в агрегатных станках используют делительные столы с прямо-
линейным перемещением в горизонтальной плоскости.
Шпиндельные узлы предназначены для оснащения силовых сто-
лов при одновременной обработке большого числа отверстий и мо-
гут выполнять сверление, зенкерование, развертывание, растачи-
вание и нарезание резьбы.
Многошпиндельные коробки компонуют из нормализованных де-
талей в соответствии с технологическими требованиями обработки
(корпусных деталей, шпинделей, валов, зубчатых колес). Приме-
няют методы автоматизированного проектирования (САПР) и расчета
шпиндельных коробок с использованием средств вычислительной
техники.
Шпиндельные насадки предназначены для оснащения силовых
головок при выполнении фрезерных операций или использования
одной головки при одновременной обработке нескольких отверстий
с параллельными осями.
Зажимные приспособления агрегатных станков обеспечивают
базирование заготовки с заданной точностью и надежное ее закреп-
ление в условиях многоинструментной обработки. В автоматизи-
рованных приводах зажима используют пневматические или гидрав-
лические цилиндры, электро- или гидромеханические ключи.
Приспособления-спутники применяют для закрепления деталей
сложной формы, неудобной для непосредственного базирования на
столе станка, а также в переналаживаемых линиях при обработке
групп различных по форме заготовок.
Используя унифицированные узлы, можно компоновать и пере-
налаживаемые агрегатные станки для автоматических линий груп-
повой обработки. На рис. 9.5 представлены переналаживаемые агре-
гатные станки, причем набор из многошпиндельных головок 3 (от
двух до шести штук) с кондукторными плитами или без них устанав-
ливают на поворотных устройствах 2 силовых столов 1.
§ 3, АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
ДЕТАЛЕЙ ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ
Детали типа тел вращения, предназначенные для обра-
ботки на автоматических линиях, в соответствии со способами бази-
рования, транспортирования, а также использования основного тех-
нологического оборудования делят на две основные группы: детали
типа валов длиной, значительно превышающей диаметр, и детали
типа дисков (колец) диаметром, большим длины (ширины).
Технологические процессы обработки этих двух основных
групп обычно объединяют в типовые схемы и уточняют в зависи-
137
мости от конфигурации изделий и требований точности обра-
ботки.
Для токарной обработки, например, валов широко используют
токарно-копировальные автоматы, в то время как для изготовления
изделий типа дисков и колец наибольшее применение нашли гори-
зонтальные и вертикальные многошпиндельные токарные автоматы.
Рис. 9.6. Шестишпиндельный токарный автомат:
1 — станина; 2 — передняя стойка; 3, 6 — поперечные суппорты; 4 — продольный суп-
порт; 5 — задняя стойка; 7 шпиндель; 8 — шпиндельный блок; 9 — траверса; 10 &
механизм поддержки прутков
Многошпиидельные токарные автоматы выпускают в патронном
и прутковом исполнении (рис. 9.6). В патронном исполнении их
оснащают автооператором для загрузки заготовок и выгрузки отра-
ботанных деталей.
Рис. 9.7. Многошпиндельный токарный автомат последовательного действия:
а — схема работы; 6 — принцип одинарной (I) н двойной (//) индексации
Многошпиндельные токарные автоматы обладают широкими тех-
нологическими возможностями при обработке разнообразных дета-
лей, обеспечивая высокую степень концентрации обработки. По
принципу работы их подразделяют на автоматы параллельного и по-
следовательного действия. Первые на всех шпинделях реализуют
одинаковые операции и за один цикл работы обрабатывают столько
сравнительно несложных деталей, сколько шпинделей имеет автомат.
Наибольшее распространение получили многошпиндельные авто-
маты последовательного действия (рис. 9.7), на которых заготовки
138
с загрузочной позиции периодическим поворотом (индексацией)
шпиндельного блока 1 последовательно подводятся к рабочим, по-
зициям и одновременно обрабатываются в соответствии с техноло-
гическим процессом. Автомат оснащают поперечными суппор-
тами 2, которые получают подачу Snon от индивидуальных кулач-
ков, и продольным суппортом 5, расположенным на центральной
Рис. 9.8. Автоматическая линия токарной обработки колец конических роликовых
подшипников:
а — 'общий вид; б — обработка наружных колец; в — обработка внутренних колец; 3—*
загрузка; В — выгрузка
гильзе 4 и имеющим продольную подачу Snp от своего кулачка.
Иногда на продольном суппорте устанавливают скользящие дер-
жавки с режущим инструментом, получающие перемещение от до-
полнительных индивидуальных кулачков, т. е. так же, как и инстру-
ментальные шпиндели с независимым приводом.
Шпиндели 6 автомата получают вращение от приводного вала 3
через общее центральное зубчатое колесо 7, вследствие чего они
имеют одинаковую частоту вращения.
Большое число рабочих позиций шпинделей (6—8) позволяет
использовать их в разных сочетаниях. Детали сложной формы про-
ходят обработку на всех позициях станка, перемещаясь в каждом
цикле на следующую позицию (одинарная индексация). Для более
139
простых деталей, которые можно обрабатывать при меньшем числе
рабочих позиций, применяют схему параллельно-последовательной
обработки. Для этого используют две позиции в качестве загрузоч-
ных и обрабатывают детали в два потока. Так, заготовка, установ-
ленная на позиции /, обрабатывается на рабочих позициях 111,
V и VII, а заготовка, установленная на позиции // —на рабочих
позициях IV, VI, VIII.
Для финишной обработки деталей типа тел вращения чаще всего
применяют бесцентрово-шлифовальные автоматы, как наиболее под-
ходящие при решении задач автоматической загрузки-разгрузки
заготовок наиболее простыми методами. Кроме того, метод бесцен-
трового шлифования обеспечивает более высокую производитель-
ность за счет больших подач благодаря наличию жесткой опоры по
140
всей длине обрабатываемой детали, воспринимающей силу со сто-
роны шлифовального круга.
В начале автоматической линии для токарной обработки колец
конических подшипников (рис. 9.8) установлен автоматический
бункер 1 для накопления и выдачи штучных заготовок, а в конце —
магазин 7 (с вращающимися щетками). Транспортные устройства
(конвейеры подводной 5 и отводящий 4, подъемники 2, гибкая лот-
ковая система 6) передают заготовки из бункера к многошпиндель-
ным токарным автоматам 3, а обработанные кольца — к прессу
клеймения 8 и далее в магазин. Наружные кольца обрабатывают на
шестишпиндельных, а внутренние—на восьмишпиндельных то-
карных автоматах. На каждом станке реализуется полная токарная -
обработка кольца, технологические процессы которой представ-
лены соответственно на рис. 9.8, б, в. Загрузка, выгрузка и пово-
рот кольца в процессе обработки обеспечиваются автооператором.
Роторные автоматические линии по структурному построению
существенно отличаются от линий из агрегатных и других станков,
соединенных единой транспортной системой. Роторные линии
(рис. 9.9) комплектуют из роторных автоматов 1, на которых обра-
ботка деталей выполняется в процессе непрерывного транспортиро-
вания их совместно с режущим инструментом. Таким образом, глав-
ной особенностью роторных линий является совмещение во вре-
мени транспортирования заготовок и их обработки. Траектория пе-
ремещения заготовки по всем станкам линии осуществляется
транспортными роторами 2.
Производительность роторной линии зависит от числа позиций
и частоты вращения роторов. В результате совмещения времени
обработки с временем транспортирования заготовок роторные ли-
нии обеспечивают высокую производительность при изготовлении
небольших, сравнительно простых деталей, при малом основном
технологическом времени.
Роторные линии эффективно используют в массовом производстве.
Необходимо указать на то, что перестановка деталей с одного ро-
тора на другой приводит к потере точности изделия.
§ 4. ПЕРЕНАЛАЖИВАЕМЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
Переналаживаемые автоматические линии групповой обра-
ботки предназначены для изготовления двух—десяти, а иногда и
более заранее известных, аналогичных по конструкции, служеб-
ному назначению и технологии обработки, близких по размерам де-
талей в условиях крупносерийного и массового производства.
Эти линии используют при необходимости одновременного вы-
пуска нескольких модификаций деталей, узлов или машин. Обра-
ботка различных заготовок может вестись как параллельно, так и
последовательно после осуществления автоматической или ручной
Переналадки.
Автоматические линии групповой обработки переналаживают,
как правило, не чаще 4 раз в месяц, они обеспечивают общую годо-
141
вую производительность от 30 000 до 250 000 изделий. Возможность
переналадки линий расширяется за счет использования высоко-
производительных специальных станков с ЧПУ.
Известны следующие варианты конструктивных компоновок
переналаживаемых автоматических линий для крупносерийного и
массового производства.
Переналаживаемые автоматические линии с гибким транспорт-
ным потоком. В этом случае для каждого типоразмера на линии
предусматривают определенные рабочие позиции, сходные по тех-
нологическому процессу и по набору режущего инструмента. Каж-
дая деталь имеет свой транспортный маршрут.
Переналаживаемые автоматические линии с последовательной
обработкой заготовок различных типоразмеров. Основное техноло-
гическое и транспортное оборудование, так же как и система управ-
ления, переналаживаемые. Все заготовки имеют сходный техноло-
гический процесс при одинаковом числе рабочих позиций. Время
переналадки сравнительно велико, вследствие чего обработка ве-
дется крупными партиями.
Переналаживаемые автоматические линии с фиксированным
транспортным потоком деталей. В этом случае транспортные
устройства для всей группы обрабатываемых деталей не подлежат
переналадке (в основном это линии с обработкой на приспособле-
ниях-спутниках). Переналадка станков реализуется быстро в авто-
матическом или полуавтоматическом режиме. Затраты на оснастку
также сравнительно невелики, но число типоразмеров в группе
обрабатываемых деталей, как правило, не может превышать двух —
четырех.
Переналаживаемые линии получили широкое распространение
для групповой обработки блоков цилиндров двигателей внутреннего
сгорания, идентичных по конфигурации и технологическому про-
цессу изготовления и отличающихся только размерами, числом ци-
линдров и крепежных отверстий.
В СССР разработана система автоматических линий групповой
обработки восьми- и десятицйлиндровых блоков для Ярославского
моторного завода производительностью 30 дет./ч, состоящая из
101 единицы основного технологического оборудования, и линия
для обработки четырех типов корпусов редукторов (рис. 9.10).
Производительность ее — 100 000 корпусов в год при переналадке
с одного типоразмера на другой раз в неделю в течение 4 ч. Линия
состоит из 10 агрегатных станков, связанных общим транспортом.
Обработка и транспортирование производятся на спутниках четы-
рех размеров. Станки 9 и 10 имеют силовой стол с делительным по-
воротным устройством, на котором смонтированы четыре шпиндель-
ные коробки, каждая из которых соответствует определенному
размеру редуктора. При переналадке на обработку другого изделия
силовой стол поворачивается на соответствующий угол.
На ВАЗе работает система переналаживаемых автоматических
линий обработки трех модификаций четырехцилиндрового блока
цилиндров. Все детали одинаковые по высоте’и близки по конструк-
142
тивным параметрам. Система включает в себя шесть переналаживае-
мых автоматических линий (рис. 9.11) —соответственно для черно-
вой и чистовой фрезерной обработки, сверления, зенкерования,
резьбонарезания и растачивания.
Линии комплектуются транспортером с шагом 1000 мм, транспорт-
ными штангами и направляющими планками под заготовки. Загру-
зочная и разгрузочная позиции оснащены кантователями 1 и 15
(рис. 9.11, а) и контрольными устройствами наличия заготовок.
При переналадках система линий освобождается от. предыдущей
детали, на тех позициях, где это необходимо, заменяются инстру*
Рис. 9.10. Схема переналаживаемой автоматической линии обработки корпусов
редукторов:
2 загрузочная и разгрузочная позиции? 3 опрокидыватель; 4 поворотные столы?
5 — контрольные позиции; 6 —*• двусторонний расточный станок; 7, 8 односторонние рас*
точные станки; 9, 10 — многошпиндельные сверлильные станки со сменными головками?
111 12, 13 — расточные станки для финишной обработки; 14t 15 расточные станки с наклон-
ными головками
мент, отдельные контрольные группы, регулируются упоры-ограни-
чители хода силовых узлов, переключается тумблер на пульте
программируемого командоаппарата и включается программа
управления циклами работы линий для обработки необходимой
детали. Время переналадки составляет 2—2,5 ч, включая время на
освобождение линий от предыдущих деталей.
Специальные станки, предназначенные для встройки в автомати-
ческие линии обработки деталей типа тел вращения, можно пере-
налаживать в определенных пределах на разные типоразмеры дета-
лей. Вместе с тем создание переналаживаемых автоматических ли-
ний обработки деталей типа тел вращения связано с определенными
трудностями, обусловленными технологическими особенностями
этой группы деталей. Изменение базовых поверхностей заготовки
приводит к замене базовых узлов станка (патронов, опор, центров,
люнетов), которые определяют точность обработки. Изменение раз-
меров и формы детали приводит к смене шлифовальных кругов,
копиров, алмазных роликов, необходимой переналадке транспорт-
ных систем и загружателей и т. д.
На рис. 9.12, а показан принцип переналадки транспортера
автоматических линий для производства железнодорожных под-
шипников в результате регулировки направляющих штанг. На
рис. 9.12, б представлены два варианта наладки транспортной си-
стемы линии для изготовления двух деталей вилок карданного вала
143
Рис. 9.11. Система автоматических линий групповой обработки:
а — для чернового фрезерования; Л 15 — кантователи деталей; 2, 4, 7, 9, 10, 12—14 —*
нерабочие позиции; 3, 6, 8, 11 — рабочие позиции; 5, 16, 17, 18 — фрезерные головкн; б —
для чистовой фрезерной обработки; 1 — кантователь; 2 — нерабочая позиция; 4 — рабочая
позиция; 3, -5 — 11 — фрезерные головки; в — для сверлильной обработки на торцовых по-
верхностях; 1 — кантователь деталей; 2 — нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция; 4,
6, 8, 10, 13, 15, 17, 19 — сверлильные резьбонарезные головки; 5, 7, 9, 11, 12, 14, 16, 18 —
контрольные головки; г — для сверлильной обработки на боковых поверхностях; 1 — кан-
тователь деталей; 2 — нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция; 4, 6, 9, 10 — сверлильные
головки; 5,7,8— контрольные головкн; д — для сверлильной обработки на боковых по-
верхностях; 1, 12 — кантователи деталей; 2 — нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция;
4, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 17, 19, 21 — сверлильные и резьбонарезные головки; 5, 7, 10, 14,
18, 20— контрольные головки; е — для растачивания; 1, 7 — кантователи деталей; 2 —<
нерабочая позиция; 3 — рабочая позиция; 4—6, 8—10 — расточные головци
144
автомобиля. Примером переналаживаемой линии групповой обра-
ботки может служить разработанная ЭНИМСом линия для изготов-
ления валов электродвигателей (рис. 9.13). При ее компоновке
использовали . быстроналаживаемые механизмы транспортно-загру-
зочной системы, автоматические устройства подналадки и смены ре-
жущего инструмента, автоматические контрольно-измерительные
Рис. 9.12. Переналаживаемые транспортеры автоматических линий обработки:
а — железнодорожных подшипников; 1 — привод транспортера; 2 — кольцо подшипника;
3 — упор; б — вилок карданного вала; 1,4 — ограничители; 2,5 — подвижные базиру-
ющие призмы; 3 — собачка для перемещения детали
устройства, отдельные переналаживаемые автоматические мага-
зины-накопители. Компоновка автоматической линии фронтальная,
оборудование установлено в одну линию. Оси шпинделей всех стан-
ков находятся на одной линии, а ось транспортера заготовок парал-
лельна осям шпинделей станков.
Система переналаживаемых линий групповой обработки и сборки
маховиков двигателя представлена на рис. 9.14. Технологический
процесс обеспечивает полную обработку (токарную, сверление,
резьбонарезание и т. д.), сборку обвода маховика и окончательную
балансировку пяти различных типов изделий. Все металлообраба-
тывающее оборудование, включая токарную группу, построено по
типу агрегатных станков. Переналадка на обработку маховика
145
146
Рис. 9.14. Система автоматических линий групповой обработки маховиков двига-
теля:
1 — позиция загрузки; 2—5 — агрегатные токарные станки; 6 — автоматическая линия из
агрегатных сверлильных и резьбонарезных станков; 7 — оборудование для сборки, балан-
сировки и мойки; 5 — позиция разгрузки
другого типа осуществляется заменой вспомогательного инстру-
мента токарных агрегатных станков и включением или отключением
некоторых сверлильных силовых головок.
ГЛАВА 10
ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ К СТАНКАМ
§ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ
Для выполнения производственных функций промыш-
ленный робот должен иметь: исполнительное устройство (манипу-
лятор с приводами и рабочим органом — схватом); устройство
управления, обеспечивающее автоматическую работу манипулятора
по программе, которая хранится в оперативной памяти, а также раз-
витые связи с устройствами программного управления; измери-
тельно-преобразовательные устройства, контролирующие действи-
тельные положения исполнительного устройства, силу зажима
схвата и другие параметры, которые оказывают влияние на работу
манипулятора; энергетическое устройство (гидростанцию, силовые
преобразователи энергии), обеспечивающее автономность работы
манипулятора.
Технологические возможности и конструкцию промышленных
роботов определяют несколько основных параметров, обычно вклю-
чаемых в их техническую характеристику: грузоподъемность, число
степеней подвижности, рабочая зона, мобильность, быстродействие,
погрешность позиционирования, типы управления и привода.
Грузоподъемность промышленного робота определяется наиболь-
шей массой изделия (например, детали, инструмента или приспособ-
ления), которым он может манипулировать в пределах рабочей зоны.
В основном в типоразмерный ряд промышленных роботов, предназна-
ченных для машиностроительного производства, входят модели гру-
зоподъемностью от 5 до 500 кг.
147
Число степеней подвижности промышленного робота опреде-
ляется общим числом поступательных и вращательных движений
манипулятора, без учета движений зажима-разжима его схвата.
Большинство промышленных роботов в машиностроении имеет до
пяти степеней подвижности.
Рабочая зона определяет пространство, в котором может пере-
мещаться схват манипулятора. Обычно оно характеризуется наиболь-
шими перемещениями захватного устройства вдоль и вокруг каждой
оси координат.
Мобильность промышленного робота определяется его способ-
ностью совершать разные по характеру движения: перестановочные
(транспортные) перемещения между рабочими позициями, находя-
щимися на расстоянии, большем, чем размеры рабочей зоны мани-
пулятора; установочные перемещения в пределах рабочей зоны, опре-
деляемой конструкцией и размерами манипулятора; ориентирующие
перемещения схвата, определяемые конструкцией и размерами ки-
сти — конечного звена манипулятора. Промышленные роботы могут
быть стационарными, не имеющими перестановочных перемещений,
и передвижными, обеспечивающими все названные виды дви-
жений.
Быстродействие определяется наибольшими линейными и угло-
выми скоростями перемещений конечного звена манипулятора.
Большинство промышленных роботов, применяемых в машинострое-
нии, имеет линейные скорости манипулятора от 0,5 до 1,2 м/с, а угло-
вые — от 90 до 180 °/С.
Погрешность позиционирования манипулятора характеризуется
средним значением отклонений центра схвата от заданного положе-
ния и зоной рассеяния данных отклонений при многократном повто-
рении цикла установочных перемещений. Наибольшее число про-
мышленных роботов, применяемых в машиностроении, имеет погреш-
ность позиционирования от ±0,05 до ±1,0 мм. Устройства программ-
ного управления промышленных роботов могут быть цикловыми
(индекс Ц), числовыми позиционными (индекс П), контурными
(индекс К) или контурно-позиционными (индекс С). Приводы ис-
полнительных органов промышленных роботов могут быть элек-
трическими, гидравлическими, пневматическими или комбиниро-
ванными, например, электрогидравлическими, пневмогидравличе-
скими.
Промышленный робот 3388-Ш (рис. 10.1) предназначен для вы-
полнения погрузочно-разгрузочных и других вспомогательных опе-
раций в металлообрабатывающем производстве. Робот стационарного
типа имеет четыре степени подвижности: перемещение г манипуля-
тора вдоль оси Z (подъем и опускание); выдвижение х механической
руки вдоль оси X (вперед и назад); поворот манипулятора относи-
тельно оси Z (движение С); поворот головки (кисти) с захватным
устройством относительно оси X (движение X). Все перемещения
осуществляются от пневмо- и гидроприводов. Величины наибольших
перемещений по каждой из степеней подвижности, характеризу-
ющие рабочую зону манипулятора, также показаны на рис. 10.1.
148
OIL SO/
Рис. 10.1. Универсальный промышленный робот 3388-Ш
$00
149
Линейные перемещения выполняются со скоростью 0,7—1 м/с,
а угловые — со скоростью 90 7с.
Конструктивно промышленный робот состоит из нескольких
сборочных единиц, смонтированных на основании 1 в виде жесткой
сварной рамы, закрытой кожухами. На раме установлен подъемно-
поворотный механизм 2 манипулятора, который может быть оснащен
одной или двумя сменными механическими руками 3. Руки можно
устанавливать относительно друг друга под углом 30—60° при
наладке манипулятора. Грузоподъемность каждой руки 10 кг.
Пневмогидравлические приводы подъема-опускания и поворота ма-
нипулятора размещены в основании промышленного робота. Для
выдвижения руки используется пневмоцилиндр 4, размещенный
внутри ее корпуса. На базирующий фланец руки крепится головка
(кисть) 5 с захватными устройствами 6 различного типа. Привод
схвата осуществляется пневмоцилиндром, установленным в корпусе
головки. Движение поворота головки со схватом осуществляется
пневмоцилиндрами 7 и передачей типа рейка—шестерня, установ-
ленными на фланце с задней стороны руки.
Устройство циклового программного управления промышлен-
ным роботом размещено во внутренней полости основания. Пульт 8
оператора смонтирован на наклонной крышке основания, за пре-
делами рабочей зоны манипулятора.
Классификация промышленных роботов, применяемых в машино-
строении, осуществляется по различным признакам, в том числе по
технологическому назначению и степени универсальности. Про-
мышленные роботы могут быть производственными и вспомогатель-
ными. Производственные роботы непосредственно участвуют в тех-
нологическом процессе в качестве производящих или обрабатыва-
ющих рабочих машин, выполняющих некоторые основные операции:
сварочные, гибочные, окрасочные, сборочные и др. Для таких ро-
ботов характерно оснащение рабочих органов манипулятора необ-
ходимым инструментом (отверткой, гайковертом, сварочным устрой-
ством или краскораспылителем). Производственные роботы обычно
используют в поточных линиях, где несколько таких роботов,
установленных вдоль конвейера, последовательно выполняют раз-
личные технологические переходы.
Значительная часть промышленных роботов, применяемых в ма-
шиностроении, относится к группе вспомогательных (подъемно-
транспортных). Они предназначены главным образом для обслужива-
ния основного технологического оборудования (станков, прессов
и других рабочих машин). Применение таких роботов обусловлено
необходимостью гибкой автоматизации вспомогательных операций:
установки-снятия заготовок и деталей, смены инструментов и осна-
стки, очистки базовых поверхностей деталей и приспособлений,
контроля размеров заготовок и деталей. Кроме того, подъемно-
транспортные промышленные роботы могут осуществлять установку
заготовок в ориентированном виде в накопителе, на транспортере,
выполнять транспортно-складские операции (при обслуживании
автоматизированных складов), обеспечивать транспортные потоки
150
заготовок, деталей и инструментов как между отдельными станками,
так и в пределах всего цеха. Обслуживающие промышленные ро-
боты взаимодействуют с основным технологическим оборудованием,
транспортными механизмами и другим вспомогательным оборудова-
нием. Они являются в этом случае частью гибкого производствен-
ного модуля. Вспомогательные промышленные роботы позволяют,
таким образом, повысить производительность и технологическую
гибкость основного оборудования, обеспечить комплексную автома-
тизацию производства.
В зависимости от характера производства, вида выполняемых
операций или типа основного оборудования, обслуживаемого в авто-
матическом цикле, промышленные роботы могут быть разной сте-
пени универсальности, которая определяется их функциональными
возможностями и переналаживаемостью. В соответствии с данными
признаками промышленные роботы разделяют на специальные, спе-
циализированные (целевые) и универсальные (многоцелевые).
Специальные промышленные роботы предназначены для выпол-
нения определенных технологических операций или обслуживания
конкретных моделей технологического оборудования. Для данные
роботов характерно конструктивное единство с основным или вспо-
могательным оборудованием, входящим в состав гибкого производ-
ственного (например, обрабатывающего) модуля. Число степеней
подвижности в этом случае выбирается в соответствии со схемой
выполнения необходимых манипуляционных действий и обычно ие
превышает 3—4. Управление циклом работы манипулятора осуще-
ствляется от устройства ЧПУ технологическим модулем.
Специальный промышленный робот «Пирин» (НРБ) предназна-
_ чен для загрузки и разгрузки заготовок и деталей на токарном станке
с ЧПУ (рис. 10.2). Токарный станок 1 с ЧПУ и автоматической
сменой инструментов оснащен специальным столом-накопителем 2
' для партии заготовок и обработанных деталей, установленных
в приспособлении-спутнике 8 в ориентированном виде. Стол-накопи-
тель совершает по определенной программе шаговые перемещения
по оси Y перпендикулярно оси станка для установки приспособ-
ления-спутника в позицию загрузки-разгрузки. Автоматический
манипулятор, предназначенный для обслуживания станка, установ-
лен на каретке 4, которая может передвигаться по направляющим
консоли 3 оси Z шпинделя станка. Боковое размещение нако-
пительного устройства и расположение манипулятора над станком
обеспечивают доступ оператора к рабочей зоне этого станка.
Таким образом, рабочая зона промышленного робота в гибком
производственном модуле отделена от зоны обслуживания станка:
Грузоподъемность манипулятора 80 кг; он имеет две механические
руки 5 и 6. Каждая рука оснащена механизмом вертикального пере-
мещения по оси X с длиной хода 350 мм. Механическая рука 5 пред-
назначена для разгрузки станка, а рука 6 — для загрузки его.
Цикл движения загружающей руки дополнительно включает в себя
поворот С на определенный угол в вертикальной плоскости для уста-
новки заготовок в патрон станка. Для обработки заготовки с двух
151
сторон каждая рука имеет дополнительно механизм головки (кисти)
с приводом поворота на угол 180° относительно оси X (движение Л).
В зависимости от вида обрабатываемых деталей на базирующем
фланце кисти руки могут быть установлены различные быстросмен-
ные схваты. Приводы механизмов для всех степеней подвижности
манипулятора и захватного устройства — гидравлические. Последо-
152
вательность .движений программируется на пульте 7 управления.
Специализированные (целевые) промышленные роботы предназ-
начены для выполнения технологических операций одного вида
(например, для операций сварки, окрашивания или сборки) или
только вспомогательных переходов, требующих одинаковых мани-
пуляционных действий. Манипуляторы таких роботов имеют обычно
4—5 степеней подвижности и могут быть оснащены устройствами
циклового или числового программного управления. Проектирова-
ние специализированных промышленных роботов осуществляется
Рис. 10.3. Гибкая производственная система для обработки деталей типа тел вра-
щения
с учетом их целевого назначения, в том числе конструктивных осо-
бенностей обслуживаемого технологического оборудования.
Гибкая производственная система для обработки деталей типа
тел вращения, представленная на рис. 10.3, состоит из двух токар-
ных станков с ЧПУ и обслуживающего эти станки промышленного
робота портального типа. Каретка 2 с установленной на ней меха-
нической рукой 3 перемещается по направляющим портала 1, смон-
тированного на колоннах 4. Рука 5 манипулятора двухзвенная и
состоит из плечевого и локтевого рычажно-шарнирных механизмов.
На базирующем фланце конечного звена руки установлен механизм
головки (кисти) 6 с захватным устройством 7. Манипулятор имеет
четыре степени подвижности: перемещение каретки по оси X, по-
ворот А руки в плечевом шарнире, поворот D руки в локтевом шар-
нире, поворот С кисти вокруг своей оси на угол 90 или 180°. Кроме
153
того, для зажима и разжима деталей предусмотрено движение W
губок схвата.
Управление приводами перемещений X, А и D осуществляется
в режиме позиционирования от устройства 9 числового управления,
а перемещений С и W — с помощью команд цикловой автоматики.
Приводы манипулятора — гидравлические с автономным питанием
от гидростанции 8. Конструкция манипулятора позволяет установить
на его кисти дополнительные механизмы и устройства для контроля
правильност^базирования заготовки в центрах или патроне станка,
измерения обрабатываемого диа-
Рис. 10.4. Гибкий производственный
модуль для токарной обработки:
ф — заготовка; О — деталь
метра заготовки и для очистки
базирующих поверхностей от
стружки путем обдува их сжатым
воздухом.
В состав гибкой производ-
ственной системы для токарной
обработки помимо основного тех-
нологического оборудования (стан-
ков 10 и обслуживающего их про-
мышленного робота) входят вспо-
могательные накопительные ус-
тройства 11 и 12 для установки
в них в ориентированном положе-
нии заготовок и обработанных де-
талей, находящихся также в ра-
бочей зоне манипулятора. Рабо-
чая зона манипулятора имеет
ограждение 13.
Универсальные промышленные
роботы предназначены для вы-
полнения технологических опера-
ций различных видов. Они могут
быть использованы как для основных технологических операций
(например, сварочных или сборочных), так и для выполнения раз-
личных вспомогательных функций при обслуживании оборудования
различного технологического назначения, требующих различных
манипуляционных движений. Для таких роботов характерна полная
конструктивная независимость от основного технологического обо-
рудования, с которым они совместно работают, а также большое
число степеней подвижности (5—7), обеспечивающее их широкие
функциональные возможности.
На рис. 10.4 приведена схема гибкого производственного модуля,
состоящего из токарного станка 1, обслуживающего его универсаль-
ного промышленного робота 2 и транспортно-накопительного уст-
ройства 3 для заготовок и обработанных деталей. Рабочая зона
промышленного робота охватывает загрузочные и разгрузочные
позиции транспортера-накопителя, зону обработки на станке, при-
мыкающую к его шпинделю, контрольно-измерительную позицию
специального автоматического устройства 4.
154
Автоматический манипулятор имеет пять степеней подвижности:
осевое перемещение по оси X руки на длине 800 мм; вертикальное
перемещение по оси Y руки относительно стойки (перпендикулярно
плоскости чертежа); поворот В руки на угол 300° в горизонтальной
плоскости; поворот А кисти руки на угол 180° относительно про-
дольной оси руки; поворот (качание) С кисти в вертикальной пло-
скости. Захватное устройство должно, кроме того, выполнять дви-
жения зажима-разжима заготовки или детали. Рабочая зона про-
мышленного робота имеет ограждение 5, обеспечивающее безопас-
ность для обслуживающих данный комплекс рабочих и наладчиков.
Микропроцессорное устройство ЧПУ централизованно управ-
ляет всем оборудованием комплекса во время автоматического
цикла работы.
§ 2. РОБОТИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
При обработке деталей на станках промышленные роботы
используют главным образом для автоматизации вспомогательных
процессов, связанных с обеспечением потоков заготовок и инстру-
ментов. Основные варианты применения промышленных роботов при
автоматизации обработки на станках показаны на рис. 10.5: для
обслуживания одного станка в составе гибкого производственного
модуля (рис. 10.5, а, д), для обслуживания группы станков, обра-
зующих гибкий автоматизированный участок (рис. 10.5, б—з), для
обслуживания группой роботов гибких автоматизированных линий
,(рис. 10.5, и—л).
В составе гибкого производственного модуля промышленный
робот обслуживает, как правило, три позиции: загрузочную позицию
накопителя Н заготовок; рабочую позицию А станка и разгрузоч-
ную позицию X транспортера или накопителя деталей. Фактическая
производительность обрабатывающего модуля определяется коэффи-
циентом использования станка kc, который зависит от длительно-
сти Тр его обслуживания роботом, отнесенной к общей продолжи-
тельности То обработки детали на станке: kc = 1 — ТР1ТО.
Рассмотрим в качестве примера диаграмму цикла Тр обслужива-
ния манипулятором токарного станка (рис. 10.6). Начало этого цикла
отнесено к моменту остановки шпинделя, когда формируется команда
на выполнение манипуляционных действий. Окончание периода
обслуживания совпадает с выходом захватного устройства мани-
пулятора из рабочей зоны станка и включением рабочего цикла Тм.
Общее время простоя Тп = У? tni (i — 1, 2, 3) станка (заштрихо-
ванные участки) в основном определяется временем манипулирова-
ния заготовкой и деталью. Для сокращения этого времени необхо-
димо либо увеличить скорости движения манипулятора и уменьшить
общую длину перемещений его рабочего органа, либо совместить
время манипулирования с рабочим циклом станка, создав рациональ-
ную компоновочную схему гибкого производственного модуля.
Основные варианты компоновки робототехнического комплекса,
в который входят автоматизированный токарный станок и обслужи-
155
Рис. 10.5. Варианты компоновок роботизированных технологических комплексов
ГГПТП
ч
156
вающий его специализированный промышленный робот портального
типа, показаны на рис. 10.7. Возможны три конструктивных испол-
нения манипулятора для робота данного типа: с одной рукой и
одним схватом (рис. 10.7, а); с двумя руками, работающими после-
довательно (рис. 10.7, б), с одной рукой и двумя схватами, работа-
ющими последовательно (рис. 10.7, в).
На рис. 10.8 показаны типовые циклограммы обслуживания
станка для рассмотренных трех конструктивных вариантов манипу-
лятора. Общая продолжительность Тр обслуживания роботом станка
шш
Вывод охвата из ра-
бочей зоны станка
Разжин патрона
Отвод пиноли
Подвод пиноли
Зажин патрона
Рабочий цикл
Перемещение
к станку_________
Ввод охвата в радо-
чую зону станка
захват детали
Перенос детали
О накопители
Поиск заготовки
и захват ев
Ввод охвата в рабо-
чую зону станка
Разжим заготовки
Рис. 10.6. Циклограмма обслуживания токарного станка промышленным роботом
в каждом варианте определяется суммой времени выполнения от-
дельных этапов цикла: tp — время разгрузки станка (куда входит
tj, — время опускания механической руки на линию центров станка,
4 — время захвата детали в шпинделе, t3 — время подъема руки
в позицию Б); /т — время транспортирования заготовки или детали
между позициями А и Б; — время установки детали в накопи-
тель Н; — время перемещения транспортера-накопителя на один
шаг; tc — время снятия заготовки с накопителя; tK — время пово-
рота головки со схватом; t3 — время загрузки станка (куда входит
h — время опускания механической руки, /8 — время установки
заготовки и ее зажима в патроне, te — время подъема руки.). Из
циклограмм видно, что применение манипулятора с одной рукой
(рис. 10.8, а) в данном случае нерационально, так как время Тр1
обслуживания станка при этом наибольшее. Для сокращения вре-
мени обслуживания рациональнее применять манипулятор с двумя
руками (рис. 10.8, б) или двузахватное исполнение руки (рис. 10.8, в):
.157
Рис. 10.7. Варианты компоновки гибкого производственного модуля для токарной
обработки деталей:
Н — позиция накопителя заготовок и деталей; Л и В — промежуточные позиции промыш-
ленного робота при траиспортироваини заготовки и детали; Ш — рабочая позиция шпин-
деля станка
158
Трг < Tp9 < Tpl. Главным преимуществом данных вариантов испол-
нения манипулятора является возможность совмещения времени
транспортирования заготовки и детали, а также времени обслужива-
ния накопителя с рабочим циклом Тм станка: несовмещенное время Т'р
цикла работы манипулятора связано только с разгрузкой и загруз-
кой станка в его рабочей позиции. Причем двурукое исполнение
манипулятора с этой точки зрения также является наилучшим
Тр2 <Z. Трз>
Аналогичным образом проведен анализ основных вариантов ком-
поновки робототехнических комплексов и сравнение их с точки
зрения эффективного использования основного оборудования —
Рис. 10.8. Циклограммы обслуживания токарного станка промышленным роботом
станков и обслуживающего их промышленного робота (коэффициент
использования робота в составе обрабатывающего комплекса kp =
— TpfT0). Гибкие производственные системы можно строить по
/Схемам круговой или линейной компоновки. При круговой компо-
новке (см. рис. 10.5, б—г) технологическое оборудование, обозначен-
ное в общем случае буквами А, Б, В..., расставлено по дуге окруж-
ности, в центре которой установлен промышленный робот Р. Заго-
товки поступают с конвейера-накопителя Н, а обработанные детали
передаются на конвейер К или в промежуточный магазин М, При
линейной компоновке комплекса (см. рис. 10.5, е—з) технологиче-
ское оборудование располагают параллельно друг другу в один
или несколько рядов, находящихся в пределах рабочей зоны обслу-
живающего промышленного робота.
Круговые компоновки робототехнических комплексов целесооб-
разно использовать для небольшого числа технологических позиций
(до пяти-шести) и при малых размерах рабочей зоны обслужива-
ющего их промышленного робота стационарного типа. При этом
эффективно применять двузахватные конструкции механизма ма-
нипулятора. При установке большого числа станков, а также для
увеличения зоны обслуживания целесообразно использовать линей-
ные компоновочные схемы робототехнических комплексов и промыш-
ленные роботы передвижного типа. Преимущество механизма руки
15Э
с двумя схватами при этом остается существенным, а использование
двурукого манипулятора конструктивно ограничено.
Проектирование гибких производственных систем; в которых
несколько промышленных роботов ^обслуживают большое число
станков, транспортно-накопительных и других вспомогательных
устройств образующих участки или линии, требует нахождения
оптимального режима работы всей системы, например, численным
методом при моделировании ее циклов на ЭВМ.
Выбору промышленного робота для обслуживания станков дол-
жен предшествовать анализ геометрических характеристик и массы
изготавливаемых деталей, а также основных параметров станков,
на которых обработка соответствующих заготовок наиболее эффек-
тивна. Характеристики основных типов деталей, изготавливаемых
на станках групповым методом, приведены в табл. 10.1.
Анализ основных типов деталей и параметров станков позволил
установить размерный ряд промышленных роботов для обслужива.
10.1. Характеристика основных типов деталей, изготавливаемых иа стайках
групповым методом
Тип Эскиз Наименова- ние Характеристика группы Размер детали (D или &), мм Наиболь- шая масса детали, кг
Тела враще- ния fa! А Диски (фланцы, кольца, шкивы, зубчатые колеса) 20—180 25—250 32—315 40 80 160
_г
Гильзы, втулки, стаканы 40—400 50—500 250 500
T
л — 11 И
7/SS//SSSSS/M 4
! J
Валы (гладкие, ступенча- тые) 32—100 40—125 50—160 40 80 160
z 4
z
Плоские и прямо- угольные Планки, плиты, крышки 4-<0.2 30—200 200—500 300—500 20 80 160
<0
М-> * 7
Корпус- ные « 5 Корпуса простых форм 200 320 500 40 160 250
—.—
z,
160
Ния этих станков. Промышленные роботы имеют грузоподъемность
20, 40, 80 и 160 кг (основной ряд); 250 и 500 кг.— для обслуживания
тяжелых станков, а также для погрузочно-разгрузочных, транспорт-
ных: и складских работ.
Число степеней подвижности манипуляторов зависит от компо-
новки станка, размеров, расположения и доступности его рабочей
зоны, схемы движений при обслуживании, а также выбранной ком-
поновочной схемы гибкого производственного модуля или комплекса.
Исходя из компоновки, можно выделить две основные группы стан-
ков: с горизонтальной осью шпинделя, с вертикальной осью шпин-
деля и горизонтальным столом. В станках первой группы заготовка
должна подаваться на линию центров станка и затем устанавли-
ваться в патроне или центрах за счет осевого движения. В станках
второй группы заготовка сначала должна подаваться в рабочую
зону выше базовой плоскости стола, а затем устанавливаться на
ней за счет вертикального перемещения. Загрузка и разгрузка
станка по любой из этих схем требует минимум трех степеней по-
движности манипулятора для установочных (поступательных и вра-
щательных) движений руки относительно координатных осей X,
Y и Z. Если установка и ориентация заготовки в патроне или зажим-
ном приспособлении осуществляется независимыми движениями,
то число степеней подвижности манипулятора увеличивается. В общем
случае для перемещения тела в пространстве и его произвольной
ориентации робот-манипулятор должен иметь шесть степеней по-
движности: три для осуществления рукой установочных перемещений
и три для ориентирующих движений кисти. Передвижные промыш-
ленные роботы имеют, кроме того, степени подвижности, связанные
с транспортными движениями.
При проектировании специализированных и специальных про-
мышленных роботов число степеней подвижности обычно принимают
минимально необходимым для данной технологической задачи.
1 Выбранному числу степеней подвижности могут соответствовать
различные варианты кинематической структуры манипулятора, за-
висящие от вида и последовательности расположения кинематиче-
ских пар — вращательных (В) и поступательных (П). Для каждого
сочетания пар возможно несколько структурных кинематических
схем, отличающихся взаимным расположением звеньев и формой
рабочего пространства манипулятора.
В табл. 10.2 приведены возможные структурные кинематические
схемы манипулятора в зависимости от сочетания пар типа В и П.
При изменении соотношений длины звеньев руки и углов между
осями кинематических пар размеры и конфигурация рабочей зоны
манипулятора меняются. При конструировании механизма руки
возникают ограничения угловых и линейных перемещений, из-за
:чёго в расчетных рабочих пространствах образуются недоступные
для кисти руки области.
Структурные кинематические схемы кисти руки манипулятора
определяют его ориентирующие движения. Для произвольной
ориентации детали кинематическая структура кисти содержит три
6 п/р В. Э. Пуша 161
10.t. Структурные wimmweasue Схемы ммтуттореО
Кинематические пары Структурная кинематическая схема
Три посптупа- взеяьныЕ (ППП) zilX^Y ] X т Л li^5 '~х» 41—с ур*д zil-JZr0 |jp
Две постдпа- ; тельные а одна Вращательная (ППВ,ВПП,ПЗП) г|^г F Щ-1. го Гп1" >-.ст • й^ X 4 lA Tub° 1
дХ г, 41“^ Xе J 1 г. —$у 'С I >- -чС -г h||z 4 II (TtL
t *Wy тер- 4 У _х Tzllh^ ^)А J <>? —c a4
Две Враща- тельные и. одна поступательная । (В8П,вРв, Ш) / • У iir^ Чм awi / itо_ JL A Г1
5 У^ Э}А Т 4 г z||— V л »с|| -ф ’T >ZkC
X Л pL '-*»Х^ рс г>В «—х^ h= "C A 1 T
Три. враща- тжмые (ВДВ) А ^С, С Аи
С<*< У А 4 ,ь *ё О4 8, ® В A t B a
ttaaUKiXXZ-fmHAUmmBPe яеремех»зшя;А,.а.с-е)те1вжйМые91шкения отюатеяяш
______________ - . морвшшшых осей.
162
вращательных пары, оси которых последовательно повернуты на 90®
(структура ВВВ). Однако во многих конструкциях манипуляторов
используют структуры типа ВВ, ВП или В, обеспечивающие лишь
частичную ориентацию схвата. Упрощение кинематической струк-
туры кисти манипулятора возможно в робототехнических системах,
характеризующихся определенным расположением осей станков и
предварительной ориентацией заготовок и деталей в транспортно-
накопительных устройствах. Структурные кинематические схемы
кисти руки манипулятора приведены в табл. 10.3.
Ю.З. Структурные киниматегческие схемы кисти руки м&шлуяятора
КимеЯЕгтиче&ше ЫфЫ Структурная кинематическая схема
Одна вращательная {В) в
1 —
А
Две вращательные (вв) А Ч в ГЛ .1
Три вращательные (ВВВ) А В —А Hji в VX А V* С
Вращательная, и (или) поступательная (Bff,ffB,B) "Ч- ST у Л
Выбор кинематической структуры манипулятора дает возмож-
ность разработать конструктивно-компоновочную схему промышлен-
ного робота. Основные компоновочные схемы промышленных роботов
приведены в табл. 10.4.
Промышленные роботы с манипуляторами, выполняющими дви-
жения в прямоугольной системе координат (плоской и простран-
ственной), образуют группы А и Б соответственно. К группам В,
Г и Д относятся роботы с манипуляторами, имеющими перемещения
6*
163
10.4. Конструктивно-компоновочные схемы промышленных роботов
Система
координат
Прямоугольная ;
плоская
пространственная
Криволинейная;
полярная
цилиндрическая
сферическая
Сложная
криволинейная :
цилиндрическая
сферическая
Примечание. L,Lf,H -линейные перемещения руки или корпуса ;<р- угол поворота руки; /- угол ка-
чания руки или. корпуса; [$,)-углы поворота звеньев руки; б.е-углы поворота или кача-,
ния кисти руки со схватом
164
в криволинейной системе координат: плоской полярной, цилиндриче-
ской и сферической. Промышленные роботы с рычажно-шарнирной
конструкцией механической руки, имеющей сложную криволиней-
ную систему движений (цилиндрическую или сферическую), объеди-
нены в группы Е и Ж. Каждую из перечисленных групп промыш-
ленных роботов, в зависимости от конструктивных особенностей их
исполнения, подразделяют на подгруппы, имеющие двузначный
числовой индекс. Конструктивными признаками подгрупп могут
быть стационарное или передвижное исполнение промышленного
робота, тип несущей системы (портальный, напольный и т. п.),
число рук, число степеней подвижности кисти руки, число схватов
и др.
Выбор конструктивно-компоновочной схемы промышленного ро-
бота зависит от его назначения, технической характеристики и
особенностей конструкции обслуживаемого технологического обо-
рудования: станков, транспортно-накопительных устройств.
§ 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОЁОТЫ АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНОГО
ТИПА
Разработка промышленных роботов на базе унифициро-
ванных агрегатных узлов и их функциональных блоков (конструк-
тивных агрегатных модулей) дает возможность сократить сроки
и стоимость проектирования, изготовления и внедрения робототех-
нических комплексов, технические параметры которых соответст-
вуют требованиям конкретного производства. Агрегатный модуль •*—
это функционально и конструктивно независимая сборочная единица,
которую можно использовать индивидуально и в сочетании
с другими модулями с целью создания промышленного робота с тре-
буемой компоновочной схемой, характеристиками и технологиче-
скими возможностями. Модули могут быть механическими, инфор-
/' мационными и управляющими. Механические модули представляют
собой отдельные конструктивные блоки манипулятора вместе с ком-
плектными приводами и коммуникациями (электрическими, гидрав-
лическими), обеспечивающие одну или несколько степеней подвиж-
ности. Информационными модулями являются комплекты измери-
тельных и преобразовательных устройств, а управляющими — блоки
систем управления роботом.
Создание агрегатно-модульных конструкций промышленных ро-
ботов может быть основано на функциональном или конструктивно-
компоновочном принципах.
При первом принципе создания на одной конструктивной базе
разрабатывают типоразмерный ряд (гамму) промышленных роботов
различного технологического назначения, грузоподъемности, с раз-
ным числом степеней подвижности, размерами рабочей зоны и по-
грешностью перемещений. Специализированные исполнения соз-
дают на основе базовой конструкции промышленного робота, обычно
универсального типа.
В качестве примера рассмотрим однотипные промышленные ро-
боты для обслуживания технологического оборудования, которые
165
получены модификацией базовой конструкции робота, показанного
на рис. 10.2. Модификации базовой модели отличаются числом рук
манипулятора, их расположением и грузоподъемностью (рис. 10.9).
Рис. 10.9. Автоматические манипуляторы для промышленных роботов агрегатно-
модульной конструкции
Техническая характеристика и ромы шлейных роботов
агрегатно-модульной конструкцив тииа 3388
Грузоподъемность, кг:
исполнение 1.................................................. 5
исполнение 2.................................................. 3X2
исполнение 3................................................. 5X2
Число степеней подвижности.....................................4 (или 4X2)
Перемещение руки в осевом направлении, мм:
исполнения 1 и 2.............................................. 0—600
исполнение 3............................................. 0—280
Вертикальное перемещение, мм .............................. 50—100
Углы поворота руки, ...° .................................... 0—120
Наибольший угол поворота кисти руки, ...° ................... 130
Наибольшая скорость осевого перемещения руки, м/с..............~ 1
Наибольшая скорость подъема руки, м/с........................ 0,7
Наибольшая скорость поворота руки, ...°...................... 90
Наибольшая сила зажима губок схвата, Н ...................... 300
166
Время зажима губок схвата, с......................................... 0,2
Точность позиционирования, мм...................................... ±0,2
Масса манипулятора, кг:
исполнение 1.................................................... 525
исполнение 2.....................................•............. 567
исполнение 3.........................................• . . . 555
Дополнительно в комплектацию каждого исполнения манипуля-
тора входят сменные схваты, позволяющие расширить область при-
менения данной гаммы промышленных роботов.
Большое разнообразие модификаций промышленных роботов мо-
жет быть получено при агрегатно-модульном их построении по
конструктивно-компоновочному принципу. При разработке агрегат-
ных промышленных роботов с различными компоновочными схемами
необходимо создать следующие типовые конструктивные модули:
несущую систему (неподвижное основание, колонну, портал или кон-
соль); механизмы, обеспечивающие степени подвижности манипуля-
тора (поворота, подъема, выдвижения руки, вращения кисти); смен-
ные захватные устройства; дополнительные механизмы, обеспечива-
ющие промежуточное накопление и ориентирование заготовок, де-
талей, смену схватов н другие вспомогательные функции робото-
технического комплекса.
Пример агрегатно-модульного конструирования промышленных
роботов различного назначения приведен в табл. 10.5. Используя
девять конструктивных модулей, можно создать 12 моделей автома-
тических манипуляторов с разной компоновочной схемой и техни-
ческой характеристикой,, начиная от простого поворотного авто-
оператора (схема Г) и кончая универсальным промышленным робо-
том с шестью степенями подвижности и сложной криволинейной
системой координат (схема /2). Каждая из моделей может быть вы-
полнена как в стационарном, так и передвижном исполнениях
с установкой манипулятора на тележке, которая перемещается по
'рельсовому пути.
Конструкция промышленного робота, собранного из агрегатных
модулей, показана на рис. 10.10, а. Манипулятор робота имеет пять
степеней подвижности и в соответствии со схемой 4, приведенной
в табл. 10.5, состоит из следующих конструктивных модулей:
1 — поворота относительно основания; 2 — вертикального переме-
щения относительно колонны; 3 — горизонтального перемещения
руки; 4 — поворота кисти относительно продольной оси; 5 — схвата
с приводом зажимных губок.
Модуль поворота предназначен для обеспечения вращательного
движения руки манипулятора в горизонтальной плоскости с воз-
можностью останова в крайних и двух заданных промежуточных по-
ложениях. Приводом модуля поворота служат сдвоенные пневмо-
цилиндры, штоки-рейки которых входят в зацепление с шестерней,
выполненной как одно целое с вертикальным валом.
Модуль вертикального перемещения осуществляет подъем и
опускание руки манипулятора относительно колонны.
167
10.5. Пример а’грегатно-модульного конструирования промышленных роботов
Модуль и его обозначение Схема модуля
Неподвижное основание (НО)
1— 1
Тележка подвижная \ТП) 1 1 I
17T/J
Стол поворотный (СП) 1 .1 1
- 1
Неподвижная колонна (НК)
Г 1
баретка Вертикального хода {Кв} ft 1_J Ь
Платформа . качающаяся (ПК)
Рука . . выдвижная \РВ)
Кисть . поворотная (КП1) -- _ "I
Кисть поворотная, с двумя степенями подвижности (К02) -
Захватное устройство одинарное (ЗУ!)
Захватное устройство . двойное (ЗУ2)
Н0-НК-РВ-КП1-ЗУ1
Конструктивно-компоновочно я схема манипулятора
и его структурная формула (состав модулей)
НО-СП-НК-РВ -КП1-ЗУ2
Н0-СП-КВ-РВ-КП1-ЗУ1
НО-СП-КВ-РВ-КП2-ЗУ1
Н0-СП-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
НО-СП-Ш-НК-РВ -КП1-ЗУ1
Н0-СП-ПК-КВ-РВ-КП2-ЗУ1
11
12
НО -СП-НК-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
Н0-СП-КВ-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
Н0-СП-КВ-ПК-РВ-КП2-ЗУ1
Н0-НК-ЛК-РВ-КП1-ЗУ1
1 1
Н0-ПК-РВ-КП1-ЗУ1
1
10
Рис. 10.10. Промышленный робот агрегатно-модульной конструкции
Модуль горизонтального перемещения руки позволяет модулю
кисти с захватным устройством выполнить поворотное движение
относительно продольной оси. Модуль кисти руки обеспечивает
две степени подвижности: поворот захвата вокруг его оси и кача-
ние относительно поперечной оси.
Модуль схвата (рис. 10.10,6) является исполнительным органом
манипулятора. Разжим губок 9 схвата осуществляется пневмоцилин-
дром 1, шток 2 которого шарнирно связан с рычагами 10\ зажим —
пружиной 3, возвращающей поршень 4 назад. Шток 2 поршня по-
воротный; он соединен шпонкой с выходным валом модуля кисти,
обеспечивая возможность вращения схвата относительно оси в под-
шипниках 5 и 6. Контроль разжима схвата осуществляется пневмо-
выключателем 7, который срабатывает при нажатии на него упора 8,
шарнирно связанного с рычагами 10.
РАЗДЕЛ 2
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ
ГЛАВА 11
ПРОЦЕСС КОНСТРУИРОВАНИЯ
И ЕГО АВТОМАТИЗАЦИЯ
§ 1. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНКОВ
Проектированию станка предшествует предварительная,
так называемая предпроектная проработка, которая завершается
составлением технического задания на проектирование отдельного
станка или комплекта станочного оборудования.' Техническое зада-
ние содержит сведения о назначении станка, т. е. о том множестве
деталей, которое должно быть обработано на станке с требуемой
точностью по размерам, форме и взаимному расположению поверх-
ностей.
В техническом задании необходимо обосновать целесообраз-
ность проектирования нового станочного оборудования на основе
анализа и сопоставления его с уже существующими станками для
решения той же или аналогичных производственных задач. Техни-
ческое задание должно содержать также изучение патентных источ-
ников и тщательное экономическое обоснование предполагаемой
эффективности вновь создаваемого оборудования по критерию при-
веденных затрат и производительности. В техническом задании рег-
ламентируют значения основных технико-экономических показа-
телей, которым должен обладать проектируемый станок или весь
комплект станочного оборудования.
Техническое предложение (рис. 11.1) является первым этапом
проектирования станочного оборудования. На базе исходных дан-
ных предпроектной проработки в техническом предложении обос-
новывают н уточняют технические характеристики: диапазоны
скоростей главного привода, привода подач и вспомогательных
перемещений. Выбирают двигатели для всех кинематических цепей
и обосновывают рациональную мощность приводных двигателей.
Дополнительно прорабатывают патентные источники и уточняют
ожидаемую экономическую эффективность создаваемого станочного
оборудования. На этапе технического предложения синтезируются
варианты принципиальных схем станка и возможные компоновки
как самого станка, так и всего комплекта станочного оборудования.
Проводят оптимизацию компоновочных решений.
Эскизный проект является развитием технического предложения
и содержит предварительную конструктивную разработку всех
основных узлов. Принятие решений обосновывают расчетами, опти-
мизацией важнейших параметров с учетом технологичности кон-
струкции и достижимой степени унификации.
171
Технический проект включает окончательную конструктивную
проработку всех схем станка, его общие виды и все узловые чертежи
с указанием технических условий на изготовление и сборку. На этом
этапе осуществляют все виды уточненных расчетов и окончательно
определяют эффективность станка или набора станочного обору-
дования.
Разработка рабочей документации является завершающим эта-
пом проектирования. На основе технического проекта оформляют
Рис. 11.1. Этапы проектирования станка
рабочие чертежи на все оригинальные детали станка с простановкой
размеров и техническими условиями на изготовление. Составляют
перечень комплектующих изделий (покупных) деталей и специфи-
кацию оригинальных деталей.
Разделение процесса проектирования на последовательные этапы
является в известной мере условным, поскольку по ходу проекти-
рования целесообразно пересматривать и уточнять ранее принятые
решения. Например, при конструировании одного из важнейших
узлов станка может выясниться необходимость изменения общей
компоновки станка или внесения изменений в его кинематическую
схему. Появление новых, прогрессивных комплектующих изделий
(шпиндельных опор, направляющих устройств управления, средств
контроля и измерения) также влияет на окончательное оформление
конструкции отдельных узлов, а иногда и всего станка.
Существенное влияние на процесс проектирования станочного
оборудования оказывают средства вычислительной техники. Осо-
бенно эффективно использование ЭВМ для сбора и обработку исход-
172
Задание
ЭВМ
Г-
станка
характеристики
I
Проверка
функционального
назначения
Выбор метода
обработка
Обрабатывае-
мые детали
и их служебное
назначение
lisa
Моделирование
S $5
J Принцип Вейст -
ЗЗлоия и компоновки
Эскизное проектирование
важнейших узлов
Конструирование узлов
Математическое
обеспечение
Анализ
U выбор метовов
обработка
Анализ
и выбор принципа
и компоновка
станка .
Расчет узлов
и деталей
машин
Банк ' '
стандартных
и повторяющихся
деталей
Моделирование
Нет
Да
Чертежа
узлов
Чертежи,
деталей
Проверка
характеристик
станка
Специфи-
кация
Системная
техника
Погикд л
конструирования
Постпроцессор
Технологическая документация
Рис. 11.2. Схема взаимодействия конструктора и ЭВМ:
---------поток информации;-------— связь с конструктором; —•— -• автоматическое
конструирование; = =• связь с ЭВМ
173
ной информации, выполнения сложных, трудоемких расчетов и для
окончательного оформления чертежей и другой рабочей докумен-
тации. Примерная схема взаимодействия конструктора и средств
Рис. 11.3. Варианты компоновок многосперационных станков из унифицирован-
ных модулей
вычислительной техники приведена на рис. 11.2. Применение агре-
гатно-модульного принципа, когда различные по назначению и
конструкторскому оформлению станки компонуются из общего на-
бора узлов (модулей), дает возможность формализовать весь процесс
Рис. 11.4. Схема компоновки станка,
полученная на ЭВМ
.174
проектирования и в значитель-
ной мере его автоматизировать
(рнс. 11.3 и 11.4).
§ 2. ПРОЕКТНЫЕ
КРИТЕРИИ
При проектировании
любого комплекта станочного обо-
рудования основной целью яв-
ляется обработка заданного мно-
жества деталей с минимальными
затратами на основе принятой
технологии. Множество деталей,
подлежащих обработке, характе-
ризуется общим годовым их вы-
пуском N, номенклатурой И,
ритмичностью выпуска, т. е. числом Р переналадок в течение года
(см. гл. 2).
Обеспечение годового выпуска известного множества деталей
при минимальных затратах следует рассматривать как целевую
функцию при проектировании комплекта станочного оборудования:
А — c->max, (H.l)
где N — годовой выпуск деталей, шт.; 2 с — сумма приведенных
затрат, руб.
Эта целевая функция характеризует эффективность оборудова-
ния. Годовой выпуск деталей можно заменить выражением
N = Т0^Т, (11.2)
где То — годовой фонд времени; i] — коэффициент использования
фонда времени; Т — среднее время цикла обработки одной детали.
При этом целевая функция принимает вид
<113>
При известном То и заданном Т
J] min ]' (11.4)
f]->l J
При конструировании новых станков, которые будут входить
в состав различных комплектов станочного оборудования, следует
стремиться к повышению их производительности, так как при этом
.можно сократить число станков в наборе и, соответственно, умень-
шить стоимость комплекта оборудования. С уменьшением числа
станков повышается и надежность всей системы. В этом случае
целевую функцию следует принимать как
Г ( £ с)-> min. (11.5)
С повышением степени автоматизации станочного оборудования
сокращаются текущие затраты на обслуживание, и в сумме при-
веденных затрат наибольшая доля приходится на стоимость самих
станков. В современных автоматических линиях и гибких производ-
ственных системах стоимость оборудования, отнесенная к одному
году эксплуатации, составляет 60—80 % всех приведенных затрат,
а иногда и более. Поэтому при сопоставлении проектных вариантов
станочного оборудования следует прежде всего обращать внимание
на их сравнительную стоимость. Например, при выборе целесооб-
разного набора оборудования для гибкой производственной системы
следует иметь в виду зависимость суммы приведенных затрат от
вида станочного оборудования и номенклатуры деталей (рис. 11.5.)
Помимо целевой функции, при проектировании комплекта ста-
ночного оборудования или при конструировании новых станков
необходимо выполнять проектные ограничения.
Проектные ограничения могут быть связаны с функциональными
требованиями, с характером производства, на котором будут изго-
175
Рис. 11.5. Выбор рациональной гибкости ста-
ночного оборудования:
1 — агрегатный станок; 2 — переналаживаемый агре-
гатный станок; 3 — многооперационный станон; 4 —
станок с ЧПУ; 5 — станок с ручным управлением
товлять станки, и с условиями эксплуа-
тации на том производстве, где станки
будут работать. К важнейшим функцио-
нальным проектным ограничениям относят
требования к точности обработанных на
станке готовых изделий. Имеются в виду
требования к точности размеров, правиль-
ности формы отдельных поверхностей и
их шероховатости, к точности взаимного
расположения обработанных поверхностей. Требования к точности
обработки обусловливают соответствующие проектные ограниче-
ния на допустимые геометрические, кинематические, упругие, дина-
мические, температурные погрешности всей системы станка и его
отдельных частей.
Особенности того станкостроительного производства, на котором
будут изготовлять станочное оборудование, накладывают проектные
ограничения на технологичность изготовления и сборки. Возмож-
ности производства ограничивают допустимый и целесообразный
набор технологических операций, обработки, режущего и измери-
тельного инструмента, оснастки, технологии сборки.
На технологичность изготовления станка большое влияние ока-
зывает унификация, которая связана с насыщением конструкции
стандартными и унифицированными деталями и сборочными еди-
ницами. Стандартные детали или узлы станка должны соответствовать
государственным, республиканским или отраслевым стандартам.
К унифицированным частям станка относят изготавливаемые по
стандартам данного предприятия и используемые в нескольких раз-
ных моделях, а также различные комплектующие изделия (за исклю-
чением крепежных и арматуры). Важные проектные ограничения '
могут быть связаны с условиями эксплуатации станочного оборудо-
вания. Проектные ограничения на гарантированный срок сохране-
ния точности и на требуемую долговечность учитывают при конструи-
ровании станка и отдельных его узлов. К условиям эксплуатации
относят требование учета взаимодействия станка с транспортом, ма-
нипуляторами и некоторыми другими вспомогательными устрой-
ствами. Ограничения накладывают иногда требования транспорти-
рования, характер производственной площади.
Важными являются ограничения, связанные с эргономикой. ’
Например, со всей тщательностью должны быть решены вопросы»-
удаления абразивной пыли, мелкой стружки, смазочно-охлажда-
ющей жидкости и ее регенерации. Для станков с ручным управле-
нием и обслуживанием особого внимания заслуживает внешнее
оформление станка, удобство и безопасность его обслуживания.
К проектным ограничениям относят патентно-правовые вопросы,
176
которые требуют подробного обзора на начальных этапах проекти-
рования и полной патентной чистоты вновь создаваемой кон-
струкции.
§ 3. ПРЕДПОСЫЛКИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Процесс проектирования можно рассматривать как сово-
купность процедур переработки информации, в результате чего
возникает конечный продукт этого процесса в виде проекта техни-
ческого объекта, например, металлорежущего станка, промышлен-
ного робота, автоматической линии и т. п. Таким образом, проект —
это информационный аналог реального технического объекта.
Технический объект представляет собой систему, состоящую из
элементов и характеризующуюся собственными структурой и пара-
метрами. Например, такая ситема, как станок, состоит из элементов
(узлов), которые, в свою очередь, можно.рассматривать как системы,
элементами которых являются детали и т. д.
Структура системы — это совокупность элементов, из которых
она состоит, и их связи между собой. Два шпинделя токарного
станка, один — на опорах качения, другой — на гидростатических
подшипниках — системы различной структуры. Также различную
структуру будут иметь шпиндели, если применить подшипники ка-
чения, но смонтировать их по различным схемам. В первом случае
различия порождаются различием природы элементов (гидростати-
ческие опоры и опоры качения), во втором — различием связей
> между элементами. В машиностроении результатом синтеза струк-
туры обычно является эскизный проект системы.
Параметры системы — это некоторые характеристические, ве-
личины, определенные значения которых выделяют данный объект
из совокупности ему подобных. Так, диаметр шпинделя, расстояние
между его опорами, конус на переднем конце и т. п. — параметры
системы «шпиндельный узел».
Техническое решение всегда реализуется для достижения опре-
деленных целей. На пути к этим целям, как правило, имеются огра-
ничения. Обычно цели и ограничения формулируются достаточно
строго. Например: создать гидроцилиндр, развивающий усилие
в 5000 Н и имеющий наружный диаметр не более 200 мм. Решение,
которое обеспечивает достижение цели и удовлетворяет ограниче-
ниям, является допустимым. Нахождение хотя бы одного допусти-
мого решения и есть основная задача конструктора.
Если ограничения не слишком жесткие, то можно обычно найти
несколько допустимых решений и из них выбрать оптимальное.
Различные допустимые варианты технического решения создают
за счет варьирования структуры и параметров объекта. Выбор опти-
мального варианта возможен в том случае, если есть количественная
мера оценки вариантов. Такой мерой могут служить проектные
критерии —.характеристики качества работы объекта. Выраженные
количественно через значения параметров технического объекта,
их называют целевыми функциями; они служат основой для выбора
177
оптимального варианта. Например, применительно к шпиндельному
узлу, величина жесткости на переднем конце шпинделя, представ-
ленная в виде зависимости от параметров узла, может выступать
в качестве целевой функции. Автоматизация процесса проектирова-
ния технического объекта предполагает определение структуры
и параметров элементов и всего объекта в целом в условиях система-
тического применения ЭВМ, что позволяет получить вариант проекта,
близкий к оптимальному
Возвращаясь к упомянутым выше процедурам, переработки ин-
формации в процессе проектирования, отметим, что их можно раз-
делить на две группы — формальные и неформальные процедуры.
К первым (они могут быть полностью переданы ЭВМ) условимся
относить такие, при которых переработка информации поддается
алгоритмизации, т. е. производится по правилам, задающим
строго определенную последовательность операций, приводящих
к искомому результату. Ко вторым — все остальные проце-
дуры.
Рассматривая любой проект и процесс его создания, легко ви-
деть, что формальные процедуры занимают большую часть общей
его трудоемкости. Например, при проектировании металлорежущего
станка, согласно действующим нормам Минетанкопрома на выпол-
нение конструкторских работ, трудоемкость формальных процедур
(сбор информации, различные расчеты, разработка рабочей кон-
структорской документации) составляет около 60 % общей трудоем-
кости проекта.
Следует отметить, что, несмотря на существенную долю в общем
объеме работ, эти процедуры не определяют основные качественные
характеристики технического объекта, т. е. его проектные критерии,
хотя и улучшают проект, главный образом, за счет существенного
уменьшения ошибок. Большой объем формальных процедур при
проектировании является первой объективной предпосылкой авто-
матизации процесса проектирования, хотя в силу неопределяющего,
в смысле качества объекта, характера этих процедур указанная
предпосылка сама по себе недостаточна для того, чтобы ожидать
существенного эффекта от автоматизации проектирования. Действи-
тельно, резкое повышение качества проекта (кратное сокращение
сроков проектирования, получение изделия, превосходящего уро-
вень лучших имеющихся образцов, существенное сокращение сроков
отладки опытной партии и т. п.) с помощью автоматизации только
формальных процедур принципиально недостижимо. Подобные ре-
зультаты могут быть получены лишь при построении автоматизиро-
ванной системы проектирования, включающей как формальные,
так и неформальные процедуры. Автоматизация последних при этом
подразумевает диалог проектировщика и ЭВМ, в результате которого
находится оптимальное техническое решение. Возможность нахож-
дения такого решения является второй, очень важной предпосылкой
автоматизации процесса проектирования, так как только примене-
ние ЭВМ позволяет сравнить различные варианты решения на
основе количественной оценки их качества.
178
Проектирование таких сложных технических систем, как станки,
всегда ведется в условиях, когда и объект проектирования, и сам
процесс проектирования расчленяются на иерархические уровни.
Такими уровнями применительно к объекту являются агрегаты,
узлы, детали и т. п. Уровнями процесса проектирования являются
его стадии: техническое задание, техническое предложение, эскиз-
ный проект, рабочий проект. Указанные условия определяют та-
кую специфику проектирования, когда на каждом уровне ведется
работа по синтезу системы, элементы которой полностью не опре-
делены. Например, компоновка станка должна быть выбрана до
того, как конструктивно разработаны его узлы.
Аналогичное положение имеет место на всех уровнях проекти-
рования. Это приводит к тому, что при подробной разработке эле-
ментов, как правило, возникает возможность улучшения системы.
Однако эта возможность чаще всего не используется из-за большого
объема изменений проекта. Автоматизация проектирования позво-
ляет вносить изменения в проект практически на любой стадии и без
ограничения их объема. Это обстоятельство является третьей объек-
тивной предпосылкой автоматизации процесса проектирования.
Наконец, в качестве четвертой предпосылки можно отметить тот
факт, что хранение, переработка и использование огромного коли-
чества справочной информации, которая при проектировании не-
обходима конструктору, наилучшим образом могут быть органи-
зованы с помощью ЭВМ.
§ 4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Развитие автоматизированного проектирования проис-
ходит под влиянием, с одной стороны, бурного процесса совершен-
ствования вычислительной техники, с другой стороны, лучшего
понимания самого процесса проектирования и места в нем ЭВМ.
Сегодня общепринятой является точка зрения, когда термин «авто-
матизированное проектирование» можно применять только к си-
стемам автоматизированного проектирования, которые характери-
зуются совокупностью следующих основных принципов их по-
строения.
1. Постоянное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проек-
тирования, осуществляемое с помощью диалоговых средств. Речь
идет о разделении функций между человеком и ЭВМ, когда человек
решает не формализуемые задачи, а также задачи, которые он решает
более эффективно, чем ЭВМ.
2. Реализация комплексного подхода к автоматизации всех
уровней проектирования. Если этот принцип не выдерживается, то
эффективность автоматизации проектирования резко снижается или
может отсутствовать вообще. Неавтоматизированное проектирование
плохо сочетается с автоматическим, сводя на нет преимущества
последнего. Этот принцип требует также разрушения традиционно
существующей границы между проектированием конструкции и
разработкой технологии изготовления технического объекта. Си-
179
стема автоматизированного проектирования конструкции и техноло-
гического процесса ее изготовления должна быть единой.
3. Возможность совершенствования системы автоматизированного
проектирования. Это необходимо обеспечить, так как ввод системы
в эксплуатацию должен осуществляться по частям из-за большой
ее стоимости и длительных сроков проектирования. Потому введение
в действие последующих частей не должно приводить к проектиро-
ванию заново введенных ранее. Совершенствование системы связано
также с развитием вычислительной техники, математического обеспе-
чения и проектируемых объектов.
4. Должна быть обеспечена информационная согласованность
всех частей автоматизированной системы. Это означает отсутствие
необходимости вмешательства человека в переработку информацион-
ных массивов при переходе от решения одной задачи или группы
задач к другой.
Еще раз отметим, что только совокупность всех перечисленных
принципов определяет автоматизированную систему проектирования.
Система автоматизированного проектирования строится на базе
технических средств с соответствующим информационным и про-
граммным обеспечением. Технические средства системы включают
одну или несколько вычислительных машин, образующих централь-
ный вычислительный комплекс, и связанные с комплексом автома-
тизированные рабочие места, представляющие собой комплект пери-
ферийных устройств, обеспечивающих связь человека и ЭВМ. К их
числу в первую очередь следует отнести алфавитно-цифровые и гра-
фические дисплеи. С их помощью осуществляется диалоговый ре-
жим работы системы автоматизированного проектирования. Фикса-
ция выработанных решений в виде документации требуемой формы
осуществляется с помощью чертежных автоматов и алфавитно-циф-
ровых печатающих устройств.
В состав автоматизированного рабочего места входит также
мини-ЭВМ, управляющая работой дисплеев и используемая для
решения относительно простых задач. Взаимодействие автоматизиро-
ванных рабочих мест с центральным вычислительным комплексом
осуществляется з режиме разделения времени, так что один ком-
плекс может включать 1Q:—15 рабочих мест и более.
Таким образом, система автоматизированного проектирования
является системой коллективного пользования.
Автоматизированные рабочие места обычно специализируются
в соответствии с профилем решаемых задач. Например, рабочее
место инженера-конструктора должно иметь более мощные средства
графической обработки информации. Совокупность таких средств
называют машинной графикой. Их применение облегчает создание
конструкторской документации, уменьшает количество ошибок^
Современные системы машинной графики позволяют синтезировать
на экране дисплея чертежи сборочных единиц и деталей, вносить
в них изменения, получать необходимые разрезы, сечения, изотер-
мические изображения, выполнять операции дублирования части
чертежа, симметричного отражения, изменения масштаба и т. п,
180
При этом синтез чертежа может вестись как универсальным способом,
используя приемы геометрического черчения, так и сочетанием типо-
вых чертежных фрагментов.
При необходимости документирования созданного чертежа мо-
жет быть получена его копия с экрана дисплея либо осуществлено
репродуцирование с помощью чертежного автомата. Сегодняшний
уровень развития машинной графики позволяет конструктору рабо-
тать, используя только средства вычислительной техники, сдав
в архив традиционные чертежные приборы.
Информационное обеспечение автоматизированной системы про-
ектирования включает разнообразные сведения справочного харак-
тера, а также результаты проектирования, которые могут быть
использованы либо на последующих этапах, либо в другйх проек-
тах, К числу справочных данных относятся информационные мас-
сивы, содержащие значения параметров стандартизованных и уни-
фицированных изделий (крепежные детали, профили проката, под-
шипники и т. п.), сведения из ГОСТов и других стандартов, закодиро-
ванные чертежи типовых изделий и т. п.
Совокупность всех информационных массивов системы называют
базой данных. База данных совместно с программным обеспечением,
реализующим управление ею, образует банк данных. Управление
обеспечивает включение, хранение и выдачу информации по прика-
зам пользователей или в соответствии с командами прикладных
программ.
Программное обеспечение систем автоматизированного проекти-
рования состоит из операционной системы и прикладных программ.
Операционная система предназначена для организации процесса
ввода-вывода и управления данными, подготовки и отладки программ
и других вспомогательных операций и, с точки зрения пользователя,
является продолжением аппаратных средств.
Прикладные программы являются частью специального про-
граммного обеспечения наряду с инструкциями по их использованию
и языками общения человека с ЭВМ и отражают специфику решае-
мых задач. Характеристики и возможности прикладных программ
определяют качество системы автоматизированного проектирова-
ния, а их разработка — самый трудоемкий этап создания такой
системы.
§ 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ
Как уже отмечалось, важнейшей предпосылкой автома-
тизации процесса проектирования является возможность нахожде-
ния оптимального варианта технической системы. При этом струк-
тура такой системы синтезируется с помощью эвристических методов,
так как в машиностроении в настоящее время автоматизация этих
методов разработана крайне слабо. Эвристические подходы, есте-
ственно, не исключают применение вычислительной техники, так
как при взаимодействии человека с ЭВМ процесс синтеза структуры
идет наиболее эффективно.
181
Техническая система одной структуры может иметь несколько
допустимых решений за счет различных значений ее параметров.
В этом случае возможен такой набор значений параметров, который
обеспечивает оптимальное решение. Процесс поиска решения назы-
вают параметрической оптимизацией. В дальнейшем при рассмо-
трении различных аспектов процесса оптимизации всегда имеется
в виду параметрическая оптимизация, а структура системы считается
заданной. Используя параметрическую оптимизацию, можно про-
водить оценку различных структур системы, сравнивая между собой
их оптимальные варианты. Синтез вариантов системы осуществляется
с помощью математической модели, представляющей собой совокуп-
ность формул, позволяющих определить все интересующие нас про-
ектные характеристики технической системы. В общем случае эта
модель выглядит следующим образом.
Имеется вектор X = (х1, х2, хп) независимых внутренних
параметров, значения которых однозначно определяют все харак-
теристики изделия, в том числе значения целевой функции F и функ-
ций ограничений Rlt R2, .... Rm. Таким образом, целевая функция
и функции ограничений зависят от внутренних параметров. Эта
зависимость в общем случае нелинейна. Независимые параметры —
это сбычно размеры изделия или характеристики его элементов. Так,
для шпиндельного узла независимыми параметрами могут быть
диаметры опорной шейки, межопорной части, длина консоли, же-
сткость подшипника и т. д.
В процессе оптимизации часть независимых внутренних пара-
метров подвергается изменениям в определенных пределах. Такие
параметры называют управляемыми, а пределы их изменений —
параметрическими ограничениями. Формальная постановка задачи
параметрической оптимизации сводится к нахождению таких зна-
чений независимых параметров, при которых целевая функция
F = F (X) достигает своего минимума при
х>>0, / = 1, 2, .... п (11.6)
и
Ri(X)^0, i= 1,2, ...; т; т^п. (11.7)
К такой постановке может быть приведена любая реальная за-
дача. Действительно, если по смыслу задачи требуется максимизация '
целевой функции, то, умножая ее на минус единицу, получаем тре-
буемую форму.
Геометрическая интерпретация постановки задачи оптимизации
для случая двух независимых переменных показана на рис. 11.6,
где нанесены линии постоянного уровня целевой функции F (xv xj)
и функций ограничений Rt (х1э х2), i = 1, 2, 3.
В каждой точке одной такой линии целевая функция (функция
ограничений) имеет одно и то же постоянное значение. Уравнением ;
линии постоянного уровня является выражение
F (%], Х2) — а 1или Ri (х1> ~ ai Ь
182
где а = const. Задавая различные значения постоянной а, получим
семейство линий постоянного уровня.
Условия (11.6) и (11.7) выделяют область D — область допу-
стимых решений. Минимум целевой функции в данном случае на-
ходится на границе области D в точке X' = (х), xl). Такой минимум
называется условным, а задача его нахождения — условной оптими-
зацией, в отличие от безусловной оптимизации, когда ищется ми-
нимум целевой функции в отсутствии функций ограничений. В тех-
нических задачах ограничения имеются практически всегда.
Критерии оптимальности. Перейдем теперь к рассмотрению клю-
чевого вопроса решения задач оптимизации — выбору целевой
функции. Напомним,что це-
левая функция позволяет
получить количественную
оценку качества проектируе-
мого изделия. Такой оцен-
кой, в рамках принятой нами
модели, может быть вектор
выходных характеристик
Y = f/2> , ys),
который, как отмечалось,
однозначно определяется зна-
чениями независимых пара-
метров Xj.
Отдельные выходные ха-
рактеристики (условимся на-
зывать их частными кри-
териями) yh, k = 1, 2, ...,
Рис. 11.6. Геометрическая интерпретация
задачи оптимизации
s — это, по существу, тех-
нико-экономические показатели изделия. Например, применительно
к станку это могут быть его производительность, точность, материа-
лоемкость и т. п. Обычно предельно допустимые значения выходных
характеристик содержатся в техническом задании на проектирова-
ние. Обозначим эти значения через у\ 3. Тогда выражение
Ук - У\ 3 < °
(11.8)
можно назвать условием работоспособности.
Приведенная форма этого условия может быть реализована для
любых характеристик, так как когда по смыслу задачи требуется
обратное неравенство, оно может быть заменено неравенством вида
(11.8), если вместо yk и у}'3 взять их обратные величины.
Степень выполнения требований технического задания может
быть оценена выражением
(П.9)
У k
Критерии не противоречат принятому условию минимизации
целевой функции, а их безразмерная форма позволяет сравнивать
183
между собой характеристики разной физической природы. Основные
трудности в использовании критериев ук или &yh для оценки проекта
состоят в том, что эти критерии не являются независимыми, так как
все они — функции внутренних параметров.
Среди этих критериев всегда находятся такие, улучшение кото-
рых приводит к ухудшению других. Такие критерии называются
конфликтными. Наличие конфликтных критериев не позволяет
ставить целью одновременное улучшение всех выходных характе-
ристик изделия, требуется поиск компромиссного решения. Отметим,
что такое решение в принципе не может быть формализовано, а сле-
довательно, и автоматизировано, так как цель — прерогатива че-
ловека и его деятельности.
Задачи, в которых качество изделия требуется оценивать и улуч-
шать по нескольким характеристикам одновременно, называют за-
дачами многокритериальной оптимизации. К этой категории отно-
сятся практически все задачи, с которыми сталкивается конструк-
тор-станкостроитель. Рассмотрим некоторые подходы к формирова-
нию целевой функции ,в многокритериальных задачах. Самым про-
стым подходом является такой, когда из набора частных критериев
выбирают главный, который принимают в качестве целевой функ-
ции. В этом случае оптимальное решение имеет большой запас по
выбранному критерию и полное отсутствие запасов по остальным.
В станкостроении использование частного критерия как целевой
функции можно рекомендовать только при проектировании уни-
кального оборудования, когда получение требуемого качества (на-
пример, сверхточный станок и т. п.) окупает почти любые издержки.
Наиболее распространенным подходом в многокритериальных
задачах является формирование аддитивного критерия. Целевая
функция в этом случае имеет вид
F(X) ck\yh(X), (11.10)
k=\
где ch'— так называемые весовые коэффициенты, определяющие
степень влияния каждого частного критерия на целевую функцию.
Их численные значения находят с помощью экспертных оценок.
Обычно полагают
E₽t=i. (н.н)
Основной недостаток аддитивного критерия — отсутствие объек-
тивной достоверности значений весовых коэффициентов. Если при
проектировании технического объекта имеется возможность полно
и достоверно оценить произведенные затраты, то их также можно
использовать в качестве целевой функции. Более того, можно утвер-
ждать, что минимизация затрат — наилучший подход при проек-
тирований, так как это единственный способ получения «объектив-
ной» оценки такого субъективного понятия как цель. Здесь необхо-
димо подробно пояснить, что имеется в виду под полным учетом за-
184
трат. Лучше всего это делать на конкретном примере. Допустим,
мы проектируем станок, который должен быть встроен в автомати-
ческую линию, предназначенную для изготовления деталей авто-
мобильного двигателя. При сравнении различных вариантов проекта
для полного учета затрат необходимо, кроме всего прочего, учесть
приведенные эксплуатационные расходы в автоматической линии
(они существенно зависят от надежности и ремонтопригодности кон-
струкции), расходы на изготовление двигателя и в период эксплуа-
тации автомобиля (на них влияет уровень качества изготовленных
деталей). Как видим, полный учет затрат — дело довольно сложное
и в настоящее время мало разработанное. Это обстоятельство яв-
ляется основным сдерживающим фактором в применении стоимост-
ного критерия в оптимизационных-задачах.
В технических решениях в ряде случаев находят применение
минимаксные критерии. Суть этого подхода состоит в следующем.
Пусть в некоторой точке Xt пространства независимых параметров
определены значения частных критериев \уг (X), (X). ...,
Az/S (X). Выберем из этих критериев наибольший (т. е. наихудший)
и примем его в качестве целевой функции
F (X) max Ьук(Х). (И-12)
Так как целевую функцию надо минимизировать, то имеем сле-
дующую запись задачи:
min F(X) = min max &yk(X), (11.13)
x£D XgD fe£[l:s]
где [1 : sj —множество целых чисел в интервале от 1 до s; D —
область допустимых решений.
При минимизации критерия (11.12) необходимо следить, чтобы
остальные s — 1 критериев не выходили за пределы допустимых зна-
чений. Исчерпав возможности минимизации критерия, выбранного
в ряду всех критериев, вновь определяют наибольший, и вся про-
цедура повторяется сначала. Так поступают до тех пор, пока не
исчерпывается возможность улучшения каждого из $ критериев.
Заканчивая на этом рассмотрение вопроса о выборе целевой
функции, еще раз подчеркнем, что качество оптимального решения
целиком зависит от того, какой критерий выбран для оценки.
Минимальное значение целевой функции может быть найдено
непосредственно, если она выражена аналитически. В этом случае
минимум целевой функции вычисляют, используя необходимые усло-
вия экстремума — равенство нулю градиента целевой функции или,
что то же, равенство нулю всех частных производных целевой функ-
ции по независимым переменным:
^FW=(£, £......................£)=о. (11.14)
Обычно в технических задачах аналитические выражения для
целевой функции и функций ограничений отсутствуют. Поэтому
185
Рис. 11.7. Алгоритм поисковой оптимизации
минимум целевой функции определяют,
используя поисковую оптимизацию. Суть
этого процесса состоит в том, что опреде-
ляют последовательный ряд точек, обра-
зующих траекторию в пространстве не-
зависимых параметров, двигаясь вдоль
которой можно достичь минимума целе-
вой функции. При этом в каждой точке
вычисляют значение целевой функции и
проверяют условия прекращения поиска.
Таким условием может быть, например,
незначительное, по сравнению с предыду-
щим шагом, уменьшение целевой функции.
Алгоритм поисковой оптимизации при-
веден на рис. 11.7.
Рассмотрим некоторые методы поиска минимума целевой функ-
ции. Большинство методов разработано для случаев безусловной
оптимизации, но их можно применять в задачах с ограничениями,
так как существуют приемы сведения задач условной оптимизации
к задачам безусловной оптимизации. Существо метода и его назва-
ние определяются способом выбора направления поиска в простран-
стве независимых параметров.
Самым простым методом поиска является метод полного перебора.
При этом всю область D разбивают на элементарные подобласти,
в каждой из которых вычисляют целевую функцию. Сравнивая по-
лученные значения между собой, находят минимум целевой функ-
ции. Метод может быть рекомендован для задач с небольшим количе-
ством независимых параметров (три-четыре) и ограниченными диапа-
зонами их изменений. В ином случае затраты машинного времени
становятся чрезмерными.
Метод координатного спуска предполагает направление поиска
на очередном шаге, совпадающем с направлением одной из коорди-
натных осей. Другими словами, имеет место последовательная опти-
мизация по каждому независимому параметру. Например, вначале
осуществляется движение в направлении оси Х1 до тех пор, пока
целевая функция уменьшается. Когда такое уменьшение прекра-
щается, начинают движение в направлении оси Х2 и т. д. После
окончания полного цикла спусков по направлениям всех независи-
мых параметров вновь возвращаются к направлению и реализуют
новый цикл. Так продолжают до тех пор, пока не находят минимум
целевой функции. Траектория, соответствующая описанному алго-
ритму, показана на рис. 11.8 для случая двух независимых пере-
менных.
В следующих двух методах — методе градиента и методе наиско-
рейшего спуска — при выборе направления поиска используют
информацию о градиенте целевой функции. Так как направление
градиента определяет направление наиболее быстрого возрастания
186
целевой функции, то целесообразно поиск ее минимума вести в анти-
градиентном направлении. При этом метод градиента предусматри-
вает определение этого направления в каждой точке траектории
поиска, а при методе наискорейшего спуска движение в антигра-
диентном направлении осуществляется до тех пор, пока происходит
уменьшение целевой функции. На рис. 11.9 изображены траекто-
рия 1 поиска, по методу градиента и траектория 2 наискорейшего
спуска. Сравнивая траектории 1 и 2, можно заключить, что метод
наискорейшего спуска требует большего числа шагов, но при этом
методе реже вычисляется градиент целевой функции.
Рис. 11.8. Метод координатного спуска
I) Xf
Рис. 11.9. Метод градиента (7) и ме-
тод наискорейшего спуска (2)
Аппроксимация частных производных, необходимых для вычис-
ления градиента целевой функции F (X}, может быть произведена
следующим образом:
3F (X) _ F (Хр х2< .... Xj + hj, .... хв) F (xt, k%, ..... хв) z,, , сч
dxi hi \ (Н. К>)
где h} — проекция шага поиска на направление xf.
Сведение задач условной оптимизации к безусловной может быть
выполнено, в частности, с помощью метода штрафных функций^
Суть метода заключается в замене целевой функции F (X) исходной
задачи на обобщенный критерий, значения которого совпадают
с F (X) внутри области допустимых решений и резко возрастают
вне ее. В качестве штрафной функции можно принять, например,
такую:
т
<?(*) = £[
+ (-У)П2
(И.16)
2
Тогда обобщенный критерий можно представить в виде
Т(Х, t) = F(X) + tQ(X),
где t — коэффициент штрафа.
187
Минимум функции Т (X, t) стремится к минимуму функции
F (X) при t -> оо. Для всех X £ D в силу (11.7) и (11.16) Q (X) = О,
и можно обойтись без штрафных функций, если заранее известно,
что минимум лежит внутри области D. Обычно такая априорная
информация отсутствует.
Метод случайного поиска реализует выбор направления поиска
на каждом шаге случайным образом, например, используя таблицы
случайных чисел. Так, из некоторой точки Xh переходят в точку Хк+Ъ
и если при этом оказывается F (Хм) < F (Хк), то попытка счи-
тается удачной и поиск продолжают из точки Xft+1. Если F (Xk+1)
F (Xk), то попытка считается неудачной, и из точки находят но-
вое случайное направление. Поиск прекращают после L неудачных
Рис. 11.10. Шпиндельный узел внутришлифовального стайка
попыток. Число попыток L задают заранее, его значение определяют
из опыта решения подобных задач. Этому методу присущ тот недо-
статок, что точки, в которых вычисляются значения F (X), могут
распределиться неравномерно в пространстве независимых пара-
метров, из-за чего определенные области этого пространства ока-
жутся вне анализа.
Этот недостаток отсутствует в методе ЛП-поиска. Математический
аппарат метода обеспечивает формирование векторов Xlt Х2, ...,
Хм в N точках, равномерно расположенных в пространстве неза-
висимых параметров. Другим важным достоинством этого метода
является выработанная удобная форма анализа комплекса частных
критериев в виде так называемой таблицы испытаний. Под испыта-
нием здесь понимаем определение значений параметров и критериев
в одной из N точек. Таким образом, общее число испытаний равно N,
и для каждого из них вычисляют значения всех частных критериев.
Каждому критерию в таблице испытаний отведена одна строка,
в которой значения этого критерия располагают в порядке возра-
стания с указанием номера испытаний. Сумма таких строк по всем
частным критериям позволяет анализировать комплекс этих крите-
риев при отсутствии целевой функции в явном виде, рассмотрев
возможные компромиссы.
Проиллюстрируем сказанное выше конкретным примером. Объек-
том оптимизационной задачи является шпиндельный узел внутри-
шлифовального станка (рис. 11.10). В каждой опоре шпинделя
имеются по два радиально-упорных шарикоподшипника, смонтиро-
188
11.1. Таблица результатов испытаний
32 1 8 1,07 4 1,07 24 1,07 10 1,19 20 1,21 0 1,23 12 1,25 ...
32 1 4 1,05 8 1,1 22 1,28 24 1,30 10 1,33 25 1,41 ... 12 1,9 ... . 0 2,28
20 1 8 1,01 24 1,20 10 1,31 0 1,32 26 1,32 32 1,34 12 2,01 ... ...
12 1 30 1,45 28 1,46 29 1,58 32 2,14 18 2,31 25 2,57 24 2,73 ... 10 2,86 - 0 4,27
32 1 24 1,05 8 1,10 4 1,17 20 1,20 10 1,24 12 1,31 0 1,31 ...
Примечание. В таблице опущены оценки некоторых вариантов, ие пред- ставляющих интереса при оптимизации.
ванных по схеме «тандем». Принят следующий комплекс частных
критериев, используемых при оценке качества работы шпиндельного
узла: уг (X) —упругое радиальное перемещение от единичной силы
переднего конца шпинделя, обусловленное податливостью шпинделя
и его опор; у2 (А), уа (X), у± (X) — максимальные радиусы-векторы
АФЧХ шпиндельного узла по возмущению от силы шлифования
в радиальном направлении на первых трех собственных частотах;
уь (X) — приведенная нагрузка на передний подшипник шпинделя
от единичной силы на его переднем конце.
Базовому варианту шпиндельного узла соответствуют следующие
значения составляющих вектора Хо'.
Ош = 33 мм; /п = /3 = 8 мм; £ш = 152 мм; Lr = 250 мм; Dv =
= 60 мм; DK9 = 40 мм; /iKp = 40 мм; dK = =20 мм; /к = 34 мм;
ha = 12 мм; радиальная жесткость одного подшипника jn =
= 60 Н/мкм; частота вращения шпинделя п = 30 000 мин-1.
Ограничения на управляемые параметры заданы следующим обра-
зом:
26 < £)ш < 40 (мм), 80 < £ш < 250 (мм), 1
0 < /п < 30 (мм), 0 < /3 < 60 (мм) J
(И. 17)
Прй функциональном ограничении 200 < £г < 320 (мм). (11.18)
В качестве критериальных ограничений приняты значения част-
ных критериев базового варианта:
yh(X)<yh(X0), k= 1, 2, 5.
(11.19)
169
, В соответствии с методикой четырехмерное пространство управ-
ляемых параметров X с учетом ограничений (11.17) и (11.18) зонди-
руется равномерно распределенной последовательностью точек Хъ
Хг, .XN, и в каждой точке вычисляются значения всех частных
критериев, (X).
Результаты расчетов представлены в табл. 11.1. Каждая строка
таблицы соответствует одному из частных критериев; в числителе
указан, номер i варианта шпиндельного узла (всего было про-
считано N — 32 варианта), а в знаменателе — нормирован-
ное значение частного критерия, соответствующего данному
варианту.
Нормирование осуществляется в соответствии с выражением
X* = 1, 2, ..., 5; 1, 2....N, (11.20)
* nunjfe ’ ’ ’ ’ ' *
N
11.2. Значения управляемых параметров
некоторых вариантов шпиндельного узла, мм
i X* варианта ^3
0 (базовый) 33 8,0 8,0 152
32 39,3 0,5 48 157
24 37,8 2,8 28 192
10 38,0 7,4 11 176
где min ук =/= 0 — наименьшее значение из всех полученных при
N
расчетах. Для соответствующего варианта X* — lmln = 1.
Оценка характеризует варианты с точки зрения их близости
к наилучшему результату по каждому из критериев.
В табл.
•граница,
принятым
ограничениям (11.19). Та-
ким образом, слева от гра-
ницы расположена область
допустимых решений. В дан-
ном случае в этой области
находятся лишь два реше-
ния — варианты 10 и 24 (эти
номера имеются слева от
границы у всех пяти крите-
риев). При незначительном
увеличении допуска на вве-
денное ранее критериальное ограничение у3 (Хо) в область допу-
стимых можно включить также решение 32. Это решение является
лучшим по трем критериям tfa и у5, а по критерию у4
в 2 раза превосходит базовый вариант. Решение 24 лишь по кри-
терию у3 лучше 32, а решение 10 почти по всем критериям уступает
32 и 24.
В табл. 11.2 приведены значения управляемых параметров для
вариантов 10, 24 и 32, а также параметры Хо базового варианта
шпиндельного узла. Для всех вариантов имеет место тенденция
к уменьшению размера /п и увеличению размера 13.
Сближение подшипников в передней опоре увеличивает ее же-
сткость, а увеличение /3 повышает защемляющий эффект задней
опоры, что в совокупности с увеличением диаметра межопорной
части шпинделя улучшает значение ряда критериев. Особенно это
196
11.1 показана
соответствующая
критериальным
отибсигся к варианту 32, и он может быть признан оптимальным
по комплексу критериев.
Однако окончательное решение принимает конструктор с учетом
дополнительной информации о качестве вариантов. Как видно из
рассмотренного примера, анализ таблицы испытаний действительно
позволяет исследовать комплекс частных критериев и выбрать оп-
тимальный вариант решения, а знание значений управляемых
параметров для каждого варианта — получить содержательное пред-
ставление о параметрической эволюции конструкции в процессе
оптимизации.
ГЛАВА 12
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИВОДА
ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ СТАНКА
§ 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Приводы металлорежущих станков предназначены для
осуществления рабочих, вспомогательных и установочных переме-
щений инструментов и заготовки. Их делят на привода главного
движения скорости резания и приводы подач — координатных
перемещений и вспомогательных перемещений. К каждому виду
привода, с учетом служебного назначения станка, предъявляют
свои специфические требования по передаче силы, обеспечению по-
стоянства скорости, ее изменения и настройки, точности перемеще-
ния и погрешности позиционирования узла, быстродействию, на-
дежности, стоимости, габаритным размерам.
В связи с развитием числового управления станками каждое
движение чаще всего осуществляется от своего отдельного источника—
электрического или гидравлического двигателей различных типов,
обладающих своими особенностями, определяющими области ра-
ционального применения.
При разработке приводов станков следует учитывать, что име-
ющиеся системы электро- и гидроприводов позволяют решить многие
задачи, связанные с регулированием и изменением скорости и на-
правления движения, которые раньше решали лишь с помощью
механических устройств. В итоге существенно упрощается механи-
ческая часть привода, укорачиваются кинематические цепи, что
способствует повышению жесткости прнвюда и точности перемеще-
ния, упрощается автоматическое дистанционное управление приво-
дом, расширяются возможности унификации приводов и выполнения
их в виде отдельных агрегатов (модулей). Общий вид токарного
станка с унифицированными приводами представлен на рис. 12.1.
Существует тенденция применения в станках модульного комлект-
ного электрооборудования для осуществления всех движений, что
существенно упрощает автоматизацию станков, их стыковку с си-
стемами числового управления.
191
Важнейшими исходными данными для проектирования привода
главного движения являются диапазон регулирования частоты вра-
щения Rn и мощность Р, передаваемая приводом. Эти технические
характеристики зависят от служебного назначения станка, их опре-
деляют на основе анализа технологических процессов обработки
множества деталей и соответствующей номенклатуры режущего
инструмента, оговоренных техническим заданием на проектирование.
При этом
Rn — ^maxMmln • (12.1)
Для приводов с главным вращательным движением z?niax и ит1п —•
максимальная и минимальная частоты
Рис. 12.1. Унифицированные приводы то-
карного стайка:
1 — главный привод; 2 — привод продольной
подачи: 3 — привод поперечной подачи; 4 —
привод поворотного резцедержателя
вращения шпинделя, опреде-
ляемые по предельным (мак-
симальным и минимальным)
для всех операций скоростям
резания vmax и vmin и пре-
дельным для них же разме-
рам обработки Dniax и £>min:
„ __Ю00г'тах .
шах~ nDmin ’
__ ЮООстт
^mln ' (*2-2)
ni7max
При назначении диапа-
зона регулирования и мощ-
ности привода необходимо
учитывать, что увеличение
их значений усложняет и
удорожает привод, а зани-
жение приводит к уменьше-
нию производительности
из-за невозможности приме-
нения экономически выгод-
ных режимов обработки для всей требующейся совокупности опе-
раций.
Выбор 7?п и Р целесообразно проводить на основе производствен-
ных статистических данных по использованию станков соответству-
ющего типа и размера на различных скоростях резания и при раз-
личных мощностях. При этом должна быть учтена возможность об-
работки деталей с предельными размерами, а следовательно, и с пре-
дельными характеристиками на соседних по размерам станках
в. ряду станков данного типа. В качестве примера на рис. 12 2 при-
ведены графики распределения мощности и частот вращения шпин-
деля для станков определенного размера. Наличие подобных гра-
фиков позволяет провести оптимизацию величин Rn и Р по крите-
рию минимума приведенных затрат.
Так как технологическая производительность пропорциональна
скорости резания, и, следовательно, частоте вращения, то относи-
тельная потеря производительности при ограничении частоты вра^
192
щения некоторой величиной nmax будет пропорциональна площади,
ограниченной кривой распределения (на рис. 12.2, б заштрихована).
При увеличении Rn, т. е. увеличении пшах, относительная потеря
производительности уменьшается, а следовательно, эффективность
станка увеличивается, приведенные затраты на обработку снижаются.
Однако это снижение возможно лишь до определенных пределов,
так как при возрастании Rn неизбежно увеличивается стоимость
привода за счет усложнения конструкции. Аналогичные рассуждения
можно провести и при выборе мощности привода. Действительно,
с увеличением мощности возрастает общая стоимость и станка,
и его эксплуатации, однако уменьшается потеря производительности
от недоиспользования режимов резания. Эти противоположные тен-
денции предопределяют наличие некоторого значения номинальной
мощности привода, обеспечивающей минимум приведенных затрат.
Рис, 12.2. Распределение веро-
ятности использования станка:
а — по мощности; б — по частоте
^вращения
Такой метод выбора предельных характеристик неприменим
в том случае, если необходимо обеспечивать на станке выполнение
конкретных технологических операций с конкретными, хотя и редко
применяемыми режимами, например, нарезание резьбы на токарно-
винторезных станках, обработка деталей из труднообрабатываемых
материалов или легких сплавов и т. д. При конструировании необ-
ходимо также учитывать тенденцию, связанную с применением новых
эффективных инструментальных материалов, что требует увеличения
диапазона регулирования и повышения мощности.
Для обеспечения процессов резания с учетом потерь в приводе
мощность двигателя в станке еледует определять по формуле
Рд = Рз + Рт = Рз + Л + Р2, (12.3)
где Рэ —эффективная мощность резания; Рт = + Р2 —мощ-
ность, расходуемая на преодоление вредных сопротивлений, причем
Pi —• постоянные, не зависящие от нагрузки потери холостого хода;
Р2 — дополнительные потери, появляющиеся при передаче полез-
ной мощности.
Эффективную мощность резания определяют в соответствии с ре-
жимами обработки:
6010s ’ (12.4)
где Fz —тангенциальная составляющая силы резания, Н; v —
скорость резания, м/мин.
7 П/р В. Э. Пуша 193
Рис.. 12.3. Экспериментальные значения
КПД привода станка н зависимости от
нагрузки и частот вращения шпинделя
и приводного вала:
—-------частота вращения приводного вала
830 мин"1;------ — 1480 мии-1;-------—
1600 мин-1
Мощность холостого хода су-
щественно увеличивается с уве-
личением скорости и может со-
ставлять значительную долю об-
щей мощности в скоростных
станках:
P1 = ТТГ (S n + kl ki>
(12.5)
где d — средний диаметр шеек под
подшипник всех промежуточных
валов коробки скоростей, мм;
d0 —диаметр шеек шпинделя, мм
всех промежуточных валов, мин-1;
п0 —частота вращения шпинделя; kL = 1,54-2,0 —коэффициент,
учитывающий повышенные за счет предварительного натяга потери
в шпиндельном узле; k2 = 34-5 — коэффициент, учитывающий со-
вершенство системы смазывания.
Дополнительные потери составляют обычно не более 10—15 %
всей потребляемой мощности, что позволяет не учитывать их при
приближенных расчетах.
Мощность двигателя может быть выбрана, если известен общий
КПД привода ц,
(12.6)
в свою очередь,
ц = Пцг,
(12-7)
где тр — КПД конкретных передач или опор; ср — число однотип-
ных передач или опор с одинаковым КПД.
Для приводов главного движения обычно ц = 0,754-0,85, од-
нако он не является постоянной величиной и зависит от многих
факторов: нагрузки, скорости, качества изготовления и сборки, со-
вершенства системы смазывания и т. д. (рис. 12.3).
Расчет мощности двигателя по формуле (12.6) возможен только
при передаче полной мощности; ориентировочная оценка КПД может
привести к существенным ошибкам при определении мощности дви-
гателя, особенно для быстроходных станков. В этих случаях целе-
сообразно определять ее либо экспериментально, либо с учетом ста-
тистических данных по использованию аналогичных станков.
194
В станках, в которых режим нагрузки изменяется и носит по-
вторно-кратковременный характер (сверлильные, токарно-револь-
верные), можно допускать значительную перегрузку электродвига-
теля. Исходя из этого, номинальная мощность электродвигателя
может быть принята равной эффективной мощности на шпинделе
станка.
При обработке на станке деталей различных размеров величины Fz
и v в первом приближении остаются постоянными, переход на чи-
стовые режимы обработки
приводит к уменьшению Fz,
но к возрастанию и, кроме
того, при этом увеличива-
ются потери на трение. По-
этому желательно (хотя и не
всегда возможно), чтобы
в приводах главного движе-
ния обеспечивалось постоян-
ство передаваемой мощно-
сти по всему диапазону Rn
(рис. 12.4).
В этом случае крутящий
момент в приводе Л4кр, опре-
деляющий размеры всех эле-
ментов привода, будет наи-
большим при п = пш1п, что
приводит к увеличению габа-
Рис. 12.4. Изменение мощности Р и кру-
тящего момента Л4кр при различных часто-
тах вращения шпинделя
ритных размеров и стоимости
привода. Однако большое число статистических данных по обследова-
нию фактической загрузки станков общего назначения показывает, что
в нижней четверти или даже трети диапазона регулирования полная
мощность не используется. Поэтому для станков общего назначения
целесообразно применять привод с комбинированным_регулирова-
нием, если до условной расчетной частоты пр ~ пма j/ Rn -j- nmln 'VRn
обеспечивается регулирование с постоянным моментом в диапазоне
RM, а выше — регулирование с постоянной мощностью в диапазоне
RP. Значение максимального крутящего момента, по которому ведут
силовой расчет привода, существенно уменьшается. Более точно ве-
личина пр, до которой используется полная мощность привода,
может быть найдена на основе анализа технологических процессов
обработки на проектируемом станке.
§ 2. ПРИВОД СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ СКОРОСТЕЙ
С учетом необходимости получения оптимальных по ре-
жимам резания скоростей для различных диаметров обработки при-
вод должен обеспечивать любую частоту вращения шпинделя п =
1ОООо , п
= р . в пределах выбранного диапазона регулирования /?п,
т. е. требуется бесступенчатое регулирование частоты его вращения.
7* 195
Однако существующие способы бесступенчатого регулирования от-
личаются повышенной стоимостью, а при использовании механиче-
ских вариантов — низкой надежностью и повышенными потерями.
Поэтому в настоящее время в станках, особенно общего назначе-
ния и без числового управления, пока еще широко применяют при-
о Лв о
Рис. 12.5. Ддиаграмма частоты вращения
шпинделя при ступенчатом реулировании
воды со ступенчатым регу-
лированием с асинхронными
нерегулируемыми электро-
двигателями. Основные их до-
стоинства — небольшая стои-
мость, высокий КПД, ком-
пактность, жесткость харак-
теристики, возможность
получения постоянства мощ-
ности на всем диапазоне
регулирования. При этом про-
межуточные значения частот
вращения выбирают, как пра-
вило, по закону геометриче-
ской прогрессии. Целесооб-
разность применения гео-
метрического ряда частот
вращения была обоснована
акад. А. В. Гадолиным в
1876 г., исходя из обеспечения постоянства потери экономически
выгодной скорости для всех интервалов ряда, что обеспечивает по-
стоянство потери технологической производительности при прочих
равных условиях обработки.
В координатах v и D (рис. 12.5) геометрический ряд с частотами
— ^Ш1П>
= ^mln,
п3 = П2ф = п^,
nk = = П1Ф*-1,
/12 = /11фг ' = П,пах>
(12.8)
где г — число ступеней скорости, a q> = const — знаменатель ряда
частот вращения, представляется в виде совокупности прямых линий
ЛМь j—.
vk = ~боо ПРОХОДЯЩИХ через начало координат.
Следовательно, при обработке заготовки размером Do может воз-
никнуть потеря экономически выгодной скорости Дв, которая будет
наибольшей, если выбранная скорость v vk+1 не может быть пре-
вышена исходя из условий резания (например, по условию обеспе-
чения требуемой стойкости инструмента). При этом Дпшах — vM—
196
— vft, а наибольшая относительная потеря скорости и пропорцио-
нальная ей потеря производительности
= 1------L±— = 1------=3 1---------L = const. (12.9)
0/1+1 иЛ+1 nh+l Ф
Для геометрического ряда частот вращения число ступеней г
скорости может быть определено из соотношения
Ru = = Ф2”1- (12.1°)
fttnin п1
Отсюда
г >1+^- (1211)
Вычисленную по этой формуле величину г округляют до целого,
не всегда ближайшего числа, что приводит к некоторому изменению
действительного диапазона регулирования Rn. Геометрический ряд
частот вращения шпинделя обладает и структурными преимуще-
ствами. Ступенчатое регулирование целесообразно осуществлять по-
следовательно включенными группами зубчатых передач в виде
двойных и тройных блоков; при 12 , Стандартные значения
этом из закономерных рядов ча- знаменателя геометрического ряда
стот вращения шпинделя можно
осуществить только геометриче-
ский ряд.
• В станкостроении все значения
знаменателя <р, как и сами ряды
частот вращения, стандартизова-
ны. При установлении значений ср,
которые лежат в пределах 1 <
> Ф < 2, учитывали стандартные
десятичные ряды предпочтитель-
£, —
ных чисел, т. е. ф = у 10, где
Ei — целое число членов ряда
при заданных значениях числа
членов ряда
ф Аотах V * %
1,06 40 12 5
1,12 20 6 10
1,26 10 3 20
1,41 20/3 2 30
1,58 5 3/2 40
1,78 4 6/5 45
2 20/6 1 50
в десятичном интервале, равное
40, 20, 10, 5, 4. Кроме того, для возможности применения двух-
скоростных электродвигателей с отношением синхронных частот
вращения, равным 2, необходимо выдерживать принцип удвоения
частот в ряду, т. е. ф =V2, где Е2 — целое число. Тогда, если
в ряду частот есть член пх, то будет также член пу ~ 2пх — пхуЕг,
т. е. £2 — число членов ряда в двоичном интервале.
Стандартные значения знаменателя ряда приведены в табл. 12.1,
там же указаны величины потерь экономически выгодной скорости.
Малые значения знаменателя ряда приводят к существенному услож-
нению привода, что экономически оправдывает применение систем
бесступенчатого регулирования, поэтому ф — 1,06 в станках прак-
тически не применяют; ф = 1,12 применяют преимущественно в стан-
ках с числовым управлением и в тяжелых станках, где требуется
более точная настройка на заданный режим. Наиббльшее распро-
197
странение получили значения <р = 1,25 и <р = 1,4; <р = 1,58 и <р =
— 1,8 применяют в специализированных станках, где велико вспо-
могательное время и поэтому точное установление скорости не обя-
зательно; <р = 2 практически не применяют, так как потеря произ-
водительности в этом случае достигает 50 %.
Для того чтобы кинематическая цепь привода шпинделя обеспе-
чивала геометрический ряд частот вращения в расчетном диапазоне
Рис. 12.6. Привод главного движения при ступенчатом регулировании частот
врашевия:
а — кинематическая схема; б — варианты структурных сеток; в — график частот вращения
Rnc выбранным <р при последовательно включенных между смежными
валами групповых передачах (рис. 12, 6), необходимо выполнение
ряда закономерностей.
Общее число ступеней скорости
т
~ PaPb • • • Pl ~ Pft,
1
(12.12)
гдерл— число отдельных передач в каждой группе; т — число групп
передач.
198
Общий диапазон регулирования
т
г/рЛтах т
, '(Я)"" 1
где fmax, t’min — соответственно наибольшее и наименьшее переда-
точное отношение привода; i^max, ip^min— соответственно наи-
большее и наименьшее передаточное отношение в й-й группе передач;
Rk = ^(Р«) max/^Pi) шт — диапазон регулирования k-й группы.
Передаточные отношения передач в любой группе должны стро-
иться по закону геометрической прогрессии со знаменателем
Фл = #л-1Ф = фЧ (12.14)
а именно
ii *. I2:. • • • i(pft) = 1: Ф** ’ Ф 11 ’ • • -ф^₽Л Ч (12.15)
где — диапазон регулирования совокупности передач, кине-
матически включаемых ранее данной группы; хк — характеристика
группы, определяющая ряд передаточных отношений, т. е. порядок
ее кинематического включения.
Диапазон регулирования группы
Rh = cp(pk-l)4. (12.16)
В порядке кинематического включения различают основную груп-
пу передач с числом отдельных передач р0, которая обеспечивает на-
чальный ряд частот вращения со знаменателем <р0 = ф. Для нее
характеристика хк — х0 = 1, ряд передаточных отношений ix : i2 :
: i3 : ... = 1 ; Ф : <p2 : а диапазон регулирования Ro = ф<₽«-1\
Множительные (переборные) группы служат для расширения (раз-
множения) начального ряда частот до требуемого диапазона Rn и
числа ступеней г.
Первая переборная группа с числом передач /7Х имеет характери-
стику хг = р0 при ф! = 7?оф =ф<р>—Оф = фР» и обеспечивает ряд
передаточных отношений ц : i2 : i3 : ... = 1 : фр° : ф2₽» ; .... Диа-
пазон ее регулирования = ф/р*-1’ = фР»^-1).
Вторая переборная группа с числом передач р2 имеет характери-
стику х2 = рору и знаменатель ряда передаточных отношений ф2 ~
= 7?о*^1Ф == фРоР*, обеспечивая ряд передаточных отношений
; t2 : i3 : ... = 1 ; фр«р>: фР«р< : ...; диапазон ее регулирования
7^2 Ф^2 О = фРоР1 <Ра—I).
Различные варианты привода для данного числа г, учитывающие
порядок конструктивного расположения и кинематического включе-
ния групп, удобно характеризовать формулой структуры привода.
Она получается, если в формуле (12.12) записать группы Rk в порядке
их конструктивного расположения, а индексы ставить в соответствии
с порядком их кинематического включения.
199
Для облегчения кинематического расчета привода применяют
графоаналитический метод, основанный на последовательном по-
строении двух графиков: графика структуры (структурная сетка)
и графика частот вращения. Графики строят в логарифмических ко-
ординатах с расстоянием (интервалом) между соседними горизон-
талями, соответствующими определенным частотам ряда п, равным
lg «л+i — 1g nk = 1g qp = const. (12.17)
При этом все передаточные отношения и диапазоны регулирова-
ния в приводе, которые представляют собой целые степени знаме-
нателя ф, определяются соответствующим количеством этих интер-
валов.
Последовательно расположенные валы привода условно изобра-
жают вертикальными линиями; лучи, соединяющие точки пересе-
чения на вертикалях, соответствуют передаточным отношениям от-
дельных передач между соответствующими валами; число лучей,
выходящих из одной точки — числу отдельных передач между ва-
лами, число точек на линии вала — числу различных ступеней ско-
рости на нем.
Структурную сетку строят в соответствии с выбранной форму-
лой структуры привода и учитывают только валы групповых пере-
дач. В ней находит отражение относительная связь между переда-
точными отношениями в группах в соответствии с условием (12.15),
поэтому лучи для каждой группы проводят симметрично, а количе-
ство интервалов между их концами численно равно характеристике
группы, определяемой в соответствии с формулой структуры. На
рис. 12.6, б приведены теоретически возможные структурные сетки
для привода, изображенного на рис. 12.6, а в соответствии с кон-
структивным вариантом г = 3-2-2. Под каждым вариантом
записана формула структуры, а над каждым полем, отведенным для
соответствующей групповой 'передачи, записаны число передач и
характеристика группы.
Общее число структурных вариантов для определенной конструк-
тивной схемы равно числу перестановок из т групп, т. е. ml, но для
ml
заданного числа групп т можно построить различных конструк-
тивных вариантов, где q — число групп с одинаковым числом пере-
дач. Следовательно, общее число вариантов структур для привода,
содержащего т групп, равно
т. е. для привода с z = 12, где т — 3, a q — 2, общее число вариантов
равно 18.
График частот вращения (рис. 12.6, в) строят в соответствии
с разработанной с учетом служебного назначения станка кинемати-
ческой схемой. Он отражает частоты вращения всех валов привода,
включая валы одиночных передач, необходимых для его компоновки.
Построение начинают с цепи редукции imln, обеспечивающей сниже-
200
ние частоты вращения электродвигателя пэ до пг — мт1п на шпин-
деле. Для дальнейшего построения используют структурную сетку.
Передаточное отношение передачи определяется выражением <р\
где k, учитывая логарифмический характер графика, — число ин-
тервалов между горизонталями, перекрытых лучами, соединяю-
щими отметки частот вращения на соседних валах. Для повышаю-
щей передачи k > 0, для понижающей k < 0, для передачи с i ~
= 1 £ = 0. При проведении лучей учитывают ограничения по пре-
дельно допустимым значениям передаточных отношений для зубча-
тых передач. Для прямозубых передач в приводе главного движения
обычно принимают
(12J9>
1'шах < 2. (12.20)
Эти условия ограничивают допустимый диапазон регулирования
групповой передачи, который с учетом соотношения (12.16) можно
записать в виде
(/?ь)Иред = 4^ = < 8- <12-21>
. ‘mln
Последнее соотношение позволяет уже на стадии построения струк-
турных сеток отбросить ряд непригодных вариантов. При выборе
структуры и при построении графиков частот вращения следует
учитывать, что размеры валов и модули зубчатых колес связаны
с частотой вращения следующими зависимостями:
где (?! и С2 — соответствующие постоянные. .
Поэтому для уменьшения габаритных размеров и массы при-
вода желательно, чтобы большее число его элементов работало в об-
ласти более высоких частот вращения. Этому соответствуют приводы,
у которых число передач в группах уменьшается, а характеристика
увеличивается вдоль цепи передач от электродвигателя к шпинделю.
Кроме того, рекомендуется цепь редукции imln строить так, чтобы
выполнялось условие
i(pa)tnin 23 f(pc)inin • • • (12.22)
Для уменьшения радиальных размеров передач, которые опреде-
ляют размеры корпусных деталей привода, лучшим вариантом будет
тот, у которого для каждой группы выдерживается соотношение
imax/i’min = Для уменьшения числа валов в приводе и зубчатых
колес следует уменьшать число групп передач, которое получится
минимальным, если
Ra = Rb= Rc= ... = Rh = |>Ц (12.23)
I 1 mln I
При выборе варианта привода необходимо учитывать также его
КПД, возникающие при переходных процессах динамические на-
201
грузки, определяемые значением приведенного момента инерции вра-
щающихся масс и длиной кинематических цепей. Во многих случаях
это вынуждает прибегать к специальным структурам.
§ 3. ПРИВОД С БЕССТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
СКОРОСТИ
Основные достоинства приводов с бесступенчатым регу-
лированием — повышение производительности обработки за счет
точной настройки оптимальной по режимам резания скорости, воз-
можность плавного изменения скорости во время работы, простота
автоматизации процесса переключения скоростей. Для бесступенча-
того изменения скорости применяют иногда фрикционные вариаторы,
чаще — регулируемые двигатели. Принцип действия фрикционного
вариатора поясним на примере простейшей лобовой передачи. При
смещении ролика вдоль образующей диска изменяется величина ра-
диуса, что позволяет изменять передаточное отношение. Однако при
передаче вращения в вариаторе неизбежно возникает проскальзыва-
ние, так как только в одной точке скорость на поверхности диска
совпадает со скоростью на поверхности ролика. Вверх от этой точки
скорости на диске выше, чем на ролике, а вниз — ниже. Наличие
проскальзывания приводит к изменению передаточного отношения ва-
риатора и к его изнашиванию.
Величина проскальзывания зависит от типа вариатора и увели-
чивается с увеличением передаточного отношения, поэтому для боль-
шинства типов механических вариаторов диапазон бесступенчатого
регулирования = 4-4-6. Следует учитывать также, что с увеличе-
нием передаваемой мощности уменьшается надежность механических
вариаторов, поэтому их применяют только в приводах малых и
средних по размерам станков.
Для бесступенчатого регулирования скорости в основном при-
меняют двигатели постоянного тока с тиристорной системой управле-
ния. Эти двигатели все шире используют в станках с числовым уп-
равлением, большинство многооперационных станков оснащают та-
кими двигателями. При дальнейшем уменьшении стоимости и габа-
ритных размеров двигателей постоянного тока их применение будет
расширяться.
В. этих двигателях диапазон регулирования скорости с постоян-
ной мощностью пока лежит в пределах /?б = (/?д)^ = 2,5—6 (иногда
до 8—10), что не перекрывает всего требуемого диапазона регулиро-
вания на шпинделе с постоянной мощностью (см. рис. 12.4).
Частоты вращения при постоянном моменте (7?д)л) регулируют в очень
широком диапазоне. Перспективным является применение бесколлек-
торных электродвигателей постоянного тока, что повышает их на-
дежность.
В приводе главного движения применяют и регулируемые за
счет изменения частоты тока асинхронные электродвигатели, у ко-
торых п = (1 — S), где f — частота тока; р — число пар полю-
202
сов; S — скольжение. Эти двигатели обладают высокой надежностью,
жесткой характеристикой и обеспечивают регулирование с постоян-
ной мощностью во всем диапазоне.
Так как диапазон бесступенчатого регулирования 7?б механи-
ческих вариаторов или диапазон (Ra)p регулируемых двигателей зна-
чительно меньше требуемого диапазона регулирования частот вра-
щения шпинделя Rn или Rp при системах комбинированного регу-
лирования, между устройством для бесступенчатого регулирования
и шпинделем вводят обычно ступенчатую коробку. При этом должно
выполняться условие
Rn = ReRK, (12.24)
где RK — диапазон регулирования коробки скоростей, т. е. коребку
скоростей можно рассматривать как переборную группу, расши-
ряющую диапазон регулирования привода, и в соответствии с усло-
вием (12.14) можно записать
фк = Кк-1Ф = Re4>- (12.25)
С учетом того, что при бесступенчатом регулировании <р -> 1,
необходимо, чтобы <рк — R6; следовательно, на основании (12.10)
= (12.26)
окончательно
Я. = Ябй, (12.27)
что позволяет определить число ступеней коробки скоростей
или lg^Jp • (12.28)
Вследствие переменного скольжения в электродвигателях, меха-
нических вариаторах, ременных передачах фактический диапазон
регулирования бесступенчатого устройства может оказаться
меньше 7?е, поэтому во избежание разрыва бесступенчатого ряда
оборотов на шпинделе принимают обычно <рк == (0,94н-0,97) 7?б.
Если коробка скоростей выполнена в виде одной группы передач,
то, учитывая ограничение (12.21), для привода без перекрытия при
zK = 2 можно обеспечить диапазон регулирования Rn = Re, если
Re с 8; при zK = 3 Rn = Re, если Re с -/8 = 2,8 (если R6 >
> 2,8, то в приводе получается перекрытие скоростей и Rn = 8R6).
Привод с zK = 4 = 2Q-2! позволяет получить Rn = Re, если
Re < 2,8 (при Re >2,8 получается перекрытие и Rn = 87?б)-
При вычислении гк по формуле (12.28) и округлении его значения
в большую сторону перекрытие скоростей получается автоматически.
В качестве примера на рис. 12.7 изображены кинематическая схема,
график частот вращения и диаграмма мощности привода с zK = 3
при
Rn
2400
60
40; RP
2400
160
= 15; 7?б = (7?д)р
3000
1000 ~
203
В приводе получается перекрытие скоростей, так как zK = |к (/?*). ~
— 2,45 округлено в большую сторону до гк — 3.
В многооперационных станках с числовым управлением иногда
сокращают число ступеней скорости, округляя гк в меньшую сто-
рону, что приводит к небольшому разрыву в средней части диапазона
11 1Н
\160
2400
п, нин
Рис. 12,7. Привод главного движения станка с регулируемым двигателем:
а.— кинематическая схема; б — график частот вращения; в — диаграмма мощности
Рис. 12.8. Привод главного движения станка с регулируемым двигателем при
уменьшенном числе передач в коробке (zh — 2):
а — график частот вращения; б — диаграмма мощности
регулирования. Если применен двигатель постоянного тока с двух-
зонным регулированием, то в этом интервале возможно регулирова-
ние частоты при постоянном моменте. На рис. 12.8 приведены гра-
фик частот вращения и диаграмма мощности привода, построенного
для предыдущего примера при zK — 2. Такой прием упрощает меха-
204
Рис. 12.9. График частот вращения
привода главного движения много-
операционного станка
ническую часть привода,
однако он возможен, если
технологические операции,
осуществляемые в средней
части диапазона, не требуют
полной мощности, либо их
возможно осуществить на
заниженных режимах обра-
ботки без существенного сни-
жения производительности.
Следует учитывать, что
в станках с числовым управ-
лением при применении дви-
гателей постоянного тока ре-
гулирование скоростей часто
ведется не бесступенчато, а
ступенчато с малымф (обычно
Ф = 1,12, реже ф — 1,06).
В этом случае упрощается
управление приводом, а по-
теря экономически выгодной
скорости незначительна. Ши-
роко применяют структуры
с перебором, позволяющие
расширить общий диапазон
регулирования и получить
другие преимущества, свой-
3000
A\\\\\\\\Ml
A\\\\\\\\\V
\\\\\\\\\\\
\\\\\\\\\\\_______
AWWXWWW^SM.i
\\\\\\\\\\v-----—
\\\\\\\\\V.
\\\\\\\\\\V
\\\\\\\\\\W^<%<xVJ
\\\\\\\\\\\\Y\\\\\V
\\\\\\\\\\\X\V\4>XV.
AWWWWVVWWWV
\\\\\\\\\\\\\\\\\\V
l\\\\\\\\\\\\\\\\\V
1\\\\\\\\\\\\\\\\V
m\\\\\\\\xxxxxxxv
m\\\\\\\\\\\\v
—LWWWXXXXXXXX'1
MH^WWXXXXXXXX'.
№\\\\\\\\\\V
mwwwwwv
^mvwwww
3150
280(7
2500
2260
2000
1800
1600
1600
1250
1120
1000
900
800
110
>630
>560
500
650
>600
>355
>315
280
250
226
200
180
160
160
>125
>112
>100
>90
>00
>71
•65
55
50
65
60
35,5
31,5
28
25
23,5
20
ственные этой структуре.
На рис. 12.9 изображен график частот вращения привода глав-
ного движения многооперационного станка, кинематическая схема
которого приведена на рис. 6.16.
§ 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
• И РАСЧЕТА ГЛАВНОГО ПРИВОДА
Приводы главного движения различают по виду привод-
ного двигателя, способу переключения частот вращения и компоновке.
Совершенствование двигателей постоянного и переменного тока
с частаым регулированием и систем их регулирования позволит пол-
ностью отказаться от механических коробок скоростей, выполнять
шпиндельную бабку в виде отдельного унифицированного узла.
Уже сейчас созданы электромеханические приводы главного движе-
ния в виде модуля с планетарным редуктором на две ступени
(рис. 12.10). Другой особенностью новых электроприводов главного
движения является дальнейшее развитие безредукторных электроме-
205
Рис. 12.10. Электромехани-
ческий привод главного дви-
жения:
1 — планетарный редуктор; 2 —
регулируемый двигатель по-
стоянного тока
ханических шпиндель-
ных узлов, в которых
ротор электродвигателя
насаживают
ственно 1
станка.
Способ
ния передач
ляется
на
непосред-
шпиндель
переключе-
опреде-
назначением
станка и в основном
зависит от частоты переключения, необходимости его автоматиза-
ции и дистанционного управления приводом.
Системы ручного переключения пока еще применяют в универ-
сальных станках общего назначения; основные их достоинства —
простота и низкая стоимость. Как правило, применяют однорукоя-
точные селективные (избирательные) системы управления, что спо-
собствует удобству управления и снижает время на переключение.
При этом нет необходимости проходить через ненужные промежуточ-
ные положения зубчатых блоков. Конструкция селективной системы
управления фрезерного станка представлена на рис. 6.7, описание
ее работы приведено в гл. 6. В универсальных станках применяют
и электрогидравлические механизмы преселективного управления.
Под преселективным управлением понимают такое управление, при
ротором необходимые режимы обработки на следующую операцию
можно установить во время работы станка на предыдущей,
что сокращает вспомогательное время, связанное с управлением
станком.
В автоматических станках переключение скоростей часто осуще-
ствляется с помощью электромагнитных фрикционных или зубчатых
муфт. Применение электромагнитных фрикционных муфт позволяет
переключать скорости в процессе работы станка, однако уменьшает
КПД станка, так как все зубчатые передачи находятся в зацеплении
и существует повышенное трение в дисках.
Автоматические коробки скоростей с электромуфтами (АКС) вы-
пускают централизованно с 9, 12 и 18 ступенями семи габаритов,
рассчитанные на мощности от 1,5 до 55 кВт. Так как электромагнит-
ные муфты нежелательно встраивать в шпиндельные бабки станков,
то в станках с числовым управлением в приводах с двигателем по-
стоянного тока применяют зубчатые передачи, переключаемые авто-
матически с помощью индивидуальных электромеханических (реже
гидравлических) приводов. Схемы таких приводов даны на рис. 12.11.
Их конструкцию и описание работы см. в гл. 6. В автоматических
станках с большим числом механических передач возможны системы
206
управления, выполненные на базе соответствующих селективных или
преселективных систем.
Компоновка привода главного движения определяется общей
компоновкой станка, связанной с его служебным назначением и
типоразмером, а также связями между отдельными элементами при-
Рис. 12.11. Схемы механизмов переключения передач в станках с ЧПУ:
а — с реечной передачей; б — с передачей винт—гайка; в — с гидроцилиндром
Рис. 12.12. Структурная схема
подсистемы «Главный привод»:
1 — техническое задание на про-
ектирование привода; 2 — анализ
технического задания, выбор типа
привода; 3 — заполнение бланка
на поиск типовой кинематической
структуры; 4 — поиск типовых ре-
шений; 5 — анализ типовых ре-
шений; б — заполнение бланка иа
синтез кинематической структуры;
7 — синтез структуры; 8 — анализ
полученных вариантов; 9 — под-
готовка данных для эскизного про-
ектирования; 10 — эскизное про-
ектирование привода; 11 — оценка
вариантов конструкций; 12 — за-
полнение бланков для Динамиче-
ского расчета; 13 — динамический
расчет; 14 — анализ результатов
динамического расчета; 15 — офор-
мление общего вида узла; 16 —
заполнение бланков для комплекс-
ного' поверочного расчета и мо-
делирования; 17 — расчет н мо-
делирование; 18 — анализ резуль-
татов; 19 — выдача заданий иа
деталировку; 20 — «перейти к Дру-
гому варианту конструкции»; 21 —
«есть ли еще вариант конструкции?»;
22 — «перейти к следующему ва-
рианту структуры»; 23 — «есть ли
еще вариант структуры?»; 24 —
ЭВМ; 25 — графопостроитель; 26 —
банк типовых решений; К — опе-
рация, выполняемая конструкто-
ром; «-}-» — удовлетворительное ре-
шение»; «—» — неудовлетворитель-
ное решение
вода: двигателем, коробкой скоростей и шпиндельной бабкой. При
раздельном приводе механическая часть состоит из двух узлов: ко-
робки скоростей (редуктора) и шпиндельной бабки, соединяемых ре-
менной передачей. Иногда в шпиндельную бабку помещают перебор-
ную группу. По такому типу конструируют приводы станков с чис-
ловым управлением с обычными асинхронными двигателями и АКС.
Для удобства надевания ремней применяют консольное расположе-
207
ние шкива на конце шпинделя. Для создания более компактного
привода применяют компоновки, в которых механическую часть
встраивают непосредственно в шпиндельную бабку. Следует учиты-
вать, что в этом случае вибрации, возникающие в коробке скоро-
стей, а также выделяющаяся в ней теплота влияют на положение
шпинделя и на точность его вращения.
В соответствии с общей тенденцией по автоматизации проектно-
конструкторских работ в станкостроении разработана и действует
автоматизированная подсистема «Главный привод» (рис. 12.12), вхо-
дящая в общую САПР. Подсистема предназначена для синтеза кине-
матической структуры, проектных и проверочных расчетов элемен-
тов привода главного движения с электродвигателями переменного
и постоянного тока и механической коробкой скоростей. Подсистема
создана для работы в режиме диалога между конструктором и ЭВМ,
когда выбор всех принципиальных решений, оценку результатов каж-
дого этапа проектирования осуществляет конструктор, выделяющий
задания на проведение последующих этапов проектирования или на
повторение предыдущих. При наличии в системе соответствующего
оборудования можно получить графическое изображение структур-
ной сетки, эскизы развертки и свертки коробки скоростей.
В подсистеме имеется также автоматический справочник, позво-
ляющий накапливать и выдавать по запросу различную техническую
информацию (типовые структуры, характеристики комплектующих
изделий, необходимые для расчетов).
ГЛАВА 13
ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ СТАНКОВ
§ J. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Шпиндель, являющийся конечным звеном привода глав-
ного движения и предназначенный для крепления инструмента или
заготовки, оказывает существенное, часто лимитирующее, влияние
на точность, производительность и надежность всего станка. Шпин-
дельные узлы станков в соответствии с предъявляемыми к ним тре-
бованиями должны обеспечить следующее.
1. Передачу на заготовку или инструмент расчетных режимов
для заданных технологических операций.
2. Точность вращения, оцениваемую радиальным и осевым бие-
нием переднего конца шпинделя; для станков общего назначения в за-
висимости от класса точности станка должна соответствовать стан-
дартным значениям; для специальных станков точность вращения
зависит от требуемой точности обработки:
A Дд/3, (13.1)
где А — биение шпинделя; Ад — допуск на лимитирующий размер
готового изделия.
208
3. „ Жесткость (радиальная и осевая), определяемая по деформа-
ции шпинделя под нагрузкой; при этом жесткость на переднем
конце шпинделя, Н/мкм,
/ = Fly, (13.2)
где F — сила, приложенная на переднем конце шпинделя, Н; у —
прогиб переднего конца шпинделя, мкм.
Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих пере-
мещений станков доходит до 50 %, а в некоторых типах до 85 %.
Единых норм для назначения жесткости шпиндельных узлов не су-
ществует. Исходя из нормальной работы подшипников, жесткость
на участке между опорами ограничивают величиной 250—500 Н/мкм
(большие значения—для станков повышенной точности), что лими-
тирует диаметр шпинделя
d >1/(0,05 4-0,1 )/3, (13.3)
где I — расстояние между опорами шпинделя.
Иногда ограничивают приведенной величиной жесткость перед-
него конца шпинделя станков нормального класса точности.
Возможно также определение жесткости шпинделя, исходя из тре-
бований к точности обработки. При этом определяют прогиб у от сил
резания и момента привода при соответствующих режимах обработ-
ки; он ограничивается допуском на лимитирующий размер детали:
у < Дд/3. (13.4)
4. Высокие динамические качества (виброустойчивость), которые
определяются амплитудой колебаний переднего конца шпинделя и
частотой собственных колебаний. Вибрации, возникающие в шпин-
дельном узле, отрицательно сказываются на точности и чистоте об-
работки, стойкости инструмента и производительности станка Же-
лательно, чтобы собственная частота шпинделя была не ниже 500—
600 Гц.
5. Минимальные тепловыделения и температурные деформации
шпиндельного узла, так как они влияют как на точность обработки,
так и на работоспособность опор. Тепловыделения регламентируются
допустимым нагревом подшипников. Норма нагревания установлена
только для станков класса Н (допустимый нагрев на наружном кольце
подшипника составляет 70 °C), для станков других классов имеются
лишь следующие рекомендации:
Класс точности станка............. П В А С
Допустимая температура наружного коль-
ца, °C ............................ 50—55 40—45 35—40 28—30
6. Долговечность шпиндельных узлов, которая зависит от долго-
вечности опор шпинделя, которая в свою очередь во многом зависит
от эффективности системы смазывания, уплотнений, частоты враще-
ния, величины предварительного натяга в подшипниках качения
и т. д. Долговечность шпиндельных узлов не регламентирована, ее
определяют по усталости, износу деталей подшипника или потере
209
смазочных свойств масла. Диаметр шейки шпинделя выбирают по кри*
терию жесткости, что обычно обеспечивает долговечность подшип-
ников до Lh = (12-=-20) 103 ч. При применении бесконтактных опор
(гидростатических, гидродинамических и аэростатических) долго-
вечность теоретически считают неограниченной.
7. Быстрое и точное закрепление инструмента или обрабатывае-
мой детали в шпинделе стайка; в современных станках требуется ав-
томатизация этой операции.
8. Минимальные затраты иа изготовление, сборку и эксплуата-
цию шпиндельного узла при удовлетворении всех остальных требова-
ний.
§ 2. КОНСТРУКЦИЯ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
Конструкция шпиндельного узла зависит от типа и размера
станка, класса его точности, предельных параметров процесса об-
работки (максимальной
частоты вращения nmax,
эффективной мощности
привода). Факторы, опре-
деляющие ее, перечислены
ниже.
Конфигурацию перед-
него конца шпинделя вы-
бирают в зависимости от
способа крепления ин-
струмента или заготовки.
Тах как для их крепле-
ния применяют стандарт-
ные приспособления, то
передние концы шпинде-
лей для большинства ти-
пов станков стандартизо-
ваны (табл. 13.1). В зави-
симости от требований
к процессу смеиы инстру-
мента или приспособле-
ний центрование осуще-
ствляется конусом Морзе,
конусами конусностью
7/24 или 1/3.
Конфигурация внут-
ренних поверхностей опре-
деляется наличием отвер-
стия для пруткового ма-
териала и конструкцией
зажимного устройства,
встраиваемого в шпиндель.
Тип приводного элемента зависит, в первую очередь, от частоты
вращения, величины передаваемой силы, требований к плавности
13.1. Основные типы концов шпинделей
Применение
в станках
Токарных,
токарно ре-
вольверных,
токарных
многорез
цовых, шли-
фовальных
и др.
Фрезерных
Сверлиль-
ных и рас-
точных
Шлнфо
вальных
210
вращения, а также от общей компоновки привода. Зубчатые передачи
наиболее просты и компактны, передают большие крутящие моменты,
однако из-за погрешностей и передачи возмущений иа шпиндель их
обычно ие применяют в прецизионных стайках, а также при высо-
ких частотах вращения. При применении ремеииой передачи кон-
струкция усложняется, увеличиваются ее размеры, особенно если
шкив устанавливают иа самостоятельные опоры для разгрузки
шпинделя. Одиако при этом существенно повышается плавность
вращения, уменьшаются динамические нагрузки в приводе станков
с прерывистым характером процесса резания/Приводные шестерни
и шкивы должны иметь посадки без зазора (предпочтительно иа ко-
нические поверхности) и быть расположены ближе к опорам. .
Для привода скоростных лшинделей, например, шлифовальных
станков, часто применяют высокочастотные асинхронные электро-
шпиндели с короткозамкнутым ротором, несущие шлифовальный <
круг. В стайках с исключительно высокими требованиями к шерохо- ;
ватостн (Rz < 0,05 мкм) для полного исключения передачи возму-
щений на шпиндель применяют инерционный привод, когда после раз-
гона шпиндель с маховиком отключают от привода и обработку про-
водят при его свободном выбеге.
Тип опор шпинделя, определяющий форму посадочных мест,
выбирают иа основании требований по точности обработки и быстро-
ходности, которая определяется скоростным параметром — произ-
ведением dn, мм •мни-1, где d — диаметр отверстия под подшипник,
мм; п — частота вращения шпинделя, мни-1. Эти значения для раз-
ных типов опор приведены в табл. 13.2.
13.2. Точность и быстроходность шпиндельных узлов на разных опорах
Тип опор Радиальное и осевое биение шпинделя, мкм Отклонение от круглости обработанного изделия, мкм СкоростноЙ параметр W'Omax-10”- мм- мун”1
Качения 1,00 1,0 0—10
Гидродинамические 0,50 0,5 1—10
Г идростатические 0,05 0,2 0—15
Аэростатические 0,10 0,5 5—40
Учитывая эти параметры, а также то, что подшипники качения
имеют меньшую стоимость при централизованном изготовлении и
просты в эксплуатации, в настоящее время более 95 % станков
изготовляют со шпиндельными узлами на подшипниках качения.
Методы смазывания во многом определяют надежность работы
шпиндельного узла. Для подшипников качения применяют жидкий
либо твердый смазочный материал. Примерные границы примени-
мости различных методов смазывания по параметру (dn)max ука-
заны ниже.
Смазывание ^^max’мм’мин-1
Погружением................................ 5,5—8
Разбрызгиванием ........................... 2,2—3,2
211
Циркуляционное .................................. 4,2—6
Капельное ....................................... 2,8—4
Масляным туманом............................., . . 5,5—8
Под давлением ................................... 7,5—10
(меньшие значения для тяжелых серий подшипников, большие — для особо легких).
Смазывание погружением для шпиндельных узлов практически
не применяют. При смазывании разбрызгиванием от шестерен при-
вода масло подается в подшипники либо непосредственно, либо
через специальный сборник. Следует учитывать, что в этом случае
масло поступает к подшипникам загрязненным продуктами изна-
шивания шестерен коробки, кроме того, для нормальной работы
системы смазывания частота вращения шпинделя не должна быть
низкой.
Циркуляционное смазывание обеспечивает необходимый по усло-
виям теплоотвода расход масла через подшипник и охлаждает его.
В большинстве случаев система циркуляционного смазывания об-
щая для шпинделя и всей коробки скоростей, раздельные системы
смазывания применяют для высокоскоростных шпиндельных узлов.
При капельном методе смазывания подшипники смазываются
независимо от других элементов, в них подается ограниченное ко-
личество масла (от 1 до 100 г в 1 ч), что .снижает тепловыделение.
В этом случае необходимо предотвращать попадание в подшипники
смазки из коробки скоростей.
Смазывание методом масляного тумана применяют в высокоско-
ростных узлах; при этом кроме постоянного и равномерного смазы-
вания осуществляется интенсивное охлаждение подшипника сжа-
тым воздухом, служащим для образования масляного тумана в спе-
циальных маслораспылителях. Избыточное давление воздуха в под-
шипнике препятствует попаданию в него внешних загрязнений.
Проточное смазывание при строгом дозировании применяют при
работе "шпиндельного узла в особо напряженных условиях (при вы-
соких частотах вращения). В этом случае масло под давлением с по-
мощью специальных дозаторов периодически впрыскивают через
сопла непосредственно в зазор между сепаратором и кольцом под-
шипника. Тем самым преодолевается воздушный барьер, создавае-
мый подшипником при высоких частотах вращения.
Твердые смазочные материалы применяют в шпиндельных узлах
при относительно низких частотах вращения, особенно они удобны
для шпиндельных узлов, работающих в вертикальном или наклон-
ном положении. Следует учитывать, что избыток смазочного материа-
ла, закладываемого в подшипник, ведет к повышению температуры
в опоре и вытеканию смазочного материала, а недостаточное его коли-
чество приводит к быстрому выходу подшипников из строя.
Уплотнения шпиндельных узлов служат для защиты подшипни-
ков шпинделя от проникновения в них грязи, пыли и охлаждаемой
жидкости, а также препятствуют вытеканию смазочного материала
из подшипника. В шпиндельных узлах чаще всего применяют различ-
ные бесконтактные лабиринтные уплотнения для уменьшения тепло-
выделений в узле и исключения изнашивания уплотнений. Для на-
212
дежной их работы необходимо, чтобы радиальные зазоры в них
были не более 0,2—0,3 мм.' В шпиндельных узлах, работающих
в тяжелых (по загрязнению), условиях, лабиринт заполняют твер-
дым смазочным материалом, а при жидком смазочном материала
иногда применяют продувку воздуха через уплотнение. В уплотне-
ниях размещают полости и каналы для отвода смазочного материала
от подшипников. Основные типы уплотнений приведены на рис. 13.1.
Материалы шпинделей и термообработка. Для шпинделей стан-
ков нормальной точности применяют конструкционные стали 45,
а — контактное манжетное резиновое армированное уплотнение с пружиной; б — кон-
тактное манжетное кожаное уплотнение с пружиной; в — бесконтактное лабиринтное уплот-
нение; г — лабиринтное дисковое уплотнение; D, d, b — основные конструктивные размеры;
h = 0,4-т- 0.6 мм — лабиринтный зазор; / — вращающийся стакан; 2 — кольца; 3 — диски;
4 — невращающнйся стакан; 5 — резиновое кольцо; 6 — фиксирующий винт
50, 40Х с поверхностной закалкой (обычно закалка с нагревом ТВЧ)
до твердости HRCa 48—56. Шпиндели сложной формы изготавли-
вают из сталей 50Х, 40ХГР и применяют объемную закалку до
HRCa 56—60. Для прецизионных станков в условиях жидкостной
смазки применяют нйзкоуглеродные стали 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА
с цементацией и закалкой до твердости HRCa 56—60. Для слабона-
груженных шпинделей высокоточных станков для уменьшения вну-
тренних деформаций применяют азотируемые стали 38Х2МЮА,
38ХВФЮА с закалкой до твердости HRCa 63—68.
Для изготовления полых шпинделей большого диаметра иногда
применяют серый чугун СЧ 20.
§ 3. ШПИНДЕЛЬНЫЕ ОПОРЫ КАЧЕНИЯ
В шпинделях станков для обеспечения высокой грузо-
подъемности, точности вращения, повышенной жесткости и мини-
мальных выделений теплоты, как правило, применяют подшипники
качения специальных конструкций. Для восприятия радиальных
нагрузок широко применяют двухрядные подшипники 3182100 с ци-
линдрическими роликами. Два ряда точных роликов, расположен-
ных в шахматном порядке, обеспечивают грузоподъемность и жест-
кость подшипника при высокой точности вращения. Ана-
213
1 НизкоскорйстНЫё . ,
1 -I-------
2 -Ц-----$ 1 В-п^ЦВ^нн-мш^
3 Jt----------^2-t й-п‘-(1£+2)-10*нн-мчн''1
5f T" w
§ Л_Среднескоростные
| V St----- ^Д-< d'n4^3,fMo^wHf
£ “
| ----------Ж4 dn^,5)-10!MH-HUH'
* 6 «------------&п‘(^) Ю!нм-ниц-г‘
J Ш Высокоскоростные
| 7 S------—------S4 dn^6)-WfHH-MUH-f
I, 8 ----------3E4 d ni.(5iS)-10sMM-MUH~f
9 gz-----------E"4 йп<(7-И0ТЮ*мм-нин~1
Ю ~=t----------=~i
]£«=
Рис. 13.2. Типовые конструктивные
схемы шпиндельных узлов на под-
шипниках качения н области их при-
менения
логичные подшипники типа
3182100К имеют в наружном
кольце четыре отверстия (под
углом 90°) и кольцевую ка-
навку, через которые смазочный
материал подается непосред-
ственно на дорожки качения,
что увеличивает быстроход-
ность опор и повышает надеж-
ность их работы.’
Для восприятия осевых сил
применяют радиально-упорные
подшипники в обычном исполне-
нии 36000, 46000, но чаще всего
используют рационально-упорные шарикоподшипники типа 178600
с углом контакта 60°, имеющие быстроходность в 2—2,5 раза выше,
чему упорных шарикоподшипников (dn)max = (4ч-5)105 мм-мин-1.
В последнее время применяют роликоподшипники конические одно-
рядные (тип 67000) и двухрядные (тип 697000) с упорным буртом на
наружном кольце, предназначенные для восприятия радиальной и
осевой нагрузки, и однорядные со встроенными в широкое наруж-
ное кольцо пружинами (тип 17000), служащие для восприятия ра-
диальных нагрузок в задних опорах.
" При повышенных требованиях к быстроходности в опорах шпин-
делей применяют особо быстроходные радиально-упорные шарико-
подшипники (тип 36000К) с несколько измененными конструктив-
ными и геометрическими параметрами по сравнению с обычными.
Эти подшипники собирают в комплекты по два, три или четыре.
Для создания шпиндельных узлов в виде отдельных агрегатных
модулей, уменьшения трудоемкости конструирования, изготовления
и эксплуатации шпиндельных узлов в практике станкостроения целе-
сообразно применять типовые конструктивные схемы (рис. 13.2).
Их отличительной особенностью является то, что осевая нагрузка
воспринимается передней опорой, задняя опора при этом плаваю-
щая, т. е. не закреплена в осевом направлении. Это повышает ра-
диальную жесткость узла, уменьшает тепловые деформации перед-
него конца шпинделя.
Точность подшипников, которая регламентируется радиальным
или осевым биением вращающегося кольца, во многом определяет
точность вращения шпинделя. При этом радиальное биение перед-
ней 64 и задней бв опор можно найти из простых геометрических
соотношений, анализируя схему, приведенную на рис. 13.3, а. Ра-
диальное биение конца шпинделя
6 = 6а(1 + -^-)+6в^-.
(13.5)
214
Обычно принимают 6 < Д/3, где А — допуск на радиальное бие-
ние конца шпинделя.
Приняв, что = (1 + -у) = получим
(13.6)
По величинам и бв выбирают подшипники соответствующего
класса точности. Рекомендуемые классы подшипников шпинделей
станков различной точности приведены в табл. 13.3.
13.3. Рекомендуемые классы точности
подшипников качения для шпинделей
станков
Класс точности станка Класс точности радиальных подшипни- ков опор Класс точности упорных подшипни- ков
пе- ред- ней зад- ней
н 5 5 5
п 4 5 5
в 2 4 4
А 2 2 4
С 2 2 2
Рис. 13.3. Схемы биения шпинделя на
опорах:
а — биения опор направлены в разные
стороны; б — биения опор направлены
в одну сторону
Если при сборке шпиндельного узла подшипники устанавливают
таким образом, что их биения направлены в одну сторону, то это
резко снижает биение переднего конца шпинделя (рис. 13.3, б).
Жесткость подшипников определяется упругими сближениями
тел качения с кольцами и контактными деформациями колец с со-
пряженными деталями. Жесткость зависит, главным образом, от типа
подшипников и их диаметра. Радиальная и осевая жесткость шпин-
дельных опор различных типов приведена на рис. 13.4.
Для повышения жесткости подшипников, а также устранения за-
зоров (что повышает точность вращения) в них применяют предва-
рительный натяг, т. е. прикладывают постоянную предварительную
нагрузку. В радиальных шарикоподшипниках для создания пред-
варительных, натягов смещают наружные кольца относительно вну-
тренних в осевом направлении, для чего либо сошлифовывают торцы
колец, либо применяют втулки различной длины между наружными
и внутренними кольцами, либо устанавливают распорные пружины.
В роликовом подшипнике (тип 3182800) предварительный натяг
создают осевым смещением внутреннего кольца подшипника на ко-
нической' шейке шпинделя, что вызывает радиальные деформации
кольца. В шариковых радиально-упорных и конических роликовых
215
подшипниках (тип 697000) натяг создается при сборке за счет осе-
вого взаимного сближения рядов тел качения, что обеспечивается
размерами сопряженных деталей. В конических роликовых подшип-
Рис. 13.4, Зависимость жесткости подшипника от его диаметра:
1 — двухрядные роликоподшипники; 2 — конические роликоподшипники: 3 — шарнко*
подшипники; 4 — гидростатические опоры (при рн = 2 МПа); 5 — упорные шарикоподшип-
ники: б — упорио-раднальиые шарикоподшипники; 7 — радиально-упорные шарикопод-
шипники
Рис. 13.5, Зависимость жесткости и долговечности от величины зазора-иатяга Аг:
УПД
, отнесенной к жесткости подшипника прн нулевом зазоре-иатяге
a — жесткости
/пд = о:
б — долговечности по усталости Ьд, отнесенной к долговечности при нулевом зазоре-натяге
Дд_q; 1 — нагрузка на опору 5000 Н; 2 — нагрузка на опору 11 000 Н
никах (тип 17000) натяг создается постоянным осевым смещением на-
ружного кольца относительно внутреннего с помощью встроенных
в него пружин.
От тщательности и точности регулирования предварительного
натяга во многом зависит работоспособность шпиндельного узла.
На рис. 13.5 представлена зависимость жесткости и долговечности
216
подшипника типа 3182100 от предварительного натяга. При увели-
чении предварительного натяга резко возрастает тепловыделение
в подшипниках. Натяг или зазор шпиндельных подшипников обычно
регулируют в специальном приспособлении на собранном узле вне
или на станке. Для упрощения этой операции применяют дистан-
ционные кольца. Их размеры устанавливают заранее и при сборке
точно ограничивают силу предварительного натяга.
( Посадки подшипников качения оказывают большое влияние на
точность вращения шпинделя и другие критерии работоспособности,
так как они сказываются на величине и постоянстве предваритель-
ного натяга в подшипниках. Вращающиеся (внутренние) кольца
Рис. 13.6. Изменение температуры и натяга в передней
опоре шпинделя токарного станка с числовым управле-
нием:
1 — температура в подшипнике; 2 — температура в стенке кор-
пуса; 3 — натяг в опоре
Рис. 13.7. Роликопод-
шипник с регулируе-
мой. величиной иатяга
подшипников нужно устанавливать с небольшим натягом (—24-
4—4 мкм); невращающиеся (наружные) кольца — с натягом в низко-
скоростных шпиндельных узлах и с небольшим зазором высокоско-
ростных при (dn)inax > 2,5-105 мм-мин-1. Отклонения размеров и
формы сопряженные с подшипником поверхностей деталей шпин-
дельного узла не должны превышать допустимых отклонений для
тех элементов подшипников, с которыми контактирует данная
деталь.
Потери на трение в подшипниках качения оцениваются по мо-
менту трения либо тепловым потоком, Вт, выделяемым в них:
Q = 0,4 10-2 R dn f, (13.7)
где R — нагрузка на подшипник, Н; d — диаметр подшипника, мм;
п — частота вращения, мин-1; f — условный коэффициент трения
(для шариковых и роликовых цилиндрических подшипников f =
= 0,0024-0,003; для конических роликоподшипников / = 0,004—-
4-0,008).
Теплота, выделяемая в подшипнике, ведет к нагреву стенок кор-
пуса и самого шпинделя и, как следствие, к температурным дефор-
мациям. Неравномерность нагрева наружного и внутреннего кольца
217
подшипника существенно изменяет первоначально установленную
величину натяга (рис. 13.6, а). Поэтому окончательное регулирова-
ние шпиндельных подшипников целесообразно проводить при до-
стижении в узле установившегося значения температуры. При пере-
менном характере режима работы и высоких требованиях к точности
обработки целесообразно применять искусственное охлаждение опор
шпинделей. В последнее время применяют специальные конструк-
ции шпиндельных подшипников с регулированием натяга или под-
держанием его на заданном уровне. На рис. 13.7 изображен под-
шипник, в котором предусмотрено промежуточное кольцо 2, обра-
зующее вместе с наружным кольцом 1 подшипника небольшой гид-
роцилиндр. Поршень-кольцо 3, смещаясь под давлением масла, соз-
дает осевую силу предварительного натяга, воздействуя на торцы
роликов 4. Давление масла автоматически изменяется при измене-
нии температуры или нагрузки в узле, что обеспечивает независимость
натяга подшипника от внешних воздействий.
§ 4. ОПОРЫ СКОЛЬЖЕНИЯ ДЛЯ ШПИНДЕЛЕЙ
Опоры скольжения применяют в шпиндельных узлах тех
станков, где подшипники качения не могут обеспечить требуемой точ-
ности и долговечности работы. В качестве таких опор используют •
в зависимости от свойств гидродинамические и гидростатические под-
шипники, а также подшипники с газовой смазкой.
Рис. 13.8. Гидродинамические подшипники с одним (а) и. несколь-
кими (6) масляными клиньями
Гидродинамические подшипники применяют в станках с высо-
кими постоянными или мало изменяющимися скоростями вращения
шпинделей при незначительных нагрузках (станки шлифовальной
группы).
В станкостроении используют многоклиновые гидродинамические
подшипники (рис. 13.8, б), так как одноклиновые (рис. 13.8, а) не
могут обеспечить требуемой жесткости и точности вращения. В мно-
гоклиновых подшипниках создается несколько клиновых зазоров,
куда вращающимся валом увлекается масло, и результирующая гид-
218
родинамических сил Fn позволяет воспринимать внешнюю нагруз-
ку F, действующую в любом направлении. Клиновые зазоры созда-
ются обычно с помощью башмаков, самоустанавливающихся в зави-
симости от нагрузки и положения шпинделя. Самоустановка башма-
ков осуществляется либо их поворотом на сферических опорах (под-
Рис. 13.9. Гидродинамические подшипники с самоустановкой баш-
маков:
а — поворотом на сферических опорах; б — поворотом относительно втулки.
шипник ЛОН-34 конструкции ЭНИМС, рис. 13.9, а), либо поворотом
относительно специально выполненной втулки (подшипник ЛОН-88,
рис. 13.9, б).
Конструктивные параметры гидродинамических подшипников оп-
ределяют исходя из диаметра D шейки шпинделя, выбранного кон-
структивно или по формуле (13.3) для обеспечения необходимой
219
жесткости. При этом длину L вкладыша в осевом направлении и длину
его по дуге В, см, принимают из соотношений
В та 0,5Z); L = 0,75/). (13.8)
Обычно диаметральный зазор, мкм,
А = 3Z), (13.9)
где D — диаметр шейки шпинделя, см.
В качестве рабочей жидкости применяют минеральное масло
марки Л (велосит) с коэффициентом динамической вязкости р. =
= (44-5)-10-8 Па-с при 50 °C.
Расчет многоклинового гидродинамического подшипника сво-
дится к следующему.
Определяют нагрузочную способность подшипника. При этом
приближенно нагрузка на один вкладыш
где е = 2с'А — относительный эксцентриситет; е — эксцентриситет
(смещение центра шпинделя под действием внешней нагрузки), мкм;
0 — координата точки опоры вкладыша относительно направления
действия внешней нагрузки.
Нагрузка, действующая на каждый вкладыш, при е = 0
/% = 0,5 ^?L-Cl, (13.11)
r,;s (13.12)
1 + L2 .
Нагрузочная способность подшипника
k
i
где k — число вкладышей.
Она равна нулю при отсутствии внешних сил, наибольшее ее зна-
чение (/'д)п1ах соответствует минимально допустимому зазору hmln
в подшипнике; обычно /imln = А/3, что позволяет получить [с учетом
соотношений (13.8) и (13.9)1 для подшипника с тремя вкладышами
следующую приближенную зависимость, Н:
(^)max ~ 0.8^0 = 0,036п/)2. (13.13)
Жесткость гидродинамических подшипников определяется не
столько жесткостью слоя смазки /м, сколько жесткостью элементов
и сопряжений конструкции /п. Суммарная жесткость опоры, Н/мин,
/ои = Л2^. (13.14)
При малых нагрузках, а следовательно, небольших относитель-
ных смещениях для подшипника с тремя вкладышами
/м~0,09п/), (13.15)
220
и при большой частоте вращения шпинделя она оказывается весьма
высокой. Однако жесткость элементов конструкции при контакте
сегментов с опорными поверхностями не превышает 250—300 Н/мкм,
например, жесткость сферической пяты в подшипниках ЛОН-34
/п = 125dc, где dc — диаметр опорной полусферы, см; обычно dc =
= 1,54-2,5 см.
Существенным недостатком гидродинамических опор является
изменение положения otn шпинделя прп изменении частоты его
вращения.
и
Рис. 13.10. Гидро-
статические осевые
(а) и радиальные
(б) опоры
Гидростатические опоры обеспечивают высокую точность вра-
щения, обладают высокой демпфирующей способностью, что значи-
тельно повышает виброустойчивость шпиндельного узла, имеют прак-
тически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную спо-
собность при любой частоте вращения шпинделя. Гидростатические
опоры могут быть использованы в качестве датчиков силы в системах
адаптивного управления, в качестве приводов микроперемещений.
Принцип действия гидростатического подшипника основан на
том, что при прокачивании масла под давлением от внешнего источ-
ника через зазоры (щели) между сопряженными поверхностями в за-
зоре образуется несущий масляный слой, исключающий непосред-
ственный контакт поверхностей даже при невращающемся шпинделе
(рис. 13.10). В радиальных подшипниках равномерно по окружности
делают полости-карманы, куда через дроссели подается под давле-
нием масло от источника питания (насоса).При приложении внешней
нагрузки вал занимает эксцентричное положение, зазоры h в под-
221
шипнике перераспределяются, что приводит к увеличению давления
р масла в одних карманах и уменьшению в противоположных.
Уравнивания давлений в карманах не происходит вследствие наличия
дросселей на входе в каждый карман. Разность давлений создает
результирующую силу Fc, воспринимающую внешнюю нагрузку.
Отвод смазочного материала производится через торцы подшипника,
иногда и через дренажные кана-
вки, выполненные на перемы-
чках между карманами.
Конструктивные параметры
радиальных гидростатических
подшипников выбирают в зави-
симости от диаметра шейки
шпинделя D, рассчитанного по
формуле (13.3) для обеспечения
требуемой жесткости шпиндель-
ного узла или выбранного кон-
структивно с учетом диаметров
стандартного переднего конца
шпинделя. При этом обычно
длина подшипника L = D,
размеры перемычек, ограничи-
вающих карманы /0 = =
— 0,1Z>, диаметральный зазор
А = (0,0008-4-0,001) D, мм.
Число карманов, как пра-
вило, принимают равным че-
тырем. В качестве рабочих
жидкостей применяют мине-
ральные масла с вязкостью
ц = (1-4-10) Ю“3 Па с; для вы-
сокоскоростных шпинделей для
уменьшения потерь на трение
применяют масла с минимальной
вязкостью, для повышения дем-
Рис. 13.11. Схема питания гидростати-
ческих опор шпинделя:
1 — насос питания; 2 — фильтр грубой очи-
стки; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — об-
ратный клапан; 5 — фильтр особо тонкой
очистки: 6 — дроссели; 7 — манометр; 8 —
гидроаккумулятор; 9 — реле давления; 10 —
насос откачки; 11 — теплообменник; 12 —
перепускной клапан
пфирующей способности приме-
няют Солее вязкие масла. Параметры капиллярных или щелевых
дросселей, обеспечивающих ламинарное течение смазочного матери-
ала, при малых эксцентриситетах е рассчитывают таким образом,
чтобы выполнялось условие рк = 0,5рн, где рк — давление в кар-
мане; рп — давление, создаваемое насосом. Параметры гидростати-
ческих подшипников могут быть оптимизированы исходя из получе-
ния максимальной жесткости или минимальных потерь на трение.
Применение гидростатических опор требует сложной системы
питания и сбора масла, что является их недостатком.
Принципиальная схема питания гидростатических опор приве-
дена на рис. 13.11. Когда требуется высокая точность станка, к си-
стеме питания подключают холодильную установку для стабилиза-
ции температуры. Для обеспечения нормальной работы гидростат
222
тических опор требуется тщательная фильтрация масла. Макси-
мальный размер частиц, попадающих в зазор, не должен превышать
половины минимальной величины зазора (5—10 мкм).
Расчет гидростатических подшипников сводится к определению
нагрузочной способности, жесткости масляного слоя, расхода сма-
зочного материала и потерь на трение и прокачивание масла. На-
грузочная способность гидростатических подшипников, Н, зависит
от радиального смещения шпинделя в опоре
/7с = Рн5эфСк(8, Л), (13.16)
где ра — давление, создаваемое насосом, мПа; 5эф — эффективная
площадь подшипника, учитывающая падение давления на перемыч-
ках, мм2; CF (8, k) — функция, зависящая от относительного сме-
щения 8 шпинделя в опоре и геометрических параметров опоры.
Для легко- и средненагруженных гидростатических подшипни-
ков внешние нагрузки, а следовательно, и смещения невелики;
тогда можно приближенно принять
СР (г, k) = -|-8. (13.17)
Для радиальных гидростатических подшипников приближенно
5эф = 0,5Д2,
следовательно, его нагрузочная способность
Fc = 0,75sD2/?H = 1,5 — D2Pa. (13.18)
Жесткость слоя смазки, Н/мм, гидростатического радиального
подшипника при указанных выше малых смещениях
/м=1,5-^й-. (13.19)
На рис. 13.14 приведена жесткость слоя смазки гидростатиче-
ского подшипника. Расход смазочного материала, мм3/с, необходимо-
го для обеспечения нормального режима работы подшипника,
Q = 108 -nD^ .. (13.20)
Потери на трение в гидростатических подшипниках складываются
из потерь на трение в карманах и в зазорах (на перемычках),
а также из потерь на обеспечение прокачивания смазочного материала
через подшипник. Потери в карманах невелики, ими можно прене-
бречь, и общие потери, кВт,
Pz = P? + PQ, (13.21)
где Р.г — потери на трение в рабочем зазоре; PQ — потери на про-
качивание смазочного материала.
223
Для радиальных гидростатических подшипников при принятых
выше соотношениях
2 дЗ
— 0,072-10~18 — У (13.22)
В качестве примера приведем рассчитанные по указанным соотношениям харак-З
тернстнкн радиального четырех карма ни or о гидростатического подшипника токар*|
ного станка при следующих исходных данных: диаметр шейки шпинделя D =ч|
= 100 мм, диаметральный зазор А = 0,08 мм, рн = 3 мПа, рабочая жидкость —Ч
масло 45 А вязкостью р= 7-10"® Па-с лри t= 30°C, е = 0,02 мм. <
Нагрузочная способность подшипника Fc = 11 250 Н; жесткость /м— 56 X ;
X 104 Н/мм; расход смазки Q — 70-10® мм®/с. Потери на трение при п = 1600 мнн'Ц
= Рт + PQ = 0,16 + 0,2 = 0,36 кВт.
Шпиндельный узел станка на гидростатических опорах изобра-ч
жен на рис. 13.12. При конструировании и расчете гидростатическим
подшипников следует учитывать, что все их характеристики сильней
зависят от величины и формы зазора, которые существенно отлича-1
ются от теоретических вследствие деформаций -сопряженных дета-1
лей. Учет реальных формы и величины зазора приводит к сложным
зависимостям, что требует при расчетах их характеристик прибегать
к вычислительной технике. 1
Опоры с воздушной смазкой. В станкостроении применяют!
аэростатические подшипники, по принципу действия подобные ана«
логичным гидростатическим, только несущий слой в них создается
путем подвода в зазоры между сопряженными поверхностями н«
жидкости, а сжатого воздуха под давлением, не превышающим 0,3—1
0,4 МПа. Вследствие этого нагрузочная способность их невеликая
однако малая вязкость воздуха позволяет существенно снизить поЯ
тери на трение, что предопределило применение аэростатически я
подшипников в небольших прецизионных станках при большие
окружных скоростях вращения шпинделя. Я
224 1
. § 5. РАСЧЕТ шпиндельных УЗЛОВ
Расчет на Mecfkdcirb. Главный размеры щпйнДёЯьного
узла (рис. 13.13) — диаметр d Шейки шпинделя под передней опорой
и расстояние I между опорами — выбирают из расчета шпинделя
на жесткость. Величину вылета а шпинделя определяют по стан-
дартным размерам его переднего конца и размерам уплотнений; она
Рис. 13; 13. Главные раз-
меры шпиндельного узла
должна быть возможно малой. При приближенных проектных рас-
четах шпиндель заменяют балкой на двух опорах с силой F, прило-
женной на консоли, т. е. на расстоянии а от середины передней опоры
(рис. 13.14).
Радиальное перемещение переднего конца шпинделя
l/z = Ушп + Уон Н- Усдш (13.23)
где уши — перемещение, вызванное изгибом тела шпинделя; уоп —
перемещение, вызванное податливостью (нежесткостью) опор; г/сдв —
перемещение, вызванное сдвигом от действия поперечных сил.
Рис. 13.14. Жесткость шпиндельного узла:
а — расчетная схема; б — наибольшая дости-
жимая жесткость шпиндельного узла прн ра-
диальном зазоре в переднем подшипнике, рав-
ном нулю (/) н с большим натягом <2)
Применяя известные формулы сопротивления материалов и пре-
небрегая величиной г/ОдВ, которая для реальных размеров шпинде-
лей, имеющих центральное отверстие, не-превышает 3—6 %., можем
записать
ОС Ц Jg J
+ f [ _£ I1 f ]2 + (1 ,у , (13.24)
8 п/р В. э. Пуша 225
гдг Е — модуль упругости материала шпинделя; и </2— осевые
моменты инерции сечения шпинделя соответственно на консольной
части и между опорами; q = и с2 = 1//2 — соответственно подат
ливость передней и задней опор шпинделя, которые определяют по
реакциям и Т?2 и перемещениям 6Х н 62 в соответствующих опорах;
А и /г — жесткость опор; £3 — коэффициент, учитывающий наличие
в передней опоре защемляющего момента, если в ней расположен©
несколько рядов тел качения.
Для конструктивных схем, представленных на рис. 13.2, значе-
ния коэффициента £3 можно принимать равными 0,65—0,75 (для
схемы /); 0,45—0,65 (для схемы 2); 0,30—0,45 (для схем 3—4); 0,20—
0,30 (для схемы 5); 0,1—0,2 (для схем 6—8); 0 (для схем 9—10).
Для гидростатических опор £3 равно нулю.
В соответствии с формулой (13.24) общая податливость шпин-
1 </2
дельного узла с2 = — = -у,
шпиндельного узла, может быть
где /s — суммарная жесткость
представлена в виде
г - аг Г а д. ] । г Г в(1-5з) + / I2 , _ п
с* ~ ~зЁ~ 1~7Г +----Л----J + 1 L-------1-----1 +^2 (1 -
(13.25)
Учитывая, что величины q, с2, J1 и J2 зависят только от диаме-
тральных размеров шпинделя, можно получить для конкретной кон-
структивной схемы узла зависимости /2 = f (d) (рис. 13.14, б),
позволяющие определить диаметр при заданной жесткости шпин-
дельного узла. При этом надо учитывать конструктивные ограниче-
ния, связанные с тем, что d < dlt где dt — диаметр последней сту-
пени стандартного переднего конца шпинделя, и ограничения по
предельной быстроходности подшипников d < „Wnpra ; где Лпах —
пшах
максимальная частота вращения шпинделя.
После выбора диаметра шейки d можно определить для него
оптимальную величину межопорного расстояния /опт, исходя из
необходимости получения максимальной жесткости (т. е. минимума
суммарной податливости). Для этого используют выражение (13.25)
без учета защемления в передней опоре, т. е. при £3 = 0. Взяв пер-
вую производную с2 по I и приравняв её нулю, получим уравнение
для определения /опт:
/3 - 1 + 6fJ2 (сх + с2)] - 0, (13 26)
которое легко решается графически. При назначении межопорного
расстояния необходимо учитывать его влияние на точность враще-
ния шпинделя. Поэтому обычно в практике станкостроения при-
нято ограничивать возможное значение межопорного расстояния,
а именно I 2,5а. Если учтены все требования к шпиндельному
узлу, то можно определить значения главных параметров шпин-
дельного узла в виде области допустимых значений. На рис. 13.15
показано построение области допустимых значений для шпиндель-
ного узла универсального токарного станка с /гтах = 2500 мин-х.
При точностных расчетах необходимо знать величину н на-
правление перемещения переднего конца шпинделя с учетом сило-
вого воздействия от приводных элементов. Это могут быть зубчатые
передачи, расположенные между опорами на расстоянии /х (см.
рис. 13.13) от передней опоры, либо ременные передачи со шкивом,
расположенным на расстоянии /г от задней опоры. В этом случае
учитывают силы резания и силы привода, которые приводят к двум
плоскостям (вертикальной и горизонтальной). По известным форму-
Рис. 13.15. Построение области допустимых значений главных размеров шпин-
дельного узла:
1 — ограничение по жесткости (принято / == 400 Н/мкм); 2 — ограничение по быстроход-
ности; 3 — по допускаемой температуре подшнпинка; 4 — по допускаемому биению перед-
него конца шпинделя; Ф — оптимальное значение СО — фактическое значение I
Рис. 13.16. Схема к расчету жесткости конического соединения
лам сопротивления материалов вычисляют прогиб конца шпинделя
в каждой плоскости (ув и уг)
Уъ = ~/Уг + У1-
Вычисления целесообразно проводить с учетом защемления в пе-
редней опоре и конкретной величины натяга средствами вычисли-
тельной техники. Выбирая определенным образом угловое располо-
жение элемента и расстояния и /2, можно добиться минимального
влияния привода на положение переднего конца шпинделя.
При расчете общей жесткости шпиндельного узла необходимо
учитывать жесткость конического соединения шпинделя с приспособ-
лением (оправкой, патроном) или хвостиком инструмента, а также
жесткость приспособлений и инструмента. Во многих случаях они
являются определяющими в общем балансе жесткости. Например,
для соединения хвостовика инструмента с корпусом шпинделя в со-
ответствии с расчетной схемой, приведенной на рнс. 13.16, упругое
перемещение при действии силы F, приложенной на расстоянии а,
от конца шпинделя,
Ус — $ + ®а1>
8*
227
где 8 смещение на краю конического соединения вследствие кон-
тактных деформаций; 0 — угол поворота в коническом соединении.
Для конусности 7/24, получившей преимущественное распро-
странение в станках с числовым управлением, без учета погрешно-
стей изготовления жесткость, Н/мкм,
. _ 20Д*
Ус ~ al
(13.27)?
где D и flj — см. рис. 13.16.
Погрешности изготовления конического соединения, обусловлен-
ные несовпадением углов конусов отверстия и оправки, резко сни-
жают жесткость соединения. Для ее повышения применяют предва-
рительную затяжку осевой силой F(> (величина которой для конуса
ISO 50 составляет 15 кН), которая создается специальными зажим-
ными приспособлениями, расположенными во внутренних цилинд-
рических полостях шпинделя.
Податливость патронов и зажимных цанг при обработке корот-
ких прутков в токарных станках составляет 80—90 % податливости
всей системы шпиндельного узла. Во фрезерных и расточных стан-
ках доминирующими могут являться деформации концевого ин-
струмента.
Расчет динамических характеристик. Уровень колебаний перед-
него конца шпинделя определяют по амплитудно-фазочастотным ха-
рактеристикам (АФЧХ) (см. гл. 17), которые целесообразно рассчи-
тывать по заранее подготовленным программам средствами вычис-
лительной техники.
Приближенный расчет собственной частоты шпинделя, с-1, (см.
рис. 13.13), не имеющего больших сосредоточенных масс, можно
проводить по формуле
(13.28)
где т — масса шпинделя, кг; к — На —относительное расстояние
между опорами; у = / (А.) — коэффициент, который для X = 2,54-3,5
лежит в пределах 2,3—2,4.
Температурные характеристики шпиндельного узла рассчиты-
вают на основе уравнений теплового баланса, где учитывается выде-
ление теплоты за счет трения в подшипниках и отвод ее через стенки
корпуса коробки и в тело шпинделя.
В настоящее время разработаны САПР шпиндельных узлов, ко-
торые в режиме диалога позволяют спроектировать шпиндельный
узел с оптимизированными по требуемым критериям параметрами.
ГЛАВА 14. ПРИВОД ПОДАЧИ
§ 1. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Регулирование скорости подачи в металлорежущих стан-
ках осуществляется при постоянном максимально допустимом мо-
менте, поэтому в основу выбора электродвигателя положена не мощ-
ность, а момент сил сопротивления 7ИС в механизме подачи. Вели-
чину этого момента определяют по составляющим силы резания с уче-
том момента трения в механизме подачи. При переменном моменте Мо
расчет ведут по формуле эквивалентного момента.
При большом диапазоне регулирования самовентиляция двига-
теля неэффективна, и рекомендуется выбирать двигатели закрытого
безобдувного исполнения. Если габариты двигателя, выбранного по
моменту, оказываются недопустимо завышенными, рекомендуется
использовать двигатель меньшего габарита с принудительным охла-
ждением вентилятором типа «наездник».
В приводах подачи современных станков с ЧПУ применяют вы-
сокомоментные электродвигатели серии ПБВ с возбуждением от по-
стоянных магнитов или двигатели постоянного тока серии 2П, ПБС
с электромагнитным возбуждением. В малых станках иногда приме-
няют малоинерционные двигатели серии ПГ. Во всех случаях целе-
сообразно использовать двигатели с внутренним встроенным тахоге-
нератором.
В кинематической схеме привода подачи движение от электродви-
гателя через редуктор с передаточным отношением i передается на
ходовой вннт и далее на исполнительный орган станка (стол, каретку,
суппорт и т. д.). Параметры кинематической схемы (шаг ходового
винта и передаточное отношение редуктора) определяются как диа-
пазоном регулирования подачи, так и возможностями двигателя.
В техническом задании на электропривод подачи указывают мини-
мальную И максимальную рабочую ПОДачу, СКОРОСТИ Урт1п, Уртах,
в пределах которых регулирование происходит при постоянном (мак-
симальном) моменте, и скорость вспомогательных перемещений
(Цпах’= 54-10 м/мин), осуществляемых при уменьшенном моменте
сил сопротивления.
Таким образом, в приводе подачи необходимы два диапазона ре-
гулирования:
1 П . “-'ll „
ур mln max
с различными условиями регулирования. Очевидно, что общий диа-
пазон регулирования подачи
D = DLDU.
При управлении в цепи якоря скорость вращения вала двигателя
регулируется вниз от номинала при постоянном моменте, что обеспе-
чивает диапазон регулирования
_ Ь>НОМ
<0щШ
22»
Диапазон регулирования DJ очень велик, поскольку номиналь-
ная частота вращения вала двигателя постоянного тока составляет
1000—3000 мин-1, минимальная может быть доведена до 0,1 —
1,0 мий'1. Кроме того, допускается кратковременное увеличение
Скорости вращения вала двигателя до значения ®гаах за счет кратко-
временного повышения напряжения на якоре. Это обеспечивает вто-
рой диапазон регулирований
£>п =
Рис. 14.1. Диапазон регулирования электро-
привода подачи
й^НОМ
который целесообразно ис-
пользовать для вспомога-
тельных перемещений, по-
скольку двигатель здесь дол-
жен работать с уменьшенной
нагрузкой. Диапазон этот не-
велик и равен примерно
2—2,5.
Общий диапазон регули-
рования двигателя D' > D,
и современный электропривод способен обеспечить все технологи-
ческие требования станкостроения. Особенность расчета заклю-
чается в том, что диапазоны регулирования двигателя и станка от-
личаются в отдельных своих частях. При этом, как правило,
DJ > D\ и D'w <Z Du.
Диапазон D регулирования подачи должен быть «вписан» в диа-
пазон D’ регулирования двигателя. Соединение может быть произве-
дено по верхней (рис. 14.1, а) или нижней (рис. 14.1, б) границе
диапазона регулирования.
Поскольку на малых скоростях вал двигателя имеет значитель-
ную неравномерность вращения, первый вариант предпочтитель-
нее. В этом случае передаточное отношение редуктора
i = -5m. р,
ftnax
где «шах — максимальная частота вращения вала двигателя, мин-1;
fmax — максимальная скорость вспомогательных перемещений,
мм/мин; р — шаг ходового винта, мм.
Использование высокомоментных двигателей с большим диапазо-
ном регулирования часто позволяет при выборе соответствующего
значения р обойтись без редуктора и соединить вал двигателя непо-
средственно с ходовым винтом.
§ 2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Структура регулируемого привода подачи может быть весь-
ма разнообразной. В простейшем случае привод состоит из исполни-
тельного двигателя М, тиристорного преобразователя, регулятора
скорости и блока токоограничения с датчиком тока. Привод охвачен
230
главной обратной связью по скорости и тахогенератором. Расчет и
оптимизация параметров регулятора скорости в таком приводе, как
правило трудоемки и обычно осуществляются приближенно по
логарифмическим амплитудно-частотным характеристикам.
Более совершенная структура регулируемого электропривода
(рис. 14.2) выполнена по системе подчиненного регулирования. При-
вод состоит из исполнительного двигателя Л4, тиристорного преобра-
зователя ТП и двух регуляторов. Регулятор скорости PC и тахоге-
нератор G образуют основной скоростной контур привода, регулятор
тока РТ и датчик тока относятся к подчиненному внутреннему токо-
вому контуру. Систему подчиненного регулирования выполняют из
стандартных элементов; она отличается простотой настройки и ре-
гулирования.
Рис. 14.2. Регулируемый электропривод, выполненный по схеме подчиненного
регулирования
Для настройки регуляторов электропривода, определения каче-
ства переходных процессов и быстродействия привода необходимо
иметь передаточные функции всех элементов, составляющих замкну-
тую систему автоматического регулирования скорости вращения.
Передаточная функция двигателя постоянного тока при управ-
лении в цепи якоря и неизменном значении потока возбуждения вы-
текает из операторных уравнений электрического и механического
равновесия:
У (Р) = е (р) + Rais (р) + Ьр1я (р).
М (р) — Ме(р) + J ра>.
Производя элементарные преобразования с учетом того, что М =
= ci и е = с®, получим
®= 1 + тмР (1 + тяр)и ~ ТрТ 1 + тмр(1 + ТяР) (14-
JR J
где Ти = — -рр-|--электромеханическая постоянная времени;
ТЬЯ л
я = — электромагнитная постоянная; р = ----жесткость ме-
ханическои характеристики электродвигателя; ka = —---статиче-
ский коэффициент преобразования.
Если упругость механической передачи привода не учитывается,
то в значение момента инерции J должны входить значения момента
231
инерции двигателя и приведенного к валу двигателя момента инер-
ции механизма. В соответствии с уравнением (14.1) структурная
схема двигателя постоянного тока представляет собой последователь-
ное соединение апериодического и интегрирующего звеньев (рис. 14.3),
охваченного внутренней обратной связью по угловой скорости или
ЭДС двигателя.
Тиристорный преобразователь приближенно может быть пред-
ставлен апериодическим звеном с передаточной функцией вида
где. Тц — постоянная времени, которая вкладывается из времени
запаздывания преобразователя т, связанного с тем, что управляющий
Рис. 14.3 Структурная схема двигателя постоянного тока
сигнал не вызывает мгновенного изменения выпрямленного напряже-
ния, и постоянной времени системы импульсно-фазового управления
(СИФУ) Тсифу.
Время запаздывания
T=l/2/nf,
где т — число фаз; f — частота сети.
Когда СИФУ выполнена на безынерционных элементах, Тсифу
не учитывают и Тц « т.
В современном электроприводе применяют унифицированные ре-
гуляторы, выполненные на базе полупроводниковых операционных
усилителей. Передаточная функция регулятора приближенно опре-
деляется отношением импедансов цепи обратной связи и входной
цепи усилителя:
Для коррекции частотной характеристики регулятора и устране-
ния самовозбуждения применяют частотно-зависимые цепочки
7?ftl—Сы и Chi. В конкретных типах усилителей вид корректирую-
щих цепочек может несколько изменяться.
Изменяя характер цепей z0 и zit получают различные типы стан-
дартных регуляторов.
В качестве датчиков скорости в электроприводе станков обычно
используют тахогенераторы постоянного тока. Они могут иметь си-
стему электромагнитного возбуждения или возбуждение от постоян-
ных магнитов. Наилучшие характеристики имеют тахогенераторы,
встроенные в исполнительный двигатель. Для уменьшения коллек-
232
торных и оборотных пульсаций на выходе тахогенератора включают
сглаживающий фильтр. Инерционность фильтра, а также индуктив-
ность якоря влияют на динамические свойства датчика скорости.
В результате этого передаточная функция тахогенератора
Постоянная времени ТтГ да 1 мс. В приводах со значительной
инерционностью ее можно не учитывать. Статический коэффициент
преобразования определяется крутизной характеристики тахо-
генератора и составляет 20—30 В на 1000 мин'1. Напряжение обрат-
ной связи должно быть пересчитано на вход задающего напряжения
регулятора скорости (см. рис. 14.2). В результате коэффициент пре-
образования цепи обратной связи по скорости будет равен
— гстг р •
^0. с
В некоторых случаях задающее напряжение на входе регулятора
скорости должно иметь унифицированное значение Пзад1пах — 10 В.
Это позволяет определить коэффициент kc, исходя из максимального
значения скорости ®огаах идеального холостого хода:
Ь __ ^зад шах
«с------ •
шо max
Если окажется, что крутизна характеристики тахогенератора
слишком велика и feTr > kc, то на выходе тахогенератора следует
поставить делитель напряжения.
В качестве простейшего датчика тока используют шунт с номи-
нальным падением напряжения 1)ш.ном = 45 или 75 мВ. Поскольку
такое напряжение недостаточно для функционирования в системе
управления привода, то в цепи обратной связи контура тока ставят
промежуточный усилитель. Коэффициент преобразования этого уси-
лителя ky. т определяют из следующих соображений. В статическом
режиме для регулятора тока справедливо уравнение £7задтах —
— ^оттах = 0 или Пзадтах — Мя. ото = 0- Откуда значение коэф-
фициента преобразования цепи обратной связи контура тока
», _ Uзад шах
«т — —- ,
* я. от с
где /я. ото —значение отсечки тока якоря, которое не должно пре-
вышать максимальной силы тока якоря, указанной в паспорте на
электродвигатель. Максимальное значение задающего напряжения
чаще всего соответствует унифицированному сигналу 10 В.
В свою очередь,
k — ь р ^1т
«•т ---------------------- ГСу, <г*'Ш п >
откуда, учитывая, что /?ш = ном , получим
'Я. отс
Ь _____ ^от ^зад max
У' 1 R1T Мщ. ном
£33
§ з. Динамика электромеханического привода
Механическая система электропривода представляет собой
многомассовую вращающуюся систему, содержащую упругие звенья
и элементы, создающие демпфирующие моменты трения. Рассмотрим
одно конкретное звено подобной системы (рис. 14.4). На массу с мо-
ментом инерции Jk действуют два
упругих момента Mk-i,k и Mk> ft+J,
пропорциональных углу закручи-
вания соответствующего
звена или разности углов поворота
двух масс:
Рис. 14.4. Многомассовая механи-
ческая система привода
упругого
Mk-t, k —
Alft, ft+i = (“ft — ®ft+i),
где ck_ltk и cft>ft+1—жесткости
упругих звеньев; ®ft, ®ft+i —соот-
ветственно углы поворота звеньев.
Кроме того, необходимо учитывать момент трения в элементах,
связанных с массой,
^тр k — Pft“ft
и моменты трения в упругих звеньях
М Тр k-i, ft = Pft-i, ft (®ft-i — “ft);
^тр ft, ft+1 ~ Pft, ft+i (“ft ®ft+l)-
В результате уравнение движения Л-й массы может быть запи-
сано так:
^lft-1, ft + Мтр ft_i, ft — Alft, k+i — Мтр ft, ft+l — AfTp ft = JkP®k-
Рассуждая аналогично, можно написать систему дифференциаль-
ных уравнений, описывающих многомассовую механическую систему
привода,
м — -у- (<Oj — <О2) — Р12 (cOj — <о2) — Р1О)! = Jiptoi,
А р’ (“ft-i — “ft) + Pft-i, ft (®ft-i — “ft) ~
; (14.2)
~ (“ft “ft+i) Pft, ft+i (“ft “ft+i) Pft“ft ~ JkP®kt
—n p’ ~ (“n-l — “n) 4“ Pn-1, n (®n-i “„) Pn“n Alc — Jnpo>n.
В расчетах электропривода удобно использовать понятие вход-
ного механического сопротивления, которое представляет собой
234
отношение операторных выражения момента в скорости вращения
вала двигателя:
7 (п\ — м
Ш1(р) *
Находим его, решая систему (14.2).
Понятие механического сопротивления может быть распростра-
нено и на отдельные элементы механической системы. При этом для
сосредоточенной массы
Zfe (p) = Pfe + J HP)
а для упругого элемента
Zk, л+1 (р) = Рл, fc+i + ——«
В системе СИ механическое сопротивление имеет размерность
Н-м-с.
Аналогично можно ввести понятие механической проводимости
У к = 1Л.
Для многомассовой системы входное механическое сопротивление
записывают в виде цепной дроби
1
1
^мех (Р) — -^l(p) Н- ------
У12 (р) Ч----------------->—
2г(р) + ... + -у—
Zn (Р)
имеет передаточная функция механической
(14.3)
Важное значение
системы по скорости
Wnl W «Oj (р) ’
которая также может быть легко определена при решении системы
линейных уравнений (14.2).
В практических расчетах электропривода обычно используют
эквивалентную приведенную механическую систему, в которой
имеются две вращающиеся массы с моментами инерции и J2,
соединенные между собой упругим звеном с эквивалентной же-
сткостью с12. Момент инерции Jr образован якорем двигателя с дета-
лями, непосредственно соединенными с ним (муфтами, промежуточ-
ными шестернями и т. п.). Момент инерции J2 представляет собой
эквивалентную величину, связанную с поступательно или враща-
тельно движущимися деталями станка (суппортом, столом, патроном
и закрепленной в нем деталью и т. д.).
Рассматривая действие моментов на двухмассовую систему,
можно записать
^4 р (®i ®г) Pi2 (®i — ®г) Pi®i — J
у- (®i - ®а) + Р12 (®1 - ®г) - 02®2 ~Ма = J2pa>2
(14.4)
235
или более лаконично в терминах механических сопротивлений
м - Z12 (®1 ~ ®2) = Zi©i; (14
Zi2 (®1 — ®я) — Мс = ^2^2»
где Zi = 014- Jip', Z2 — ^i2J2р~, Z12 = 0i2 + -^i+
Р
Системе уравнений (14.5) соответствует структурная схема меха-
нической системы, представленная на рис. 14.5. На схеме приведены
два апериодических звена и одно пропорционально интегрирующее
звено. Поскольку коэффициенты 0Ъ 02 и 0Х2 невелики, реальные
характеристики всех звеньев близки к интегрирующим.
В структурной схеме имеются две внутренние обратные связи:
по скорости со2 и по упругому моменту. Без учета демпфирующего
Рис. 14.5, Структурная схема двухмассовой системы
действия моментов сил трения собственная частота механических
колебаний двухмассовой системы
Q12 = У cl2 = yai+Ql,
где = У ~ и Й2 = У — собственные частоты колебаний
отдельных масс.
Входное механическое сопротивление двухмассовой системы мо-
жет быть найдено в формуле (14.3):
2Мех =21 +-----Ц- = Z1 + Z2 (14.6)
е12 -f. — z2 + z«
В простейшем случае без учета демпфирования
2Мех (Р) = J1P + JiP c^/p + ij = J1P [ 1 + l+p2/Q2 ] ’
где у = J J J i.
При синусоидальном воздействии с частотой Й
ZMexOQ) = = /W1 (1 + т^-) =
где v = Й/Й2 —относительная частота.
236
Если у мало, то влияние второй массы на работу привода незна-
чительно, и в дальнейших расчетах можно учитывать только момент
инерции
Механическое сопротивление двухмассовой системы, не имеющей
механического демпфирования, представляет собой чисто мнимую
величину. При v — 0 и v — /1 + у функция ZMex имеет нули.
Полюс функции находят при резонансной частоте v — 1.
Демпфирование уменьшает амплитуду колебаний и снижает соб-
ственную частоту, однако в целом колебательные свойства механи-
ческой системы сохраняются. Передаточную функцию по скорости
Рис. 14.6. Структурная схема электромеханического привода
двухмассовой системы легко найти из второго уравнения системы
(14.5). При Мс = 0 получим
tn\ _ (л) — ^12 (р)____P1Z ~Ь С1г/Р
21 (р) Zi (р) + Zla (р) ~ Ps + J2P + С12/Р ’
где 0Е — 02 + 012.
Анализируя уравнение (14.6)., можно заметить, что входное меха-
ническое сопротивление связано с 1Г21 простой зависимостью
^мех ~ 4" ^2^21.
При малом демпфировании годограф функции U72i представляет
собой окружность радиусом у/ J2r12, центр которой находится
на мнимой оси на расстоянии —(]/ J^i2/202) от начала координат.
Для настройки регуляторов тока и скорости необходимо иметь
аналитическое выражение передаточной функции объекта управле-
ния И7об (р) с учетом влияния механической системы станка.
Структурная схема электропривода, выполненного по системе
подчиненного регулирования с нагрузкой в виде многомассовой
механической системы, представлена на рис. 14.6. Динамика электро-
привода описывается системой уравнений (14.4) или (14.5) с добавле-
нием уравнения электрического равновесия
U си»! = (Дя -ф- Lgp) i — ZaL (14.7)
.237
Для объекта регулирования в контуре тока справедливо следу-
ющее выражение:
гов.к.т(р)=гп0>)4^-^
Операторное отношение i (p)!U (р) может быть найдено следующим
образом. Учитывая, что 1/с — i/M, умножим и разделим второе
слагаемое в левой части уравнения (14.7) на с. Получим
l/-c2-§-i = ZBi. (14.8)
Отношение представляет собой механическое сопротивление
7 (п) — M
- Wl(p) •
В результате из (14.8) получим
i (/>) _ 1 1
(Р) ZB + C2/ZMex 4" ^внос *
где ZtH00 — вносимое сопротивление, ZBBoc — c2/ZMex = с2Рме1.
Вносимое сопротивление характеризует кажущееся увеличение
сопротивления цепи якоря, вызванное влиянием механической си-
стемы привода. Влияние механического сопротивления видно из
структурной схемы контура тока (см. рис. 14.6), выделенного штри-
ховой линией из общей структуры привода. Окончательно для
объекта регулирования контура тока
^об. к. т (Р) - j + + ьяР + ZBHoc (р) •
После настройки регулятора тока и определения его параметров
выражение для передаточной функции контура тока может быть
найдено на основании рис. 14.6:
( ч _ 1 ^рт^об. К. т _ J_ / J ।_______________!______
“• т k-r 1 4- UZp. т^об.к. т Т^об. к. т
1 1
1 (1 4-7|jp) Гр. тр
1 4- "г-------,— (*я 4* ^внос/
«к. т 1 4- I р. тР
(14-9)
где т т^ц^т.
При подстановке численных значений параметров выражение
(14.9), как правило, может быть упрощено, что особенно целесо-
образно для дальнейшей настройки регулятора скорости.
Структурная схема контура скорости с учетом механической
системы станка также видна на рис. 14.6. Для объекта регулирова-
ния контура скорости
^об.
vp. с
М
но (Щ = —------ и /И = ci.
2мех
238
Следовательно,
или
^об. к. с (р) —
С j (р)
/мех ^Р- °
= Л0-^-Жк.т(р).
*мех
Foe.K.c(p)=*e^1FK.T(p).
Передаточная функция замкнутого контура скорости может быть
записана следующим образом:
^к.е(р)
1 W’p. 0^ об. к. е ______ 1 1
kc 1 + Wp, о^об. к. с *с 1 /мех
+ с^к.т
При использовании ПИ-регулятора скорости
цией
с передаточной функ-
получим
— k
р. с — гер. е
1 + Т'р. cP
Т’р. cP
«7 („\ _ Ю1 (р) _ _L_____________
к- °W t/эад (Р) . 1 /мехТр. с₽ !
+ 1+Тр.сР W'k.t
где р kpt
Выражение WH. 0 (р) представляет собой передаточную функцию
регулируемого электропривода', на основании которой могут быть
произведены все расчеты, связанные с определением динамических
характеристик. Если в механическую систему станка входят упругие
звенья, движение исполнительного органа станка во времени не
совпадает с движением вала двигателя.
Для многомассовой электромеханической системы передаточная
функция исполнительного органа станка по управляющему воздей-
ствию
^зад (Р) °зад \Р) ®1 \Р)
Отношение ®п (р)/®! (р) представляет собой передаточную функ-
цию механической системы по скорости и, как было показано ранее,
может быть найдено путем решения основной системы уравнений
(14.2), описывающей движение механической части электропривода.
В статическом режиме работа простейшего электропривода с ре-
гулятором скорости и узлом токоограничения в пределах линейности
характеристик описывается следующей системой уравнений:
, ,, М .
(О — «д1/я | Р | ’
Uя ~ &р. с^п (^зад U о. с)’,
С/о. С ==
Решая эту систему относительно скорости вращения и вала
двигателя и обозначая общий коэффициент преобразования разомк-
239
1
нутри системы электропривода £общ = kp, ofe„fea, получим статическую
механическую характеристику электропривода
m = П_________* ... М
1+Мобщ ЗВД |Р|(1 + Мобш)
Из этого уравнения легко определить жесткость механической
характеристики Р8аМк = I.₽| (1 + ^с&общ), которая, в свою очередь,
связана с диапазоном регулирования скорости электропривода
Г) — ЛИ
17 — иРзамк»
где 6 —допустимый статизм (статическая ошибка) системы электро-
привода; величина 6 может быть определена в соответствии с реко-
мендациями СЭВ, которые нормируют допустимое снижение скорости
привода под нагрузкой в зависимости от заданного диапазона регу-
лирования.
Статические характеристики электропривода, выполненного
по системе подчиненного регулирования, рассчитывают следующим
образом. В статическом режиме передаточная функция контура тока
с ПИ-регулятором тока может быть определена, если в выражении
(14.9) положить р = 0. В этом случае Ц7К. т |р=0 =-J-. Примем
для упрощения расчетов механическую систему станка абсолютно
жесткой (с12 = оо) и ZMex = Jp, где J — приведенный момент инер-
ции. При этих условиях получим выражение для механической
характеристики привода
с^р. с^к. т 1 _ Л
®’“ Jp + cW'p. cW'h. т/гс Сзая /p+^p.cW'K.Tfe0 ®° ®’
где Дю — статическая ошибка привода, которая зависит от пере-
даточной функции регулятора скорости:
Если в контуре скорости применен П-регулятор с передаточной
функцией Wv.B = kv.c, то статическая ошибка имеет конечное
значение Д® = feTMc/fep. DkDc.
Жесткость механической характеристики замкнутой системы
электропривода
о ckp. с^с
Рзамк = •
В соответствии с формулой (14.10) эта жесткость определяет вели-
чину диапазона регулирования электропривода.
Коэффициент преобразования регулятора скорости выбирают
из условий обеспечения динамического качества электропривода,
и он имеет небольшую величину. Поэтому жесткость механических
240
характеристик привода с П-регулятором скорости может оказаться
недостаточной для обеспечения большого диапазона регулировднияк.
В связи с этим в широкорегулируемом электроприводе применяют
ПИ-регулятор скорости с передаточной функцией
Ц7 = k * Ур- сР
^р. о-«р. о Гр ср •
Статическая ошибка такого электропривода стремится к нулю:
а механическую характеристику можно считать идеально жесткой
Фзамк -> °0)- Нижний предел регулирования скорости при этом
определяется только техническими возможностями исполнительного
двигателя.
§ 4. ТЯГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИВОДА ПОДАЧ
Тяговые устройства служат для перемещения подвижных
узлов станка по направляющим прямолинейного или вращательного
движения. Они являются последним звеном кинематической цепи
привода подач, вспомогательных движений или главного привода
(карусельные, протяжные, строгальные, долбежные станки).
Для осуществления прямолинейного движения используют:
механизмы: ходовой винт—гайка, зубчатое колесб—рейка
или зубчатый сектор—рейка, червяк—рейка, кулачковые, шатунные,
рычажные и другие механизмы;
гидравлические и пневматические двигатели типа поршень —
цилиндр;
электромагнитные устройства в виде линейно-развернутых
электродвигателей, бесконтактных электромагнитных передач,
соленоидов.
Вращательное движение может осуществляться зубчатыми, чер-
вячными, ременными, цепными, фрикционными и другими пере-
дачами.
Чтобы обеспечить в проектируемом станке высокие технико-
экономические показатели, такие, как производительность, точность,
надежность, тяговые устройства должны удовлетворять следующим
требованиям:
обеспечивать заданный закон перемещения и скорости; в пода-
вляющем большинстве станков скорость должна быть постоянной;
иметь высокий КПД;
обладать высокой жесткостью, которая является одной из глав-
ных характеристик тягового устройства и влияет на статические
и динамические погрешности исполнительного узла станка;
иметь малый момент инерции, что определяет быстродействие
привода и точность обработки;'
обладать высокой чувствительностью к малым перемещениям,
т. е. иметь способность осуществлять движения малые по пути ,или
скорости;
241
зазоры должны отсутствовать, особенно в тех случаях; когда
по характеру движения или действию внешней нагрузки имеет
место раскрытие стыков;
износ в процессе эксплуатации должен быть минимальным.
В зависимости от назначения станка, его конструкции и габарит-
ных размеров применяют различные виды тяговых устройств. ’
Пара винт—гайка скольжения отличается:
1) малым шагом при применении в качестве тягового устройства
однозаходных ходовых винтов, что обусловливает высокую редукцию
Рис. 14.7. КПД передач винт—
гайка качения (шариковых) (/)
и скольжения (2)
и малый крутящий момент на ходо-
вом винте:
где Q—тяговая сила; р—шаг
винта; т) — КПД винтовой пары;
И = tg(f+p) ’ Р — угол подъема
винтовой линии резьбы, лежащей на
среднем диаметре; р — 34-11° —угол
трения в резьбе; р = arctg р, р =
= 0,05-4-0,2 — коэффициент трения,
зависящий от скорости скольжения;
2) самоторможением при одно- и
двухзаходных винтах, что позволяет
применять эту пару для установоч-
ных движений под нагрузкой и для
вертикальных перемещений с целью
более надежной фиксации подвиж-
ного узла.
Недостатком передач винт—гайка
скольжения является наличие сме-
с ним изнашивание, а также низкий
шапного трения и связанное
КПД одно- и двухзаходных винтов (рис. 14.17).
Поскольку точность винтовой пары скольжения определяется
в основном винтом (износ гайки мало влияет на ее кинематическую
точность), материал ходового винта должен обеспечивать длительное
сохранение точности. Это достигается его высокой поверхностной
твердостью. Материал ходового винта и гайки выбирают в зависи-
мости от назначения винтовой пары, класса ее точности и требуемой
термообработки. Для их изготовления применяют следующие мате-
риалы:
азотируемые стали (40ХФА, 18ХГТ), которые после азотирования
на глубину 0,5 мм обеспечивают высокую износостойкость и стабиль-
ность размеров; HRC3 53—58;
высокоуглеродистые стали (8ХВ, ХВГ, 7ХГ2ВМ, У10А, У12А)
для неупрочненных ходовых винтов, подвергаемых объемной или
поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты;
HRCa 50—60;
242
ср.еднеуглеродистые стали (45, 50) для неответственных винтов;
гайки для ходовых винтов прецизионных станков изготовляют
из оловянистых бронз БрОФ 10-0,5 или БрОЦС 6-6-3; для неответ-
ственных передач — из антифрикционного чугуна; в целях экономии
оловянистой бронзы крупные гайки выполняют биметаллическими
(из стального корпуса и центробежным способом залитой бронзы,
на которой затем нарезают резьбу).
Ходовые винты выполняют со стандартной резьбой трапецеидаль-
ного профиля (угол профиля 30°). Преимуществом этой резьбы перед
резьбой прямоугольного профиля является возможность ее фрезе-
рования и шлифования; недостатком — возникновение погрешностей
шага при радиальном биении ходового винта станка и поперечных
колебаний от прогиба под действием собственного веса. В связи
с этим в прецизионных станках применяют резьбы с меньшим углом
профиля (10—20°). Другим направлением повышения точности
винтовых передач является применение в гайке центрирующих
втулок (рис. 14.8, а).
Для регулирования и устранения зазора в резьбе гайку выпол-
няют из двух частей, одна из которых' неподвижно прикреплена
к столу или суппорту, а другая может смещаться в осевом направле-
нии. Изменяя толщину прокладки 4, установленной между гайками,
в передаче можно полностью устранить зазор. Однако в процессе
эксплуатации или изнашивания резьбы гаек и винта необходимо
периодически производить регулировки. Применяют и другой способ
устранения зазора в передачах, когда при неизменном осевом рас-
положении гаек изменяется их относительное угловое положение.
Длинные ходовые винты могут быть составными для того, чтобы
обеспечить надежное и точное соединение отдельных секций, длину
которых выбирают от 600 до 1500 мм. Наибольшее распространение
получили ходовые винты диаметром от 20 до 60 мм, в тяжелых стан-
ках встречаются винты диаметром до 200 мм.
Передачи винт—гайка скольжения рассчитывают на износо-
стойкость. Расчет сводится к вычислению среднего давления на рабо-
чих поверхностях резьбы
р = ./77,-75-> (1412)
r ndHLz/P ’ ' '
где Q —тяговая сила; d —средний диаметр резьбы; Н —рабочая
высота профиля резьбы; L —длина гайки; z —число заходов
резьбы; Р — шаг винтовой линии резьбы.
В зависимости от требований, предъявляемых к точности винто-
вой пары, допускаемые значения средних давлений для передач
винт—гайка скольжения не должны превышать 3—12 МПа.
Передача винт—гайка качения является основным видом тяго-
вого устройства для станков с числовым управлением. Механизмы
винт—гайка качения используют в приводе подач столов, суппортов,
траверс почти всех станков малых и средних размеров, а также
и некоторых тяжелых станках. Другой областью широкого при-
менения механизмов является привод подач обычных станков, не
243
оснащённ^ыхбйстемамй’ Числового управления, таких, как фрезерные,
токарйыё, ^расточные; сверлильные, шлифовальные,' зубообрабаты-
вйющие, резьбообрабатывающие, агрегатные станки автомати-
ческих линий, копировальные и т. д. Причиной этого является высо-
кая Жёсткость й беззазорность соединения винт—гайка, снижающие
Рис, 14.8. Передачи винт—гайка:
а — скольжения: 1 — винт; 2, 5 — гайки; 3 —* центрирующие втулки; 4 — прокладка?
б — качения: 1 — винт; 2 — гайка; 3 — шарики; 4 — канал возврата; в — кинематическое
соотношение скоростей; г — скорость винта; — скорость центров шариков
вибрации, существенно уменьшающие изнашивание и поломки режу-
щего инструмента, повышающие чистоту и точность обработки.
Иногда передачи винт—гайка качения применяют в приводе глав-
ного движения станков с возвратно-поступательным движением,
в частности, в протяжных (при небольшой силе протягивания).
Основными преимуществами механизмов винт—гайка качения
являются:
возможность передачи больших усилий;
244
низкие;потери на трение; КПД этих механизмов составляет 0,9—
0,95 по сравнению с 0,2—0,4 для передач винт—гайка скольжения;
малый крутящий момент на ходовом винте вследствие высокого
КПД [см. формулу (14.11) J;
возможность полного устранения зазора в механизме и создания
натяга, обеспечивающего высокую же-
сткость;
почти полная независимость силы
трения от скорости и весьма малое
трение покоя, что способствует обе-
спечению устойчивости (равномерности)
движения;
высокая точность за счет создания
предварительного натяга;
малая изнашиваемость, а следова-
тельно, длительное сохранение точно-
сти; малое тепловыделение, снижа-
ющее температурные деформации винта
и повышающие точность обработки;
высокая чувствительность к микро-
перемещениям.
К недостаткам передач винт—
гайка качения следует отнести отсут-
ствие самоторможения, сложность из-
готовления, высокую стоимость, не-
сколько пониженное демпфирование,
а также необходимость надежной за-
щиты от стружки и пыли.
Минимальный диаметр винтов 6—
8 мм; максимальный 120—150 мм; длина
достигает 10—12 м; статическая грузо-
подъемная сила более 1000 кН (шари-
ковые), 2000—3000 кН (роликовые);
динамическая грузоподъемная сила бо-
лее 200 кН (шариковые), 300—520 кН
(роликовые). Рис. 14 g Профили резьбы вин-
Шариковая передача состоит из та и гайки шариковых винто-
винта 1 (рис. 14.8, б), гайки 2, комп- вых пар
лекта шариков 3, расположенных в вин-
товых канавках винта и гайки, канала 4 для возврата шариков.
Как и в шарикоподшипниках, шарики имеют линейную скорость
в 2 раза меньшую, чем винт (рис. 14.8, в). Канал возврата, соеди-
няющий первый и последний (или промежуточный) витки гайки,
обеспечивает возможность непрерывной циркуляции тел качения.
Получили распространение следующие профили резьбы винта
и гайки: полукруглый (рис. 14.9, а), арочный с двухточечным кон-
тактом (рис. 14.9, б), арочный с четырехточечным контактом
(рис. 14.9, в). Профиль резьбы задают в нормальном сечении, перпен-
дикулярном винтовой линии, проходящей через центры шариков.
245
По примеру шарикоподшипников соотношение радиусов шарика
и желоба для полукруглого и арочного с двухточечным контактом
профилей = 0,954-0,97. Для арочного профиля с четырех-
точечным контактом гх/г2 = 0,834-0,87 из-за резкого возрастания
сил трения при увеличении натяга. Угол контакта а в большинстве
случаев равен 45°. При малых углах контакта передача имеет низкую
осевую жесткость и нагрузочную способность, так как даже не-
значительная осевая нагрузка вызывает большие радиальные силы.
С увеличением угла контакта повышается нагрузочная способ-
ность и жесткость передачи, а также снижаются потери на трение.
Широкое распространение в станкостроении получили профили
с двухточечным контактом. Применение таких профилей обеспечивает
наименьшее изнашивание передачи, хотя конструкция гайки для
создания натяга в этом случае должна быть выполнена из двух ча-
стей. Четырехточечный контакт позволяет осуществить передачу
без зазора или с натягом путем подбора шариков по диаметру. Ароч-
ный профиль с двухточечным контактом более удобен для измерения,
чем полукруглый, и обеспечивает при зазоре h в несколько микро-
метров точное положение шариков при входе их в рабочую зону, что
повышает плавность работы передачи.
Конструктивные исполнения устройств возврата шариков могут
быть сведены к двум основным группам.
К первой группе относятся механизмы, в которых шарики при
возврате не выводятся каналом возврата из контактирования с по-
верхностью винта, а лишь направляются из впадины одного витка
во впадину соседнего, куда они попадают, переваливаясь через
выступ резьбы винта (рис. 14.10, а); канал возврата шариков, соеди-
няющий два соседних витка резьбы, выполняют в специальном
вкладыше, который вставляется в окно гайки; в большинстве случаев
в гайке делают три, четыре и шесть окон, расположенных соответ-
ственно под углом 120, 90, 60°; вкладыши и окна могут иметь раз-
личную форму (продолговатую, круглую и т. д.).
Ко второй группе относятся механизмы, в которых шарики
при возврате выводятся отражателями из контактирования с поверх-
ностью винта и направляются по каналу возврата, расположенному
в теле гайки (см. рис. 14.8, б); в качестве каналов возврата исполь-
зуют изогнутые трубки, профрезерованные снаружи или с торцов
гайки пазы, просверленные осевые отверстия и т. д.
При двухточечном контакте тел качения все способы устранения
зазора и создания натяга сводятся к изменению взаимного располо-
жения двух гаек. Возможны два основных случая регулирования
натяга: регулируется относительное осевое расположение гаек при
неизменном угловом (рис. 14.10, б); регулируется угловое взаимное
расположение гаек при неизменном осевом (рис. 14.10, а). Сила
натяга может создаваться за счет деформирования контактирующих
рабочих тел и деформирования пружин. В станках применяют пер-
вый способ, так как передача в этом случае воспринимает большие
осевые нагрузки в обе стороны и обеспечивает высокую жест-
кость.
246
Основными требованиями; предъявляемыми к устройствам регу-
лирования натяга, являются: возможность малых перемещений гаек
в корпусе в осевом или угловом направлении без разборки узлов
станка и надежная фиксация гаек после регулировки натяга.
Вид 5
-С-ф—fyfr- Я
Рис. 14.10. Устройство возврата шариков:
а — первой группы: 1 — корпус; 2, 3 — полугайки; 4 — вкладыш; 5 — уплотиеиие; 6 —
виит для регулирования натяга; 7 — ходовой вннт; б — второй группы; 1,2— полугайки;
3 « прокладка; 4 — шпоика; 5 — канал возврата; 6 — ноц&ъсЛ винт
В конструкции, приведенной на рис. 14.11, гайки снабжены
зубчатыми венцами, входящими в соответствующие внутренние зуб-
чатые венцы съемных колец, укрепленных на торцах корпуса. Число
зубьев венцов различается на единицу, благодаря чему при повороте
гаек в одну сторону на один зуб осевое перемещение их профилей
резьбы может составить 1 мкм. В приведенной на рис. 14.10, б кон-
247
Рис. 14.11. Привод подач станка с числовым управлением:
1 — двигатель; 2 — кронштейн; 3 •- соединительная муфта (сильфон); 4 — шариковый винт; 5 — шариковая гайка; 6 — суппорт;
7 — защитная гармошка
248
струкции натяг регулируют за счет изменения толщины прокладки,
расположенной между гайками и состоящей из двух частей. Неизмен-
ное угловое положение гаек фиксируется двумя шпонками. В кон-
струкции, показанной на рис. 14.10, а, предусмотрен поворот одной
из гаек на небольшой угол винтами, расположенными во фланце
корпуса.
Для обеспечения работоспособности и точности передачи к мате-
риалам винта и гайки предъявляют следующие требования: твер-
дость рабочих поверхностей должна быть не ниже HRC3 58—60;
упрочненный слой при применении закалки с нагревом ТВЧ, азоти-
рования, цементации должен иметь определенную толщину, чтобы
обеспечивать восприятие контактных напряжений без продавлива-
ния; постоянство размеров и формы винта при эксплуатации.
Высокая твердость рабочих поверхностей винта и гайки и каче-
ственная сборка передачи гарантируют их высокие износостойкость
и долговечность. В отечественной практике для изготовления винтов
применяют сталь 8ХФ с закалкой с нагревом ТВЧ по профилю
резьбы (до HRC3 58—62), глубина 1,5—2 мм; для гаек —инструмен-
тальные стали 9ХС, ШХ15 (твердость в тех же пределах).
Расчет тягового устройства привода подач станка с числовым
управлением (см. рис. 14.11) следует начинать с анализа технологи-
ческого процесса и выявления составляющих сил резания, действу-
ющих на каждой операции. Затем необходимо определить силы
тяги в приводе (для каждой оси координат), выделить из них макси-
мальные, промежуточные и минимальные по величине.
Для привода подач токарного станка по оси Z (оси шпинделя)
выделяют, например, следующие основные силы: нагрузку при
более тяжелых условиях обработки (черновом точении), которую
принимают с некоторым запасом на случай отклонений от нормаль-
ных условий работы; нагрузку при наиболее часто встречающихся
условиях обработки (получистовом и чистовом точении); нагрузку
при быстром обратном ходе суппорта после обработки. Одновременно
с нагрузками следует определить также время их действия исходя
из расчетного срока эксплуатации станка и статистических данных
обработки деталей.
Расчет винта на устойчивость. Диаметр винта, см, рассчитывают
по формуле Эйлера
(14.13)
где F — максимальная продольная сжимающая сила; р — коэффи-
циент, учитывающий характер заделки концов винта; I — макси-
мальное расстояние между гайкой и опорой винта, см; Е — модуль
упругости первого рода.
Основные способы заделки концов винта: один конец жестко
защемлен, а второй свободен (р = 2); оба конца размещают на
шарнирных опорах (р = 1); один конец защемлен, а другой раз-
мещен на шарнирной опоре и может смещаться в осевом направлении
249
(р. = 0,707), см. рис. 14.11; оба конца защемлены (р = 0,5). Чаще
всего в станках применяют два последних способа заделки опор.
Расчет по критической частоте вращения. При высокой частоте
вращения винт может потерять устойчивость движения, что вы-
ражается в появлении вибрации при некоторой критической частоте.
На каждый элемент dx вала действует центробежная сила Fu6 =
nMstydx, где т — масса единицы длины винта; со — угловая^
скорость; у — прогиб винта. Считая эту силу равномерно распре-
деленной нагрузкой, получим
EJ0 d*y »
—= тару,
g3 dx4 г7’
где /0 — момент инерции сечения винта.
После решения этого уравнения и преобразований получим
d0 = 10-7р/2лв, (14.14)
где пв —частота вращения винта, мин-1;
„ . . ^х.х.
"в-----р ’
где k = 1,24-1,25 —коэффициент несовпадения частоты вращения
винта с частотой его собственных колебаний; х — скорость вспо-
могательного перемещения, м/мин; р —шаг виита, мм.
Расчет на жесткость. Диаметр винта зависит от жесткости
привода и его элементов. Податливость привода
4-=J-+J-+4-,
I /в /м /п
(14.15)
где /в —жесткость винта; /м—жесткость винтового механизма;
/п — жесткость опор винта (подшипников, кронштейнов и т. д ).
При выборе жесткости привода прежде всего должна быть при-
нята во внимание его динамика. Как показал опыт эксплуатации
станков с числовым управлением, для отсутствия резонанса и обеспе-
чения необходимого запаса устойчивости собственная частота коле-
баний механической части привода должна не менее чем в 3—3,5 раза
превышать частоту импульсов замкнутой следящей системы кон-
троля. Последняя обычно составляет 10—25 Гц (меньшие значения
для крупных станков, большие —для средних и мелких).
Задавшись собственной частотой /0 колебаний стола и суппорта,
можно определить необходимую жесткость привода, перемещающего
одномассовую систему с одной степенью подвижности,
/ = (2л/0)2 (14.16)
где mY — масса перемещаемой системы- (узла, винта, детали).
Зная жесткость / привода, из уравнения (14.14) можно опре-
делить необходимый диаметр винта d6. Для винта, один конец кото-
рого защемлен, а второй размещен на шарнирной опоре,
. _ ndfiE
Ь-------4i~'
(14.17)
250
Для винта, у которого оба конца, закреплены и воспринимает,
осевую нагрузку, минимальная жесткость
__ ndg£
(14.18)
Жесткость шарикового винтового механизма с предварительным
натягом и возвратом шариков через вкладыш (при Гу/г2 ~ 0,96;
djp — ОД угле контакта а = 45° и Е = 2,1-10* кН/см2)
/м = 6А6гг (А - 1) VKS, (14.19)
где k6 = 0,34-0,5 — коэффициент, учитывающий погрешности изго-
товления гайки и упругие деформации в ней и на ее стыках; ip —
число рабочих витков в гайке; rtw — радиус и диаметр шарика;
г2 — радиус профиля резьбы; Рп — сила натяга, даН, приходящаяся
на один шарик; d0 и S — в см.
Минимально допустимая сила натяга, приходящаяся иа один
шарик, которая гарантирует отсутствие зазора в механизме при
действии на винт продольной нагрузки Q,
р =_______________________________2______
н min 2KzzBir sin а ’
(14.20)
где Kz — 0,84-0,9 — коэффициент, учитывающий погрешности шага
резьбы и конусность гайки; zB — число рабочих шариков в одном
витке гайки.
Максимально допустимая сила натяга, приходящаяся на один
шарик, при действии на винт нагрузки Q
/>нтах = ^доп(1 -0,55-А-), (14.21)
х чдоп /
где Рдоп — предельно допустимая статическая нагрузка на один
шарик; Рдоп = Код}', здесь — коэффициент, зависящий от до-
пустимого контактного напряжения он; при он = 2500, 3000, 3500
и 3800 МПа коэффициент = 2; 3,5; 5,5 и 6,2 соответственно; сле-
довательно, Qnon = Кг2вггРД0П sin а.
Для шариковых винтовых механизмов обычно принимают он =
~ 35004-3800 МПа. Предварительный натяг Рн можно выбирать
в пределах от PHmln до Рн max в зависимости от требуемой жесткости
и долговечности шарикового винтового механизма, а также учитывая
влияние тепловых деформаций винта на точность станка и тип дат-
чика обратной связи. Обычно Рн = (1,54-2) Рнт1п
Приближенно жесткость опор винта
/п = Мо. (14-22)
где ев — 5, 10 и 30 для радиально-упорных, шариковых упорных
и роликовых упорных подшипников соответственно.
Тип опор винта выбирают исходя из условий жесткости, долго-
вечности, частоты вращения винта и тепловых деформаций.
Расчет на долговечность и статическую прочность. При расчете
Диаметра винта из условия долговечности определяют эквивалентную
251
нагрузку FeHB и эквивалентную частоту пэкв вращения, которые об-
условливают такую же усталостную прочность элементов механизма,
что и все переменные нагрузки. Этот расчет аналогичен расчету
подшипников качения на долговечность:
р _ /У ~Ь Frfyfz 4 ' •' + f nMn .
8КВ |/ «1^1 4 n2t2 + • • • + nntn ’
„ Л41 + П2^2 + • • + nntn
вкв~ G 4 t2 4 • • 4 tn ’
где Flt F2, Fn — осевые нагрузки (с учетом предварительного
натяга), действующие на механизм; пг, ла.......пп — частота вра-
щения винта или гайки при действии нагрузок; tlt t2, ..., tn — про-
должительность действия нагрузки, выраженная в процентах (^ 4
X t2 4 ... 4- tn = 100 %).
Продолжительность работы шарикового винтового механизма, об.,
£ = 10®, (14.24)
(14.23)
\ гэкв '
где См — динамическая грузоподъемность (постоянная осевая на-
грузка, которую может выдержать механизм в течение 106 оборотов).
При испытании винтового механизма в течение 10® оборотов при-
нимают время работы Lh — 500 ч, п = 33мин-1. С учетом харак-
тера нагрузки и твердости винтовых поверхностей из формулы (14.24)
находим
(14.25)
р__ /_£_А 3 экв _ ( ^-Лпэкв \ 3 Fэкв _ fhfw Fэкв
^106' ‘г I 500-33-t) ‘г fnfa ‘г
\ О /
3 / г~
з/тг 1/33 т
где /==1/-еЛ-; /п = ' -----; С—динамическая грузоподъемность
F DUU ЛЭкп
одного витка резьбы; /ц? — коэффициент, учитывающий характер
нагрузки; при равномерном вращении без ударных нагрузок fw =
= 1,04-1,2; при средних условиях работы fw ~ 1,24-1,5; при вра-
щении с частыми ударными нагрузками fw — 1,54-2,5; для металло-
режущих станков, учитывая разгоны, торможения и обработку
с вибрациями, можно принять fw = 1,2; /н — поправочный коэф-
фициент, учитывающий твердость материала; при HRCa 58—60
/и = 1; при HRCa — 55 /„ == 0,7; при HRCa = 50 fH — 0,5.
При назначении срока службы винтового механизма Lh (ч) сле-
дует учитывать загруженность станка, его размер, степень сложности
сборки и разборки, стоимость, моральное старение и т. д. Однако
излишне большой запас по долговечности обусловливает увеличение
габарита и стоимости привода. Поэтому продолжительность работы
ориентировочно принимают 10 000 ч для металлорежущих станков,
4000 ч — для промышленного оборудования, 15 000 ч — для систем
автоматического управления и измерительного оборудования. Опре-
252
Рис. 14.12. Гидростатическая пере-
дача винт—гайка:' ' : <
1 подача масла под Давлением; Z —
дроссели; 3 — слив масла; 4 — карманы
делив динамическую грузо-
подъемность одного витка по
формуле (14.25), по каталогу
подбирают винтовой механизм
с нужным диаметром винта.
Динамическую грузоподъем-
ность С определяют экспери-
ментально. Для механизмов
с возвратом шариков через
вкладыш может быть предло-
жена следующая приближенная зависимость: С = (0,24-0,4) Со, где
Со — статическая грузоподъемность рабочего витка резьбы. Эта
зависимость является одним из основных показателей качества
винтовых механизмов качения. Статическая грузоподъемность
со — Kadx (ndo — Зр) Kz sin а cos Р, (14.26)
где Р — угол наклона винтовой линии.
Гидростатическая передача винт—гайка реализуется путем по-
дачи масла под давлением от насоса в специальные карманы, вы-
полненные на поверхности витков резьбы гайки (рис. 14.12). Преиму-
ществами гидростатической передачи являются:
простота технологии изготовления по сравнению с передачами
винт — гайка качения (винт может быть незакаленным);
изнашивание в передаче полностью отсутствует;
передача фактически является беззазорной, так как зазор резьбы
заполнен масляным слоем, жесткость которого прн определенных
условиях весьма высока;
КПД до 0,99 (без учета мощности насоса, нагнетающего масло);
хорошее демпфирование, возможность работы при ударных на-
грузках.
К недостаткам гидростатической передачи следует отнести слож-
ность системы смазывания, отсутствие самоторможения, необходи-
мость стабилизации температуры масла для снижения температурных
деформаций винта. Из-за отсутствия существенных преимуществ
по сравнению с передачами винт—гайка качения гидростатические
передачи пока широкого распространения не получили.
Согласно уравнению (14.15) жесткость тягового устройства не
может быть больше жесткости звена с максимальной податливостью.
У крупных станков с увеличением длины винта жесткость jB умень-
шается. Для сохранения требуемой жесткости привода можно уве-
личить диаметр винта, но при этом увеличиваются мощность, габа-
ритные размеры и стоимость привода. Поэтому при значительном
перемещении (5—6 м и более) исполнительного механизма экономи-
чески целесообразно применять пару шестерня—рейка или червяк—
рейка.
253
Зубчато-реечные передачи применяют в приводе подач крупных
станков, в том числе с числовым управлением при большой длине
перемещения, и в приводе главного движения (в продольно-стро-
гальных, долбежных станках). Достоинствами этих передач яв-
ляются:
малые потери на трение и высокий КПД;
технологичность изготовления и сборки пары зубчатое колесо-4
рейка, что обеспечивает низкую стоимость.
*)
Рис. 14.13. Зубчато-реечная передача:
1 — распределительный вал; 2, 3 — косозубые колеса; 4 — приводное колесо; 5 — гндро-
цилиндр; 6, 7 реечные колеса; 8 — рейка
К недостаткам следует отнести:
малую редукцию по сравнению с винтовыми парами: за один
оборот зубчатого колеса рейка перемещается на длину начальной
окружности этого колеса, что снижает точность работы станка при
контроле угла поворота зубчатого колеса;
отсутствие самоторможения;
сравнительно высокая упругая податливость механизма.
В станках с числовым управлением для выборки зазоров в пере-
даче и создания предварительного натяга между звеньями, суще-
ственно повышающего крутильную жесткость, применяют развет-
вленные кинематические цепи со специальными нагрузочными уст-
ройствами (рис. 14.13, а) или две независимые кинематические цепи
с приводом от разных двигателей (рис. 14.13, б), один из которых
(основной) работает в двигательном, а второй (зависимый) — в тор-
мозном режиме. Зависимый привод следует за основным таким
образом, чтобы выбрать зазор в передачах. В зависимости от напра-
вления перемещения каждый из приводов может быть основным или
254
зависимым. Такая конструкция позволяет развивать большие уско-
рения с меньшей затратой мощности по сравнению с конструкцией,
приведенной на рис. 14.13, а. Конструкция нагрузочного устройства
для выборки зазоров и создания предварительного натяга показана
на рис. 14.13, в. Зазоры выбираются за счет осевого смещения рас-
пределительного вала, несущего два косозубых колеса с зубьями
разного направления, которые разворачивают реечные зубчатые
колеса в противоположные стороны.
Осевое перемещение распределительного вала может осуще-
ствляться от гидроцилиндра или пружин.
Передачи зубчатое колесо — рейка рассчитывают так же, как
и зубчатые передачи.
Гидростатические червячно-реечные перадачи. Передачи чер-
вяк—рейка аналогичны передачам винт—гайка (рейка представляет
собой часть длинной гайки, вырезанной плоскостями, проходящими
через ее ось). Смазочный материал подается под давлением в карманы
либо через червяк, либо через каналы в корпусе рейки. В первом
случае карманы выполняют на боковых поверхностях витков резьбы
червяка, а во втором — на боковых поверхностях рейки.
Гидростатические передачи червяк—рейка эффективно исполь-
зуют в приводах подач крупных фрезерных, расточных, портально-
фрезерных и других станков с числовым управлением. По сравнению
с зубчато-реечными передачами они обладают большей редукцией,
жесткостью и хорошим демпфированием.
Передача червяк—рейка качения представляет собой короткий
шариковый винт (рис. 14.14), который в результате вращения пере-
мещается по длинной червячной рейке, укрепленной на станине
станка. Возврат шариков осуществляется через канал, расположен-
ный в теле червяка. Передача обладает сложной технологией изго-
товления (шлифование резьбы секций реек длиной 200—300 мм),
а также сложным монтажом (непараллельность направляющих
станка оси рейки не должна превышать 5—8 мкм на всей длине
хода). По этим причинам шариковые передачи червяк—рейка пока
широкого распространения не получили, но по мере совершенство-
вания область их использования будет расширяться. Достоинством
передачи качения перед гидростатической передачей червяк—рейка
является отсутствие системы смазывания и меньшие температурные
деформации.
Кулачковые механизмы широко применяют в качестве тяговых
устройств привода станков-автоматов. Область применения кулачко-
вых механизмов ограничена величиной хода, зависящей от габаритов
кулачка. Применяют дисковые, цилиндрические кулачки с силовым
или кинематическим замыканием.
Электромеханические тяговые устройства находят ограниченное
применение. Линейно-развернутые электродвигатели и электромаг-
нитные передачи винт—гайка применяют в станках и вспомогатель-
ных, транспортных устройствах с небольшим усилием перемещения.'
Устройства микроперемещений применяют в станках, предна-
значенных для финишной обработки точных деталей, в системах
255
автоматического регулирования и адаптивного управления для осу-
ществления малого импульса движения, измеряемого десятыми
долями микрометра. Существуют устройства микроперемещений.,
Рис. 14.14. Шариковая пере-
дача червяк—рейка:
1 — червяк; 2 — опора червяка;
3 червячная рейка; 4 — станина;
5 — шарики; 6 — канал возврат»;
7 кожух; 8 — крышка; 9 —/
приводная шестерня; 10 — шпонка;^
11 — трубка; 12 — вкладыш
Рис. 14.15. Кинематическая схема бес*
центрового круглошлифовального ?
станка с устройством микроперемё-
щений:
/ — бабка ведущего круга; 2 — бабка
шлифовального круга; 3 — шариковая
винтовая передача; 4 — шаговый двига-
тель; 5 — редуктор; 6 — каретка; 7 —
гидроцнлиндр; 8 — упор
использующие различные физические и механические свойства тел:
упругосиловой, магнитострикционный, тепловой, гидростати-
ческий приводы. Наибольшее распространение в станках получил
256
электромеханический привод, например, с шаговым двигателем
и передачей винт—гайка качения (рис. 14.15). Быстрый подвод
каретки 6 шлифовального круга бесцентрового круглошлифоваль-
ного станка осуществляется гидроцилиндром 7 ro упора 8. Рабочая
подача бабки 2 производится от шагового двигателя 4 через без-
зазорный редуктор 5 и шариковую винтовую передачу 3. При износе
шлифовального круга контрольный автомат, измеряющий диаметр
, обработанных деталей на выходе станка, дает шаговому двигателю
команду на подналадку. Величина подналадочного импульса обычно
составляет 0,3—0,5 мкм. В качестве редуктора используют червяч-
ные или волновые передачи.
ГЛАВА 15 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД СТАНКОВ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Гидравлический привод в большинстве случаев имеет
более низкий коэффициент полезного действия по сравнению со мно-
гими механическими передачами и, как весьма сложный, требует
более квалифицированного обслуживания. Потери энергии в гидро*
приводе.связаны с затратами на преодоление внутреннего трения
и утечек рабочей среды через зазоры и уплотнения. Применение
жидкостей с небольшой вязкостью способствует увеличению утечек,
а стремление уменьшения утечек приводит к тщательной пригонке
сопрягаемых деталей гидравлических машин и аппаратов. Все это
отражается на стоимости и трудоемкости изготовления этих приводов.
Применяемые в качестве рабочей среды минеральные масла огне-
опасны, а заменители его имеют, как известно, худшую смазыва-
ющую способность. Часто неквалифицированное обслуживание при-
водит к загрязнению окружающей среды.
Требования повышения производительности и гибкости в упра-
влении оборудованием приводят к необходимости повышения быстро-
действия приводов и гибкости управления ими. Повышение быстро-
действия определяет необходимость повышения энергоемкости при-
вода и напряженности рабочей среды в направлении передачи
движения.
Наибольшую напряженность имеют механические приводы (20—
200 МПа). Управление механическими приводами весьма громоздко
и осуществляется либо регулированием за счет источника энергии,
либо посредством развитых коробок скоростей.
Гидравлические приводы имеют напряженность 6—100 МПа и до-
пускают достаточно гибкое управление за счет регулирования потока
жидкости гидравлическими устройствами, имеющими различное
управление, в том числе и электронное.
Электрические приводы имеют напряженность 0,5—1,0 МПа,
они преобразуют электрическую энергию непосредственно в механи-
ческую и обладают возможностью гибкого управления.
9 П/Р В. Э. Пуша 257
Пневматические приводы имеют напряженность такую же, как
и электрические (0,6—1,0 МПа), но по сравнению с последними
обладают незначительной инерционностью и более низким КПД.
Применению гидравлического привода в металлообрабатыва-
ющем оборудовании способствуют такие его особенности:
он позволяет весьма просто осуществлять бесступенчатое регули-
рование скорости вращения или перемещения исполнительных
органов;
местоположение источника энергии (насосной станции) во многих
случаях не оказывает существенного влияния на компоновку испол-
нительных органов на станке или устройстве;
компактность и малая инерционность гидравлического привода
позволяют легко и быстро изменять направление движения испол-
нительного органа; так, реверс гидравлического мотора мощностью
3,75 кВт при частоте вращения 2500 циклов/мин (42 цикла/с) может
осуществляться за 0,02 с;
применение несложной гидравлической и электронной аппара-
туры позволяет стабилизировать работу привода вне зависимости
От величины нагрузки и температуры, а также предохранить привод
от поломок при его перегрузке;
если в качестве рабочей среды используют минеральные масла,
то детали привода работают в условиях хорошей смазки, что способ-
ствует долговечности и надежности работы привода.
§ 2. РАБОЧАЯ СРЕДА И УПЛОТНЕНИЯ
В качестве рабочей среды в гидроприводах станков при-
меняют минеральные масла или жидкости на нефтяной основе,
водные эмульсии и искусственные жидкости. Наиболее широко
используют минеральные масла. Водные эмульсии применяют в при-
водах оборудования, которые работают в пожароопасных условиях.
Искусственные жидкости используют в приводах специального
назначения, работающих в широком диапазоне изменения темпе-
ратуры. Они дорогие и обладают худшими, чем минеральные масла,
смазывающими свойствами.
Физические свойства жидкостей. Рассмотрим основные из них.
Плотность жидкости (кг/м3) — отношение массы жидкости к ее
объему: р = mJV. Она зависит от изменения температуры dt и давле-
ния dp:
р =_______PS______,
f 1 +р/ dt-^pdp ’
где р0 — начальная плотность, кг/м3; р( — коэффициент температур-
ного расширения (для масел, имеющих плотность от 700 до 900 кг/м3,
меняется от 0,82-10 3 до 0,6-10-3); — коэффициент сжатия
жидкости; зависит от содержания в масле воздуха (с повышением
давления до 100 МПа уменьшается на 30—40 %, при давлении выше
300 МПа — стабилизируется), для легких минеральных масел при
температуре 293 К и атмосферном давлении изменяется от 74-10'11
до 54-10'11 ма/Н.
258
Модуль упругости — величина, обратная коэффициенту сжатия
жидкости Е — Для легких минеральных масел модуль упру-
гости колеблется от 1350 до 1750 МПа.
Растворимость газов в жидкости зависит от давления на поверх-
ности раздела. Газы, находящиеся в жидкости в растворенном
состоянии, не оказывают существенного влияния на механические
свойства жидкости. Но, если в какой-либо части системы привода
давление жидкости по каким-либо причинам уменьшится, то раство-
ренные газы выделяются из жидкости в виде пузырьков, которые
уменьшают ее модуль упругости. Количество растворенного воздуха
в минеральном масле изменяется с изменением давления
V=kV —
где VB — объем растворенного воздуха при атмосферном давлении
и нулевой температуре (273 К); — объем минерального масла;
Рн- Рк — начальное и конечное давление газа на поверхности раз-
дела; kv — коэффициент растворимости воздуха в минеральном
масле, fep = 0,074-0,10.
В обычных условиях нарушение сплошности потока минераль-
ного масла из-за наличия растворенного воздуха и газа возникает
при давлении (разряжении) —0,03ч 0,032 МПа.
Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление отно-
сительному сдвигу частиц жидкости. По гипотезе Ньютона сила
трения т, приходящаяся на единицу площади, прямо пропорци-
ональна плотности, градиенту скорости и зависит от вязкости жидко-
сти, т. е.
dv
Т = ± VP -7- ,
— r dy
где v — коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
Вязкость изменяется при изменении температуры и давления.
Теоретических зависимостей этих изменений нет, используют эмпи-
рические
v = vee~Kr <г-го); v = voeS (р~ро),
здесь индексом «0» помечены начальные значения;
V = 0,02 4- 0,03; = 0,002 ч- 0,003.
Индекс вязкости iv характеризует степень изменения вязкости
в зависимости от изменения температуры:
. _' 1 dv
tv~~dT'
Для минеральных масел обычно iv — 0,064-0,02. Чем меньше i'v,
тем более пологая кривая изменения вязкости в зависимости от
изменения температуры.
9* 259
Вязкость минеральных масел для гидравлических систем вы-
бирают в зависимости от давления, при котором система будет рабо-
тать, и типа насоса или гидромотора. Для гидросистем с быстро-
ходными машинами вязкость масла должна быть несколько меньше,
чем у систем с тихоходными машинами. Ориентировочно для выбора
вязкости минерального масла можно использовать графики, при-
веденные на рис. 15.1. ’ ’
К жидкостям, используемым в качестве рабочих сред в гидравли-
ческих системах станков предъявляют следующие требования:
Рис. 15.1. Графики для ориентировочного выбора вязкости минерального масла
в зависимости от режима работы (давления р и скорости перемещения о) поступа-
тельного (а) и вращательного (б) гидромоторов
вязкость рабочей жидкости должна обеспечить достаточное уплот-
нение при наименьших затратах на преодоление сил внутреннего
трения; она должна быть по возможности постоянной.
Рабочая жидкость гидросистем должна обладать хорошей смазы-
вающей способностью, образовывать прочные пленки на поверх-
ностях трущихся деталей для уменьшения трения и изнашивания;
не вызывать коррозии металлических частей, набухания и раз-
рушения уплотнений в течение всего срока службы;
быть устойчивой к окислению и выделению паров, газов и смол,
а содержащиеся в ней примеси не должны нарушать нормальной
работы гидравлических устройств;
быть безопасной в эксплуатации.
В гидравлических приводах очень важны средства уплотнения.
Блез Паскаль сформулировал свой закон примерно так. Если два
сообщающихся сосуда уплотнить точно пригнанными поршнями,
площадь одного из которых в 100 раз больше площади другого, то
усилия одного человека, приложенные к меньшему поршню, будут
эквивалентны усилию 100 человек на большем поршне. Но реализа-
260
15.1. Основные материалы, применяемые для изготовления уплотнений
Материал Рабочая среда Наибольшее давление, МПа Наибольшая температура, °C Вид соединения
Железо Медь Бронза Алюминий Модифицирован- ный чугун Коррозионно- стойкая сталь Стеллит Масло Бензин Пар Вода Воздух Наивысшее практиче- ски приме- няемое 500 *1 о
Антифрикцион- ные сплавы 15 100 01
Резина натураль- ная Вода Воздух 15 100
Резина синтети- ческая Масло Вода Бензин Воздух Пар Наивысшее 100
Кожа 150
Нейлон Фторопласт 100—120
Полиамидная смола Полихлорвинил 60
Фибра Бумага Масло Бензин Пар Вода Воздух 150
Паранит 450
261
Продолжение табл. 15.
Материал Рабочая среда Наибольшее давление. МПа Наибольшая температура, °C Вид соединения
Шнур асбесто- вый, натертый ^афитом Масло 10 300
Шнур пенько- вый, пропитан- ный жиром Вода 16
Хлопчатобумаж- ные набнвки, пропитанные жи- ром Пар 20 120 О.
Пакля с краской (сурик) Воздух X
Примечание. — неподвижные соединения; *6 —возвратно-
поступательное движение; — вращательное движение.
ция описанной Паскалем машины стала возможна лишь спустя почти
целое столетие, после того, как поршни удалось уплотнить с помощью
волокон пряжи, пропитанных животным салом, т. е. «сальниками».
Уплотнители (сальники) изготовляют из кожи, ткани, пряжи,
резины. В настоящее время применяют синтетические материалы,
которые расширяют эксплуатационные возможности гидропривода
(табл. 15.1).
Способы уплотнения приведены в табл. 15.2.
§ 3. НАСОСЫ И ГИДРОМОТОРЫ
В гидравлических системах источниками энергии яв-
ляются насосы, конструкции которых весьма разнообразны. Кон-
структивные схемы насосов, получивших наибольшее распростра-
нение в металлорежущих станках, приведены в табл. 15.3.
Все объемные гидравлические насосы по характеру изменения
объема рабочей камеры разделяют на две группы: с возвратно-
поступательным движением вытеснителя и с вращательным движе-
нием. Действие объемного насоса основано на попеременном увели-
чении и уменьшении объема рабочей камеры (гп1 — гг) 8г. При
увеличении объема рабочей камеры (например, при движении поршня
вверх, рис. 15.2) в ней понижается давление, и жидкость из бака
262
152. CnocoShl уплотнения 6 зависимости от Вида движения
•Способ
уплотнения
Эскиз уплотнения
Давле-
ние,
МПа
Скорость,
т/с
Темпера
тура,
.вид
движе-
ния
ПригонкоП
Набивками
Пластинами
Манжетами
Круглого,
прямоугольного
и
крестообразного
сечения
Манжетами
с уплотняющи-
ми
кромками
Манжетами,
комбинирован-
ными
Манжетами
диафрагменным
0.2...0J
16-90
0,5-1,5
ОД-50
03-2
ОД-2,5
Тоже
Забасит
от
потери
ала
200-
*50
До
20
До
850
опарны-
ми
кольца-
ми—
До
10-15
До
50
в
наварах
Да
20
15 20
при
6=0,006
-0,005
ММ
Т-10
3,-.5 L
{“ I
±
Зависит
от
матери
ала
манже-
ты
От
60
да
120
263
Продолжение табл. 15.2.
264
под действием атмосферного или какого-либо избыточного давления
заполняет увеличившийся объем (происходит всасывание рабочей
жидкости). При уменьшении объема рабочей камеры жидкость вы-
давливается в напорную линию. При этом механическая энергия,
затраченная на изменение объема рабочей камеры насоса, преоб-
разуется в потенциальную энергию давления жидкости.
Кроме насосов в качестве источника энергии в гидроприводах
станков используют аккумуляторы, которые в зависимости от спо-
соба накопления энергии разделяют на грузовые, пружинные и
газовые.
Рис. 15.3. Применение газовых аккуму-
ляторов для предохранения системы от
динамических перегрузок
в приводах как аварийные или до-
Рис. 15.2. Поршневой насос с ручным
приводом
Аккумуляторы применяют i
полнительные источники энергии. Если аккумулятор является
аварийным источником энергии, необходимый объем баллона газо-
вого аккумулятора
т z
LiSi + £ ZiVi
j________1_____
। Pmin 1
Ртах n
где ^зап — коэффициент запаса, равный 1,15—1,20; Z{ — перемеще-
ние поршня исполнительного органа; S, — рабочая площадь поршня;
v; — рабочий объем гидромотора исполнительного органа; Zt —
необходимое число оборотов гидромотора для привода исполнитель-
ного органа в безопасное положение; /?т1п — минимальное давление
в системе, при котором осуществляется перемещение исполнительных
органов; ршах — максимальное давление в системе в процессе ее
работы; п — показатель политропы, равный 1,4; т, г — число
гидромоторов поступательного и вращательного движения, приводи-
мых в движение от аккумулятора.
Газовые аккумуляторы применяют также для предохранения
гидравлической системы от динамических перегрузок в процессе
265
15.3. Схемы насосов, применяемых в металлорежущих станках
Коловратные Пл
шестерен- ные цикло- идальные винтовые героторные одинарного действия
h=1Qj3 du
Объем рабо- чей камеры v 2лт£)в 4,14^ i ~Г * 1 2е6 (21?л — гб)
Частота вращения п, мин-1 950—4000 950—20 000 950—5000 950—4000
Рабочее дав- ление р, МПа 10—25 10—35 7—21 7—14
Общий КПД Поб 0,8—0,9 0,7—0,86 0,85—0,9 0,8—0,85
Объемный КПД 0,9—0,95 0,75—0,95 0,8—0,95 0,6—0,95
Примечание. Потребляемая мощность N = -----------; подача (расход) Q = vnr)p
работы. При резкой остановке исполнительных органов или их
реверсировании кинетическая энергия жидкости переходит в потен-
циальную, и давление может резко возрастать. Объем баллона газо-
вого аккумулятора (рис. 15.3) Ак1г применяемого для защиты от
динамических нагрузок, возникающих при резкой остановке или
реверсе,
1
Уб. Ак, 5? -у- п (—(4" + у) STpL,
где итр — скорость движения жидкости в трубе до возмущения;
а — скорость распространения ударной волны в линии гидросистемы,
для стальных трубопроводов а = 1200-^-1400 м/с, для армирован-
266
стинчатые
Поршневые
эксцентриковые радиальные аксиальные
двукратного действия
26 (л (г1 - г?) - — (Г« — ^гб] l,55ezd? nd* —— 2ег 4 -^-Dtg₽
950—3000 950—6000 600—1500 950—4000
7—21 20—100 20—80 7—55
0,8—0,85 0,9—0,96 0,85—0,9 0,9—0,95
- 0,6—0,95 0,95—0,98 0,95—0,98 0,95—0,98
е 2П
частота пульсации f = -77-; г число
ьи
за один оборот.
циклов подачи жидкости в наружную полость
них шлангов а = 600-5-800 м/с, для медных трубопроводов а =
= 900-5-1100 м/с; р—давление в системе до возмущения; рпйч —
начальное давление газа в аккумуляторе (при отсутствии давления
в гидравлической системе); В = — допустимое относительное
повышение давления в гидросистеме; STp — площадь проходного
сечения; L — длина линии гидросистемы.
Объем баллона газового аккумулятора Ак2 может быть выбран
по соотношению .
Уб. ак2 2л Л" (Д) ( I + 2 ) ’
где QH — подача насоса. •
267
15.4. Основные типы силовых гндроцнлнндров
Простые
Дцфферен цн альные
Плунжерные
Пара-
метр
Рабочая площадь sx = s2 = s = = л (Д2 - d2) 4 Q Я°2 • S1 =—’ n(D2-d?) . “ 4 c nd| -2- — c_ 5——
Скорость движе- ния II CQ q,L£ O-U о- I II II S' й’ II « о _ Q v s
Сила тяги F = S (р, — p2) — FTp Fi= PiSi P2S2 F Tpj F2= P2S2 PiSi F Tp; F3= Ph ^2) FTp F = S (p,— p2) — FTp
Мини- мальная собствен- ная ча- стота 1/ 2£ 4 2 V mW 1/ A ( A..}- A_\ V m \ Wt ' W2 J I f lESA V mW-
268
Телескопические
Комбинированные
Моментные
При отсутствии на- грузки Q fX = -у- > V2 = 4Q М >V3 4Q 4Q ndg > V4 ndl Q . Q . V1~ Sx ’ V2 Sx-f-S3—S2’ Q 1,3 S1 + S3 ’ Q Vi s3-s2 v 6(№-r2)
F ~ pS FTp Ft — PjSi p2S2 — Frp> F3 — Pi (Si -f- S3 — S2) FTpj F3~ Pi (>SX + S3) — P2S2 FTp! Fi= Pi (S3 S2) FTp P2 r2 AfBp = 6 g X X (Pi — Pa) —
1/ £S2 V mw^ 1/_E_ ( Sj Sf\ V m \ r3 + rx f W2 )
1/
’ /nplF
269
Гидромоторы разделяют по виду движения на возвратно-посту-
пательные, неполноповоротные и вращательного движения. Кон-
структивные схемы и основные характеристики возвратно-поступа-
тельных, неполноповоротных (силовых цилиндров) приведены
в табл. 15.4.
§ 4. АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ
Аппаратуру управления гидравлическими приводами по
назначению разделяют на аппаратуру для управления и регулирова-
ния давления рабочей среды и величиной и направлением потоков
рабочей среды.
К первой группе относят предохранительные и редукционные
клапаны, а также клапаны постоянной разности давления. Предо-
хранительные клапаны предназначают для: предохранения систем
от перегрузок, в основном статических; установления нужного
давления в системе; разгрузки системы от давления, т. е. для отвода
жидкости через клапан в бак прн минимальном давлении.
В предохранительном клапане (рис. 15.4) жидкость из полости А
по каналу 1 поступает через демпфер 2 в заклапанную полость 3
переливного клапана 4. При отсутствии напряжения на электро-
магните 5 управляющий клапан 6 полностью открыт, и жидкость
из канала управления заклапанной полости переливного клапана
сливается в бак через канал 7. Когда давление в заклапанной полости
минимально, переливной клапан открывается под давлением под-
водимой жидкости, и в полости А устанавливается давление, опре-
деляемое усилием пружины переливного клапана,
„ __ ! (*о + ^) । „ л з
где / — жесткость пружины переливного клапана; ha и h — соответ-
ственно предварительный натяг пружины и величина открытия
переливного клапана; и £лз — эффективные площади полости
управления А и заклапанной полости; рг — давление в заклапанной
полости.
При подаче напряжения на обмотку электромагнита в зависимо-
сти от силы тока меняется сила, с которой затвор клапана 6 под-
жимается к соплу. Увеличение сопротивления потоку жидкости,
проходящему через управляющий клапан, приводит к увеличению
давления в заклапанной полости. Последнее приводит к уменьшению
открывания переливного клапана и увеличению давления в по-
лости А. Если управляющий клапан полностью перекрыт, то при
дальнейшем возрастании давления в заклапанной полости откры-
вается предохранительный клапан 8, и давление в заклапанной
полости будет ограничиваться настройкой этого клапана. Примене-
ние электромагнита с регулируемой силой и электронной системой
управления этим магнитом позволяет изменять давление в гидравли-
ческой системе по требуемому закону. Последнее обеспечивается
соответствующим изменением силы тока в обмотке регулируемого
электромагнита.
270
Тяговая характеристика электромагнита такова, что на длине
1,5 мм сила тяги при неизменной силе тока практически остается
постоянной. Величина хода затвора управляющего клапана менее
1 мм. Упрощенная схема управления электромагнитом представлена
на рис. 15.5. Требуемое давление устанавливается входным потен-
Рнс. 15.4. Предохранительный клапан (а) н условное изображение его (б, в)
циометром. Формирователь нарастания и снижения напряжения
формирует закон нарастания и снижения давления в системе. Гене-
ратор пульсирующего сигнала обеспечивает стабилизацию сил трения
при перемещении затвора управляющего клапана и якоря электро-
магнита за счет их осциллирования с частотой 200 Гц. В гидропри-
водах станков с программным управлением предохранительный
клапан с электронным управлением применяют для разгрузки
насоса в определенные периоды цикла, ограничения силы подачи
271
исполнительного органа в зависимости от прочности инструмента,
изделия, перенастройки, силы зажима в зависимости от- массы (кон-
фигурации, жесткости) детали.
Рис, 15.5. Упрощенная схема управления электромагнитом
Рис. 15.6. Редукционный клапан (а) и условное изображение его (б, в)
Редукционные клапаны предназначены для снижения давления
в отдельных ветвях гидравлической системы по сравнению с давле-
нием, развиваемым насосом. Переливной клапан редукционного
клапана нормально открытый (рис. 15.6). Подвод жидкости осуще-
ствляется через полость Б, а отвод в линию пониженного давления
272
через полость А. При ступенчатом изменении силы тока в обмотке
электромагнита возможное повышение давления ограничивается
клапаном 1.
Клапаны постоянной разности давлений предназначены для
поддержания постоянного перепада давления на каком-либо гидра-
влическом сопротивлении. В качестве такого гидравлического со-
противления могут быть распределители, дроссели, гидромоторы
Л Б в
Рис. 15.7. Клапан постоянной разности давления (а) и условное изображение нор-
мально открытого (б) и нормально закрытого (в) клапанов
б — с дистанционным
aj
Рнс. 15.8. Обратный клапан:
а — без управления;
управлением
исполнительных органов. Эти клапаны могут быть выполнены в виде
самостоятельного аппарата в отдельном корпусе либо в сочетании
с другими аппаратами (дросселем, распределителем и т. п.).
Клапан постоянной разности давления (рис. 15.7) расположен
в монтажной плите, на которой монтируют различную гидравличе-
скую аппаратуру. Вход аппа-
рата, на котором требуется
обеспечить постоянный пере-
пад давления, подключают
к каналу Б, а выход — к ка-
налу В. Подвод масла осу-
ществляется через канал А.
Если пренебречь силами
трения, разность давления
на подключенном аппарате
в установившемся
«2
P1-P2S7-----------Si •
Клапаны постоянной раз-
ности давления можно уста-
режиме
/ (ftp + h)
навливать параллельно и последовательно до и после аппарата,
на котором требуется обеспечить постоянный перепад давления.
В последнем случае клапан должен быть нормально закрытым.
В аппаратуру управления и регулирования величиной и напра-
влением потока рабочей среды входят обратные клапаны, дроссели-
распределители. Обратные клапаны без управления предназначены
для прохождения жидкости только в одном направлении
(рис. 15.8, а); обратные клапаны с управлением — для прохождения
жидкости по команде в обратном направлении (рис. 15.8, б). Потери
273
давления на клапане составляют 0,05—0,3 МПа в зависимости от
величины потока.
Дроссель используют для управления величиной подачй жидкости
в результате изменения гидравлического сопротивления. Управление
может быть ручным, механическим или электрическим (электрон-
ным).
Дроссель поршневой конструкции с электронным управлением
(рис. 15,9) имеет якорь 1 электромагнита 2, который воздействует
на поршневой затвор 3 и, сжимая пружину 4, изменяет проходное
сечение щели а, соединяющей канал А с каналом Б. Положение
поршневого затвора и магнита контролируется индуктивным датчи-
ком перемещения 5. В электронном усилителе 6 переданное датчиком
Рис. 15.9. Дроссель поршневой конструкции с электронным управлением
перемещения фактическое значение положения затвора сравни-
вается с заданным. При рассогласовании этих величин сила тока
в электромагните 2 меняется, устраняя рассогласование между
заданным и фактическим положением затвора дросселя. Для устра-
нения изменения потока жидкости через дроссель в зависимости
от изменения перепада давления на нем последовательно или парал-
лельно дросселю включается клапан постоянной разности давления.
При постоянном перепаде давления на дросселе поток жидкости
определяется лишь величиной проходного сечения дросселя.
Распределители предназначены для управления направлением
и потоком жидкости. По числу подводящих и отводящих каналов
(трубопроводов) различают двух-, трех-, четырех- и многолинейные
распределители. По числу возможных соединений каналов распре-
делители делят на пропорциональные и двух-, трех- и многопози-
ционные. В табл. 15.5 приведены основные типы распределителей
и виды управления ими.
Наиболее перспективными для использования в приводах авто-
матизированных станков и промышленных роботов являются распре-
делители с управлением посредством электромагнитов с регулиру-
емой длиной хода (рис. 15.10). Положение якоря 1 электромагнита 2
контролируется с помощью датчика положения 3 и сохраняется
независимо от противодействующей силы во всем рабочем диапазоне.
274
15.5. Условные изображения распределителей и виды управления ими
Распределитель
Условное
изображение
Распределитель
Условное
изображение
Тип
Двухлинейный:
двух позицион-
ный
пропорцио-
нальный
Трехлинейный:
двухпозицион-
ный
пропорцио-
нальный
Четырехлиней-
ный:
пропорцио-
нальный
трехпозицион-
ный:
с открытым
сливом и на-
пором
с открытым
напором
с открытым
сливом
с закрытым
центром
с перепуском
в центре
Пятилинейный
трехпозиционный
Шестилиней-
ный четы-
рехпози-
ционный
(поворотного
типа)
Вид управления
Электронное
Электрорелейное
Гидравлическое
Пневматическое
Электронно-ги-
дравлическое
Эл ект рон но- п нев-
матическое
Механическое
Ручное
С помощью пру-
жины
275
Сигнал о положении распределителя поступает от датчика 3 в элек-
тронный усилитель 4 для сравнения с сигналом задающего устрой-
ства 5. При рассогласовании этих сигналов на обмотку электро-
Рис. 15.10. Распределитель с электронным управлением
магнита поступает ток, что устраняет возникшее рассогласование.
Применение обратной связи компенсирует гидродинамические силы
в распределителе.
§ 5. ВЫБОР ГИДРОМОТОРА
Определение параметров гидромоторов исполнительных
органов станка в зависимости от заданных характеристик движения
исполнительных органов сводится к определению наибольшей воз-
можной нагрузки и согласованию кинематических характеристик
мотора с заданным законом движения. В качестве примера определим
необходимые параметры гидромотора механизма автоматической
смены инструмента (рис. 15.11). Пусть требуется обеспечить поворот
звена А на угол tp за
время, не большее t.
Вращающий момент,
необходимый для при-
ведения в движение
звена А,
Мвр = m\gl\ cos tp —
— cos ср +
+ <p +
+ (Ji + ^2/2) <p 4- AlTp,
Рис. 15.11, Механизм смены
инструмента (а) и требуемый
закон движения (б):
1 — шпиндель стайка; 2 — ин*
струментальиый магазин
276
где и — массы сменяемых инструментов; и /2 — расстояния
от оси поворота до центров тяжести сменяемых инструментов; Jj
и J2 — приведенные моменты инерции плеч звена А; ф" — угловое
ускорение; <р — угол поворота; Л4тр — момент сил трения.
Наибольший вращающий момент
Мвр max “ (/П|/1 — flzh) g 4~ (Л 4” А 4- т1Л 4- tnih) фтах 4~ Мтр.
Наибольшее угловое ускорение следует выбрать с учетом задан-
ного угла поворота <р = л, наибольшего допустимого времени t
и динамических характеристик механизма автоматической смены
инструмента.
Угол поворота tp может быть выражен в соответствии с заданным
законом (рис. 15.11,6) движения следующей зависимостью:
ф — g Фтах 4- (G М Фтах 4 у Фтах 4" (^4 ^з) фпоз,
где фтах — наибольшая угловая скорость; фГ103 — угловая скорость,
с которой происходит позиционирование звена А.
Обычно выбирают время разгона /р равным времени торможения
/т, т. е. /р = (ti — /0) = /т = (t3 — t2). Ориентировочно время раз-
гона, торможения и позиционирования /поз = (/4 — t3) можно вы-
бирать исходя из наименьшей собственной частоты звеньев меха-
низма автоматической смены инструмента. В первом приближении
наименьшая собственная частота плеча звена А
/пр
У Л. 2 + fflmax 1, 2
где /Пр — приведенная жесткость; /«max — наибольшая масса сменя-
емого инструмента.
Следовательно, время разгона и торможения, исходя из наи-
большего значения постоянной времени звена А с некоторым запасом,
можно полагать не менее 6 т. е. /р = 7Т = 6/сол. Для позициони-
рования обычно достаточно принять /поз = (6-4-10) &А-
Таким образом, исходя из заданного закона движения, угла по-
ворота и наибольшего допустимого времени поворота, можно выбрать
наибольшую угловую скорость
ф — (6 4- Ю/й^’фпоз
Фтах =
t _ (12 ~ lejcoj1
Полагая движение равнопеременным, наибольшее ускорение
можно принять равным <ртах = .
6“4
Выбрав наибольшее ускорение, можно оценить, какой наиболь-
ший момент вращения Л4врП1ах должен развить мотор.
При выборе приводного мотора по мощности можно использовать
следующее неравенство:
Мвр тахфм
Фред
277
где фм— угловая скорость выходйою вала мотора при выбранной
мощности; (ред = ----передаточное отношение редуктора; т] —
Фтах
общий коэффициент полезиого действия редуктора.
При выборе приводного мотора по моменту, развиваемому на
выходном валу, следует иметь в виду не только иеравенство Мм тах
Мврщах/гц Ред, но и диапазон изменения скорости вращения вала
МОТОра фм тах фтах^ред! Фм min фт|п^*ред* ПереДЗТОЧНОе OTHO-
шение 5ред следует выбирать таким, чтобы удовлетворялись все эти
неравенства.
Если поворот осуществляется моментным цилиндром, то, задав-
шись наибольшим рабочим давлением гидравлической системы ртах —
— 1,3; 6,3; 12,5; 32; 60; 80 МПа, принимают наибольший перепад
давления в полостях моментного цилиндра равным О,8/7шах и, вы-
полняя неравенство
олг.,;„ > .
выбирают конструктивные размеры моментного цилиндра (ширину Ь,
наибольший R и наименьший г радиусы). .
Далее определяют требуемый наибольший поток рабочей среды,
необходимый для достижения наибольшей скорости движения,
о - ф' И*2-'2)
Чшах —* ттах " >
Лоб
где цоб — объемный коэффициент полезного действия, учитывающий
перетечки в полостях моментного цилиндра.
Затем находят наименьшую собственную частоту
®М. ц - " JW >
где W — объем рабочей полости моментного цилиндра.
Эта частота не должна быть меньше выбранной ранее сол. Если
собственная частота сом. ц моментного цилиндра меньше сол, то ее
следует принять за исходную для выбора времени разгона и повто-
рить расчет.
Если для поворота используют силовой цилиндр и реечную пере-
дачу, то наибольшая сила, действующая на шток силового цилиндра,
„ Мвр гаах
• max г >
'з. к
где г3, к — радиус начальной окружности зубчатого колеса, ось
которого совмещена с осью поворота звена А.
Задавшись наибольшим давлением рг в рабочей полости цилиндра
и полагая ориентировочно давление слива рс равным 0,1рШах> можно
выбрать конструктивные параметры силового цилиндра
Fшах Р1$1 0,1ршах^З*
278
Учитывая силы трения в уплотняющих манжетах поршня и
штока диаметром dyn, получим
Fmax < Р1Л£>2/4 — 0,1/?тахЛ (D2 — d2)/4 —
— nD • 0,62 dyuPxfjp — ltd • 0,62 dynPcfip»
где /тр — коэффициент трения, равный 0,1 при трении резиновой
манжеты по стали.
Выбрав диаметры поршня D и штока d, длину рабочего хода
штока цилиндра следует принять не менее £р, х лг3. к- Наиболь-
шая величина потока
Q — д гз. кфшах "Т (р] рс),
где ky — коэффициент внутренних утечек, обычно k7 =•
= 0,1-4—0,25 см®/(с«МПа).
Наименьшая собственная частота
„ _ 1 /~ Е (/5 + /SP2
Оц- |/ тпр £ц
где тПр — приведенная масса подвижных частей; £ц — суммарная
длина полостей цилиндра.
Собственная частота ис. ц должна быть не менее частоты ил,
по которой выбрано время разгона и торможения.
§ 6. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ
Объемное регулирование. Регулирование скорости дви-
жения исполнительных органов посредством изменения объема
рабочих камер насоса называют объемным регулированием. Такое
регулирование может быть бесступенчатым при бесступенчатом
изменении объема рабочих камер насоса и ступенчатым.
Бесступенчатое изменение объема рабочих камер насосов в зави-
симости от их конструкции может осуществляться либо за счет
изменения эксцентриситета ротора относительно статора в радиально-
лопастных и радиально-поршневых машинах, либо за счет изменения
угла наклона планшайбы или блока в аксиально-поршневых маши-
нах, либо за счет изменения ширины зацепления в шестеренных
насосах и пр., т. е. во всех случаях за счет смещения какого-либо
органа относительно другого. Такое смещение может осуществляться
с помощью, например, дифференциального цилиндра с полостями
На и 116 (рис. 15.12). В полости 11а, имеющей большую эффектив-
ную площадь, устанавливается давление, пропорциональное подаче
насоса, посредством клапана постоянной разности давления 16,
поддерживающего постоянный перепад на дросселе 9.
При увеличении силы тока, поступающего от электронной системы
управления 4 в катушку электромагнита дросселя 9, дроссель уве-
личивает проходное сечение, и давление перед дросселем и в полости
управления клапана 16 падает. Клапан 16 уменьшает свое проходное
279
сечение, давление за дросселем 14 повышается. Увеличивается
результирующая сила в полости Па цилиндра управления, шток
которого перемещает сектор или планшайбу насоса 11 в положение,
способствующее увеличению его производительности.
Питание системы управления производительностью насоса 11
осуществляется вспомогательным насосом 13, который обеспечивает
необходимый подпор во всасывающей линии основного насоса.
/
Рис. 15.12. Схема объемного регу-
лирования
Поток, проходящий через дрос-
сель 9, пропорционален площади
проходного сечения
*2др = Др.
Величина открытия дросселя про-
порциональна силе тока в регули-
руемом магните
*5др =
Поток жидкости, проходящей че-
рез дроссель, зависит от текущего
значения объема vT рабочей камеры
и частоты вращения насоса ин:
Qh = Фдр ~ ^т®н = енЧт®н,
где ен = vT/vH — параметр настройки
насоса, равный отношению текущего
значения объема камеры vT к наи-
большему объему камеры vH.
При постоянной частоте вращения
параметр настройки насоса стано-
вится пропорциональным силе тока
в регулируемом магните Дросселя 9:
ен —
Давление за дросселем 9 ограничивается клапаном 15, который,
как и клапан 16, контролирует давление в полости Па цилиндра
управления. Наибольшее давление в заклапанной полости кла-
пана 15 настраивается с помощью пропорционального клапана 3,
управляемого электронной системой 1. Поток жидкости зависит
от силы тока в регулируемом магните дросселя 9, а наибольшее
давление в системе — от силы тока в магните клапана 3. Аварийное
ограничение давления определяется предохранительным клапаном 2.
Аккумулятор 10 предназначен для сглаживания пульсаций потока
и динамической защиты насоса при переключении распределителя 8.
Предохранительный клапан 12 ограничивает давление во всасыва-
ющей полости основного насоса, предохраняя насос 13 от пере-
грузок. От распределителя 8 поток жидкости может поступать
в рабочие полости, например регулируемого мотора 5. Объем рабочих
камер мотора регулируется так же, как и объем камер насоса, и за-
висит от силы тока, поступающего из системы управления 6 в ка-
тушку электромагнита клапана 7.
280
Рис. 15.13. Статическая характеристи-
ка объемного регулирования
Полагая, что поток, проходящий через дроссель, равен потоку
в напорной линии насоса и затрачивается на вращение мотора и
компенсацию объемных потерь в аппаратуре и моторе, а также на
сжимаемость жидкости в напорной линии, имеем
kP — ^-Р — ем^мюн = 0, (15.1)
где k — коэффициент утечек; р — перепад давления в напорной
и всасывающей линиях основного насоса; W — объем напорной
линии; Е — модуль упругости жидкости; ем — параметр настройки
мотора, равный отношению текущего значения объема рабочей ка-
меры vT. м к наибольшему vM.
Момент, развиваемый гидрав-
лическим мотором, должен пре-
одолеть моменты, создаваемые на-
грузкой, инерционными силами
и силами трения, т. е.
== Л4 (0 4- Агр®м 4~
+ Мтр sign 4-A4v(0M, (15.2)
где с — коэффициент, зависящий
от размерности величин, входящих
в формулу; например, если р из-
меряют в МПа, a vM в м3, то с =
= 156-1010; М (t) —момент, соз-
даваемый нагрузкой; Jap — мо-
мент инерции, приведенный к валу
мотора; Л4тр — момент силы трения, не зависящий от времени;
Mv — градиент сил трения.
Исключив р из выражений (15.1) и (15.2), можно представить
частоту вращения мотора в установившемся режиме в следующем
виде:
е е vB<o —SA /уи + М )
Hq Мо н н CVm ' и ’ гр/
flk. =-------------=-------------
здесь индексом «О» обозначены величины установившегося режима.
На рис. 15.13 показан характер изменения частоты вращения
выходного вала мотора в зависимости от изменения параметра регу-
лирования насоса еНо при наибольшем значении объема рабочей
камеры мотора JeM„ = 1), а также характер изменения частоты вра-
щения выходного вала мотора в зависимости от изменения объема
рабочей камеры мотора, т. е. от параметра еМо при наибольшем зна-
чении объема рабочих камер насоса (еи„ = 1). На этом рисунке по-
казан характер изменения вращающего момента и мощности в за-
висимости от частоты вращения. При регулировании частоты вра-
щения с помощью изменения объема рабочих камер насоса вращаю-
щий момент на валу мотора не зависит от частоты вращения, а по-
281
требляемая мощность изменяется пропорционально увеличению
объема рабочей камеры насоса:
Мо ~ cpvM = const (при р = const); Nn = ев.,
CN
где cN — коэффициент, зависящий от размерности принятых ве-
личин.
При регулировании частоты вращения с помощью изменения
объема рабочих камер мотора следует учесть, что вращающий момент
уменьшается с увеличением частоты при постоянных значениях р
и QH, а потребляемая мощность становится наибольшей и не зависит
от частоты вращения:
М0 = ср-^-', N N =— const.
N CN
Уравнение динамики удобнее записать в отклонениях от уста-
новившегося режима движения, приняв = им„ — сом:
Aft = Afo — Af (/); 81н = 8Но — еи; 81м = 8Мо — 8М,
где (Dj, Mi, 81н, 81М — возмущения от соответствующих значений
в установившемся режиме.
Объединив выражения (15.1) и (15.2) и опустив малые величины
второго порядка, уравнение можно представить в следующем виде:
(28mOVmG)mO — увмо) 81м — Y8M081H + CClCol’ -ф- a2Gh -ф
-ф- (а3 -ф еноУм) ®i + Pi Af 1 -ф- P2AI1 = О,
где
tti =
WVnp .
£cvM ’
_ SVnp , .
2 cvM £cvM ’
у = vHa>H;
2kMv a W a Sk
a3 -------- Pj — -=-------- B2 = ---------.
cvM r EcvM r cvM
Если оценивать отдельно влияние возбуждения по параметрам
регулирования 81н, 81м и нагрузке Mt на изменение частоты вра-
щения выходного вала мотора, то передаточные функции соответ-
ственно будут равны
ТЁНО
фе (г) = -^£. =-----------------5-----
« ₽1н a/2 + a2r + (a3 4- e20vM)
ф _______ wi __ Тено — 2eMOvMa>HO___
elM а/ч-а/Ч-азН-е2^
при 81м = Ml = 0;
при 81н = Mi = 0;
-₽i
ФМ’ (Г) = < - 1/2^ ^2 X
— (а/ + «У + «з + Wmo)
Последнему выражению соответствует собственная частота
ПрН 8jH — 8jM — 0.
282
значение которой уменьшается с увеличением объема жидкости
в трубопроводах и приведенного момента инерции движущихся масс
и уменьшением модуля упругости.
Зависимость собственной частоты системы в первых двух слу-
чаях более сложная:
,/E(S,kMv + №yMvl) 1 (EMJnv + WMV)*
®е~ V WVDp 2 (WVDp)2
При незначительных утечках и силах трения увеличение объема
жидкости в трубопроводах и приведенного момента инерции, умень-
шение модуля упругости и объема рабочей камеры мотора способ-
ствуют уменьшению частоты гое. При незначительных силах трения
увеличение утечек способствует уменьшению частоты го8. Значения
Рис. 15.14. Схема дроссельного регулирования
частот гоМ1 и го8 следует учитывать при выборе закона управления
и назначения наибольшего ускорения или замедления.
Дроссельное регулирование. Регулирование скорости движения
за счет изменения сопротивления называют дроссельным. По месту
включения (дросселя относительно исполнительного органа разли-
чают дроссельное регулирование на входе (рис. 15.14, а), на выходе
(рис. 15.14, б), в параллель (рис. 15.14, в) и дроссельно-дифферей-
циальное регулирование (рис. 15.14, г).
Уравнение сил, действующих на поршень силового цилиндра,
можно представить в следующем виде:
PiSi = p2S2 F (t)mi) FTp sign v + Fj),
где v — скорость перемещения поршня.
Уравнения потоков при соответствующем включении дросселей
могут быть записаны в следующем виде:
<2д = (pr - р2) + -^-pi',
Qn = S2v + SA (pi — p2) — ^-pi',
Q«-4„ = Siv-i-Qli-^Sk(p1-p2)-i-^-pil
Qni = Сд2 + S1U — Ац (p2 — pi) + ~~ pi,
283
где Qu — поток, проходящий через дроссель, Qa *= ц5дршах в X
х |/-|-(Ра — рб); здесь р — коэффициент расхода; 5дршах —
проходное сечение дросселя; е — параметр регулирования, равный
отношению текущего значения открытия дросселя к наибольшему;
р — плотность жидкости; ра, рв — давление жидкости до дросселя
Рис, 15,15. Статические
характеристики дрос-
сельного регулирования
на входе и выходе
Рис. 15.16. Статические
характеристики при дрос-
сельном регулировании
в параллель
и после него; £k = kn + ka — суммарный коэффициент утечек
в цилиндре и аппаратуре ka, W2 — объемы рабочих полостей
и объемы подключенных до дросселя линий.
Если из уравнений сил и потока получить установившуюся ско-
рость движения силового поршня, то при Sx == S2 и пренебрежении
Рис. 15.17. Статические
характеристики при дрос-
сельно-дифференциаль-
ном регулировании при
постоянном открытии
дросселя Д2 (а) или дрос-
селя Д1 (б):
Д| н Д8 — см. рис. 15.14
силами трения характер изменения скорости установившегося дви-
жения прн дроссельном регулировании на входе будет таким же,
как и при регулировании на выходе (рис. 15.15). С точки зрения ста-
тических характеристик оба включения дросселей равноценны.
Однако, если нагрузка меняет свой знак, то предпочтение следует
отдать дроссельному регулированию на выходе. Так как растворен-
ный в минеральном масле воздух оказывает большое влияние на
динамические характеристики системы при небольших давлениях,
желательно не допускать давление в рабочих полостях ниже 0,5 МПа.
284
Рис. 15.18. Изменение скорости дви-
жения поршня дифференциального
цилиндра при постоянной нагрузке
в зависимости от изменения проход-
ных сечений дросселей Дг и Да
При регулировании скоро-
сти движения с помощью дрос-
селей, включенных на входе
и выходе гидравлических ис-
полнительных органов, потреб-
ляемая системой мощность наи-
большая, поэтому независимо
от нагрузки насос работает
при наибольшем давлении.
Характер изменения скоро-
сти движения в установившемся
режиме при регулировании
дросселем, включенным парал-
лельно исполнительному орга-
ну, показан на рис. 15.16. Потребляемая системой мощность в этом
случае зависит от нагрузки, так как давление в напорной полости
насоса также зависит от нагрузки.
Дроссельно-дифференциальное регулирование скорости позво-
ляет изменить скорость движения исполнительного органа как по
величине, так и направлению. На рис. 15.17, а показан характер
изменения скорости движения с помощью дросселя Дх (см. рис. 15.14)
при постоянном открытии дросселя Д2- За счет величины открытия
дросселя Дх можно обеспечить перемещение штока дифференциаль-
ного цилиндра как в одном, так и в другом направлении. При уве-
личении нагрузки скорость движения уменьшается.
Изменение скорости движения штока этого цилиндра можно по-
лучить и за счет изменения проходного сечения дросселя Д2 при
постоянном открытии дросселя (рис. 15.17, б). При этом увеличе-
ние нагрузки способствует уменьшению скорости v0.
Скорость движения поршня дифференциального цилиндра при
некоторой постоянной нагрузке изменяется в зависимости от изме-
нения параметров регулирования обоих дросселей (рис. 15.18).
Потребляемая мощность при дроссельно-дифференциальном регули-
ровании скорости не зависит от нагрузки и так же, как при дроссель-
ном регулировании, на входе и выходе наибольшая.
§ 7. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА
Исходя из функционального назначения каждого испол-
нительного органа станка, необходимо прежде всего определить
полезную нагрузку, которую должен преодолеть проектируемый
привод, и желаемый закон преодоления этой нагрузки, т. е. исход-
ными условиями для расчета гидравлической системы являются
статические, динамические и.прочие нагрузки, а также величина пере-
285
мещения в функции времени, либо изменение скорости или ускорения
во времени и т. п.
Выбор гидравлического исполнительного органа (мотора, сило-
вого цилиндра) в зависимости от нагрузки и требуемогб закона ра-
боты исполнительного органа станка показан на примере привода
механизма автоматической смены инструмента. После выбора для
каждого механизма станка гидравлических исполнительных органов
(гидромоторов, силовых цилиндров) и их структуры систем управле-
ния для обеспечения требуемого закона перемещения этих органов
Рис. 15.19. Принципиальная гидравлическая схема приводов исполнительных!
органов станка
становятся известными не только геометрические параметры гидра-
влических исполнительных органов (рабочий объем моторов, диа-
метры цилиндров и штоков, длина хода и т. п.), но и компоновка ме-
ханизмов станка и объекта в целом. Поэтому ориентировочно можно
оценить протяженность гидравлических линий до каждого гидро-
мотора или силового гидроцилиндра и наметить местные сопроти-
вления в линиях (места включения аппаратуры, изменения направ-
ления линий и т. д.). На этом этапе имеется возможность уточнить
силы сопротивления не только за счет сил трения в механической
части устройства станка, но и в уплотнениях гидравлических орга-
нов, а также потери в гидравлических линиях из-за включения аппа-
ратуры, местных сопротивлений и потери на трение по длине линии.
На рис. 15.19 представлены гидравлические исполнительные
органы со схемами систем управления и графиками предельных из-
менений во времени нагрузочных характеристик. Ниже приведен
порядок предварительного расчета гидравлической системы станка.
286
1. Определение полезного перепада давления в полостях каж-
дого гидравлического исполнительного органа:
а) для силовых гидроцилиндров
An —
£Д//пол — £ >
где Арпол = Pi — р2 — Для простых цилиндров; Арпоп = рх —
е
— Рг -----Для Диф4 еренциальных цилиндров; здесь й и — да-
вление соответственно в напорной и силовой полостях цилиндра;
Si и S2 — рабочие площади поршня в напорной и силовой полостях
цилиндра; Fmax — наибольшая возможная нагрузка на штоке ци-
линдра;
б) для моментного гидроцилиндра
д _ ^вр шах
ДРиол = й г >
где Мврщах — наибольший вращающий момент на валу; b — ши-
рина лопатки; R и г — радиусы статора и ротора; г — число рабо-
чих камер;
в) для гидромотора
л „ 2лЛ1Вр щах
ДРпол= ~ >
vM
где vM — наибольший рабочий объем мотора.
2. Определение полезного расхода рабочей среды в полости
каждого гидравлического исполнительного органа:
а) для силовых гидроцилиндров возвратно-поступательного дви-
жения
Qno~’i = SiPmax>
где иШах — наибольшая скорость движения . поршня силового ци-
линдра; S, — рабочая площадь в напорной полости цилиндра;
б) для моментного гидроцилиндра
Qnon=^0
где а — угол поворота вала моментного цилиндра за время I;
в) для гидромотора
Спол ~ 'УцЛмх»
где пШах — наибольшая частота вращения выходного вала гидромо-
тора.
3. Оценка потерь давления в сливной и напорной линиях каж-
дого гидравлического исполнительного органа:
Арс = Артр. с Арм. с -f- Арац. с;
Арн = АрТр. н Арм. н + Арап. п>
где Арс,.Арн — суммарные потери в сливной и напорной линиях,
связывающих насосную станцию с рассматриваемым мотором или
цилиндром; Артр, Арм, Арап — потери давления от преодоления
287
сил трения, местных сопротивлений и аппаратуры в соответствую-
щих линиях.
Потери давления на преодоление трения по длине трубопровода
зависят от характера потока, длины и диаметра трубопровода, а та-
кже скорости потока. Желательно, чтобы средняя скорость потока
не превышала во всасывающих линиях 1,2 м/с; в сливных 2 м/с;
в напорных 3—5 м/с при давлении 2,5—10 МПа и 8—10 м/с при дав-
лении свыше 15 МПа. Внутренний диаметр d трубопровода опреде-
ляют в зависимости от выбранной средней скорости v и величины
потока Q: ____
Q/nv.
Потеря давления, затрачиваемого на преодоление сил трения по
длине трубопровода,
л , Z. и2
АРтр — d 2g V'
где L, d — длина и диаметр трубопровода; X — коэффициент сопро-
тивления трению; при ламинарном потоке в металлических трубах
X = (64-=-75)/Re, в резиновых шлангах X = (75-e-85)/Re, при тур-
булентном потоке X = 0,316Re~0-25; здесь Re — число Рейнольдса,
равное iQ/vf] (П — периметр сечения трубы; v — кинематическая
вязкость жидкости).
Потеря давления, затрачиваемого на преодоление местных со-
противлений, выражается через суммарный коэффициент местных
сопротивлений от скоростного напора:
Арм = у,
где 25 — суммарный коэффициент местных потерь. Коэффициенты
местных потерь для минеральных масел и воды считают одинаковыми
и значения их берут из справочников.
Потеря давления при прохождении жидкости через аппаратуру
берется из каталогов на аппаратуру. Ориентировочно можно прини-
мать следующие величины потери давления при прохождении жидко-
сти: обратных клапанов 0,05 МПа; фильтров 0,05—0,15 МПа; теп-
лообменников 0,15—0,2 МПа; клапанов постоянной разности дав-
ления 0,25—0,8 МПа; реверсивных распределителей 0,3 МПа.
4. Определение наибольшего давления, которое необходимо соз-
дать на входе системы управления каждого гидравлического испол-
нительного органа;
а) для простых цилиндров, моторов, моментных цилиндров
Рраб = Арм + Арпол + Арс;
б) для дифференциальных цилиндре:
Рраб — Арпол -j- Дрс .
Если предполагается применить один источник энергии, то из
найденных значений наибольших рабочих давлений выбирают мак-
288 ;
симальное, по которому настраивают предохранительный клапан
с некоторым запасом:
Рил = Рраб max (1Л ~ 1 > 15).
При необходимости на входах локальных систем управления
устанавливают редукционные клапаны для обеспечения найденных
входных давлений на остальных участках системы (рис. 15.20).
5. Определение объемных потерь (внутренних утечек) при ра-
боте каждого гидравлического исполнительного органа. Суммиру-
ются все объемные потери не только на работающем участке системы,
но и на аппаратах, соединенных с напорной линией рассматривае-
мого участка. Расход управления жидкости в редукционном клапане,
Рис. 15.20. Принципиальные гидравлические схемы возможных вариантов насос-
ных станций (Д и Б то же, что на рис. 15.19)
в бак, приведен в каталогах, обычно он не превышает
Полагают, что характер потока внутренних утечек —
поэтому величина их прямопропорциональна перепаду
сливающейся
13—20 см3/с.
ламинарный,
давления Ар на уплотняющих щелях аппаратов, т. е. QyT = &утАра,
где Ара — перепад давления на аппарате. В каталогах аппаратуры
приведены либо величина утечек при указанном перепаде давления,
либо коэффициент утечек, либо коэффициент объемного действия,
который связан с коэффициентом утечек следующей зависимостью:
k _
ут~7Г ’
где Qn — величина потока, проходящего через аппарат, при дав-
лении рд и коэффициенте объемного действия г)у.
Ориентировочно для аппаратуры £ут. ап — 0,017 см3/(МПа-с);
для цилиндров £Ут.ц = 0,0344-0,05 см3/(МПа-с); для гидромоторов
£ут. м = 0,84-1,2 см3/(МПа-с).
6. Определение величины необходимых подач рабочей среды
для каждого гидравлического исполнительного органа в отдельности:
Qp ~ Спол + Ара-
7. Определение наибольшей производительности насосной стан-
ции, которая может потребоваться в процессе работы всех механиз-
мов станка. Последовательность участия в работе гидравлических
Ю п/р В. Э. Пуша 289
исполнительных органов, а также их одновременная работа опреде-
ляются технологическим процессом и номенклатурой заготовок.
Поэтому на данном этапе анализируются возможные сочетания (за-
боты гидравлических органов и отмечается такое, которое требует
наибольшей подачи насоса.
В зависимости от характера возможных сочетаний работы оцени-
вается возможность применения аккумуляторов или периодически
подключаемых насосов и пр
Давление, создаваемое выбираемыми насосами, должно быть боль-
ше давления, на которое настраивается предохранительный клапан,
т. е.
Рдоп. н Ркл max-
Мощность приводного электродвигателя выбирают в соответствии
с неравенством
дг QhPkji max
где QH — подача насоса, л/мин; — давление настройки пре-
дохранительного клапана, МПа; ц,,—общий коэффициент полез-
ного действия насоса.
8. Определение коэффициента полезного действия гидравличе-
ской системы, как отношение полезной работы к затраченной:
, Опол г'Рпол th
Пг-с = ’
где индексом i — помечены номера гидравлических исполнительных
органов; t — время работы этих органов в течение одного цикла про-
должительностью Т.
9. Количество теплоты, выделяемое гидравлической системой,
0= 0д£щ.(1_Я:;с).
10. В прецизионных станках накладывают условие на повыше-
ние температуры рабочей жидкости в гидросистеме исходя из допу-
стимых температурных деформаций корпусных деталей станка.
В этом случае необходимо выбирать коэффициент теплоотдачи /гт
и поверхность излучения теплообменника ST:
ь $ >
ZCTU>T -sS ду, f
где АТ — допустимое повышение температуры.
Если нет таких ограничений, то из условия работоспособного
состояния рабочей среды температура не должна превышать 55 °C,
т. е.
290
где Тм — температура рабочей среды; То — температура окружаю-
щей среды; S6, ST — поверхности излучения бака и теплообменника;
&б, kr — коэффициенты теплопередачи бака и теплообменника.
Ориентировочно для бака, расположенного в нише станка,
Ас= ["йт]’ для бака, расположенного вне станка, ke —
Г 1
= 15 ; для бака, обдуваемого вентилятором, ke = 234-
[Вт *1
; для воздушного' теплообменника Ат = 70 4-
fgT Л Г £ Вт 1
; для водяного теплообменника Ат = 1204-230 I
Уточненные расчеты проводят для оценки переходных процессов
в гидравлических системах. В зависимости от поставленной задачи
рассматривают частотные характеристики системы, а в отдельных
случаях расчет ведут с учетом распределенных параметров системы
ГЛАВА 16
МАНИПУЛЯТОРЫ *
§ 1. МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СМЕНЫ ЗАГОТОВОК
Автоматизация вспомогательных операций смены заго-
товок и деталей на станках с ЧПУ создает предпосылки для внедрения
трудосберегающей («безлюдной») технологии в механообрабатываю-
щем производстве, а также повышает его эффективность за счет со-
кращения простоев станков между отдельными рабочими циклами.
Из-за многообразия компоновочных схем станков и способов их
загрузки, а также типов изготавливаемых деталей конструкции
устройств для автоматической смены заготовок могут быть различ-
ными. В автоматизированных станочных системах данные устрой-
ства, как правило, включают в состав гибкого производственного
модуля для соединения его с транспортными и накопительными уст-
ройствами. При этом выбор конструкции загрузочного устройства
к станку зависит от принятой схемы транспортно-накопительной
системы. В то же время загрузочные устройства целесообразно
механически отделить от станка для его виброизоляции. Конструк-
тивная автономность устройств автоматической смены заготовок соз-
дает возможность нх проектирования в виде достаточно универсаль-
ных манипуляционных механизмов, имеющих собственные приводы
и средства электро-, гидро- или пневмоавтоматики.
Автоматические загрузочные устройства для заготовок типа тел
вращения, обрабатываемых на многоинструментальных токарных,
кругло- или внутришлифовальных станках с ЧПУ, могут быть вы-
полнены в виде манипуляторов с поворотным или рычажным
захватным механизмом (табл. 16.1).
Поворотные загрузочные устройства к станкам с ЧПУ предназна-
чены для манипулирования главным образом длинными заготовками
10*
291
16.1 Схемы манипуляторов для заготовок типа тел вращения, обрабатываемых на станках с ЧПУ.
292
(типа валов), обрабатываемыми на станке в центрах. В этом случае
цикл обслуживания станка, который сводится к снятию обработан-
ной заготовки и установке следующей, можно осуществить прн
повороте двухзахватного механизма на 180°. Если заготовку обра-
батывают в патроне станка, то поворотное загрузочное устройство
должно иметь дополнительное осевое движение. В зависимости от
числа обслуживаемых позиций, одной из которых является рабо-
чая позиция — шпиндель станка, а остальные — вспомогательные
позиции транспортно-накопительной или контрольно-измерительной
системы, поворотные загрузочные устройства могут быть двух-
или многопозиционными.
Схемы трехпозиционного поворотного загрузочного устройства
для токарных станков с ЧПУ приведены в табл. 16.1 (схемь^/а,
б ив). Захват очередной заготовки осуществляется непосредственно
с ленты транспортера-накопителя или из магазина, где заготовки
предварительно установлены в ориентированном виде на специ-
альных призмах. Другие позиции манипулятора совпадают с осью
шпинделя станка или с позицией контроля обработанной на станке
детали.
Конструктивной особенностью приведенных в табл. 16.1 схем 1а
и 16 поворотного загрузочного устройства является обеспечение
гипоциклоидной траектории движения заготовки за счет одновре-
менного вращения захватного устройства вокруг своей оси и поворота
головки со схватом относительно параллельной оси, смещенной на
величину эксцентриситета е. В этом случае при достижении конечных
положений (позиций 1, 2 и 3) скорость перемещения заготовки ав-
томатически снижается, что обеспечивает повышение точности ее
позиционирования. Кроме того, при гипоциклоидной траектории
движения центра схвата исключается возможность столкновения
заготовки с резцедержателем станка, зажимными и транспортными
устройствами, а также уменьшается время общего цикла обслужи-
вания станка.
Для параллельного обслуживания двух рабочих позиций (на-
пример, в двухшпиндельном станке) загрузочное устройство выпол-
няют двуруким с неизменяющимся относительным положением рук
на поворотном устройстве, определяемым углом <р между одноимен-
ными позициями 1 и Г, 2 и 2' и т. д. (схема /в).
Конструкции захватных устройств и формы их зажимных губок
зависят от типоразмеров обрабатываемых на станке заготовок.
Обычно губки имеют призматическую форму и достаточно большой
развод при разжиме, создающий возможность при одной настройке
манипулировать заготовками, у которых диаметральные размеры
достигают 40—50 мм. Возможно применение сменных схватов.
Поворотные загрузочные устройства можно монтировать на кон-
соли, жестко закрепленной на каретке, которая перемещается над
станком по направляющим траверсы (схема /а). Такая конструкция
загрузочного устройства отличается компактностью и предназначена
для обслуживания нескольких позиций, расположенных вдоль оси
траверсы в рабочей зоне манипулятора. В других конструкциях
293
загрузочных устройств их поворотная часть, несущая схваты, уста-
новлена неподвижно, например, на корпусе магазина-накопителя
заготовок, образуя единый магазинный загрузочный механизм
(схема 16). Данный механизм для загрузки заготовок может передви-
гаться вдоль оси станка, освобождая рабочее пространство для об-
служивания и наладки.
Рычажные загрузочные устройства предназначены для манипули-
рования тяжелыми заготовками типа валов (массой до 500 кг и дли-
ной до 3 м), а также для загрузки средних по размерам заготовок
фланцевого типа.
Рычажные устройства выдвижного типа выполнены в виде штока
со схватом, совершающим возвратно-поступательное движение. По-
воротные рычажные устройства представляют собой механическую
руку с двумя или тремя степенями подвижности и захватным устрой-
ством. Цикл работы манипуляторов задается с помощью средств
путевой электро-, гидро- или пневмоавтоматики.
Манипулятор для загрузки заготовок фланцевого типа, обра-
батываемых в патроне станка, может быть простым с поворотно-
качательным движением руки. Заготовка в захватном устройстве
базируется по торцу. Осевое перемещение для установки ее в патрон
станка осуществляется специальным выталкивателем, встроенным
в схват. Загрузочный манипулятор для заготовок типа валов имеет
более сложную, например эллиптическую, форму движения схвата
за счет поворотного и осевого перемещения механической руки.
Осевое перемещение руки обеспечивает, например, специальный
кривошипный механизм.
Такая сложная траектория движения схвата является рацио-
нальной с точки зрения закона изменения скорости и направления
подвода и отвода в позицию / снятия очередной заготовки с транспор-
тера и позицию 2 установки ее в шпиндель станка. Показанная на
схеме в табл. 16.1 эллиптическая траектория движения схвата соот-
ветствует циклу загрузки станка; при разгрузке движение произво-
дится в обратном направлении. Захватное устройство можно легко
переустанавливать вдоль горизонтальной и вертикальной осей, а
затем закрепить винтами. За счет дополнительных перемещений ры-
чагов руки относительно друг друга загрузочное устройство перена-
лаживают в зависимости от длины и диаметра заготовок. Зажимные
губки схвата также можно легко заменить.
Для рычажных устройств характерно двурукое исполнение:
два манипулятора, которые установлены на общей каретке, перемеща-
емой по направляющим траверсы, совершают одновременные воз-
вратно-поступательные движения, всегда находясь в противополож-
ных позициях (схема 26). При этом один манипулятор оперирует
заготовками, а другой — деталями. Для одновременного манипу-
лирования заготовкой и деталью манипулятор может быть двух-
захватным с дополнительным поворотным движением головки отно-
сительно оси руки на угол 180° (схема 2а).
Загрузочные устройства для заготовок типа колец и дисков,
которые базируются на транспортере или в магазине-накопителе
294
по торцу, требуют исполнительных движений кантования перед ус-
тановкой в патрон станка, а также после обработки для установки
детали в приспособление-спутник транспортной системы. Дополни-
тельная позиция, подготавливающая заготовку для загрузки ее
в станок или для установки в приспособление-спутник, обслужива-
ется специальным манипулятором-кантователем (схема 1г). Цикл
работы манипулятора-кантователя включает в себя следующие дви-
жения: захват заготовки в позиции 0, подъем и снятие ее с приспосо-
бления-спутника транспортно-накопительной системы, поворот в по-
зицию 1 с одновременным кантованием на 90°, разжим после уста-
новки в загрузочное устройство. После обработки загрузочное уст-
ройство передает деталь в позицию 1 для захвата манипулятором-
кантователем, который вновь переносит ее с одновременным поворо-
том на 90° в начальную позицию 0 и устанавливает в приспособление-
спутник. Использование кантователя необходимо также при обрабо-
тке заготовок с двух сторон при переносе их с одной рабочей позиции
в другую (схема 26). Захватное устройство кантователя выполняют
сменным для возможности настройки на определенный типоразмер
деталей.
Автоматическая смена заготовок призматического типа, обрабаты-
ваемых на многооперационных станках с ЧПУ, может быть осущест-
влена двумя принципиально различными способами с использованием
многопозиционных рабочих столов станка, имеющих возвратно-
поступательное или поворотное делительное движения, или авто-
номных загрузочных устройств, установленных рядом со станком.
При первом способе загрузки на столе станка устанавливают
несколько приспособлений-спутников таким образом, чтобы во время
обработки заготовки на рабочей позиции на других вспомогательных
позициях были возможны снятие обработанной детали или уста-
новка очередных заготовок. Благодаря возвратно-поступательному
или поворотному делительному движению стола станка либо уста-
новочному перемещению стойки со шпинделем производится смена
его рабочей позиции. Однако такой способ смены заготовок требует
значительной длины установочных перемещений или увеличения
размеров стола для установки многопозиционного поворотного уст-
ройства.
В большинстве многооперационных станков используют различ-
ные схемы автоматической смены столов-спутников с автономными
одно,- двух- или многоместными загрузочными устройствами
(табл. 16.2). Применение сменных столов-спутников, на которых
заготовки предварительно закрепляются, а затем переносятся в ра-
бочую позицию либо переустанавливаются при многопозиционной
обработке, контролируются и передаются на межстаночные транс-
портные средства, дает возможность автоматически сменять заго-
товки любой сложной формы и обеспечивать их постоянное базиро-
вание в процессе обработки.
Одноместные загрузочные устройства располагают вдоль продоль-
ной оси станка по обе стороны его стола (схема 1а). Цикл смены за-
готовки включает в себя прямолинейное перемещение стола станка
295
16.2. Схемы манипуляторов для автоматической смены заготовок
на многооперационных станках с ЧПУ
Тип загрузочного устройства Загруака Схема загрузки
Одноместные Продольная (схема 1а) Поперечно-продольная Т-образная (схема 16) Поперечно-продольная Г-образная (схема 1в Поперечно-продольная П-образная (схема 1г) 4—
Двухместные Поперечная (схема 2а) Поперечная загрузка и поворот- ное перемещение загрузочного устройства (схема 26)
Многоместные Продольная двусторонняя (схема За) Поперечная загрузка и параллель- ное перемещение транспортера (схема 36) Поперечная загрузка н кольцевое движение транспортера (типа ка- русели) (схема Зв) 3 Т А
296
к свободному загрузочному устройству для переустановки на него
стола-спутника с обработанной деталью, а затем к другому загрузоч-
ному устройству, на котором находится стол-спутник с очередной
заготовкой. Для сокращения времени смены заготовки можно ис-
пользовать дополнительные подвижные каретки, которые при смене
стола-спутника одновременно подводятся с двух сторон к зафикси-
рованному в центральной позиции столу станка. Однако в этом слу-
чае конструкция загрузочного устройства усложняется.
При Т-образной схеме перемещений столов-спутников (схема 16)
два одноместных загрузочных устройства установлены поперечно
по обе стороны стола станка в его крайнем положении, что позволяет
произвести смену заготовки при одном продольном перемещении
стола в позицию загрузки, а для поперечных перемещений столов-
спутников использовать общий привод.
Г-образная схема перемещений столов-спутников (схема 1в)
предполагает размещение двух одноместных загрузочных устройств
под прямым углом друг к другу в одном из крайних положений стола.
При такой схеме зона обслуживания загрузочных устройств стано-
вится наиболее удобной для применения грузоподъемных механиз-
мов или автоматических манипуляторов. Однако стол станка в этом
случае должен иметь поворотное устройство для совмещения тран-
спортных направляющих стола и каждого из загрузочных устройств.
Широкое применение находит П-образная схема перемещений
столов-спутников (схема 1г), расположенных на двух одноместных
загрузочных устройствах, которые установлены перпендикулярно
к оси стола станка, симметрично относительно его центра. Цикл
смены заготовки включает в себя поочередно установочные движения
стола к каждому загрузочному устройству.
Двухместные загрузочные устройства в отличие от одноместных
имеют две платформы с направляющими для установки на них
столов-спутников. При этом платформы имеют собственный общий
привод, обеспечивающий либо маятниковый цикл движений вдоль
продольной оси станка (схема 2а), либо поворотное движение на
угол 180° относительно вертикальной оси (схема 26).
Конструктивная схема двухместного загрузочного устройства
для многооперационных станков с горизонтальным шпинделем пока-
зана на рис. 16.1. Особенностью данной конструкции является ис-
пользование перемещений стойки станка вдоль оси шпинделя для
перестановки столов-спутников с загрузочной платформы на стол
станка и обратно. Из-за отсутствия специальных приводов для пере-
мещения столов-спутников конструкция загрузочного устройства
при такой схеме упрощается. На неподвижном основании 1 имеются
горизонтальные направляющие 2, по которым могут перемещаться
салазки 3 с платформами 11 и 12, а на каждой из платформ — по-
перечные направляющие для столов-спутников 10 и 13. Захватное
устройство 5, выполненное в виде оправки с Г-образным пальцем на
его конце, устанавливается в одном из гнезд инструментального ма-
газина 8. При команде на смену заготовки стол 4 станка перемещается
в позицию разгрузки, в которой его транспортные направляющие
297
Ь
совмещаются е поперечными направляющими свободной платформы
11. Захватное устройство 5 механизмом 7 автоматической смены ин-
струментов устанавливается в шпиндель 6. Шпиндель опускается
вниз до уровня стола-спутника 10 и поворачивается в одну из фик-
сированных угловых позиций, в которой Г-образный палец входит
в паз специального замиа 15 на столе-спутнике, захватывая его.
После этого стол-спутник разжимается и при перемещении стойки 9
вперед устанавливается на платформу 11. Затем салазки 3 гидро-
цилиндром 14 передвигаются в позицию загрузки, в которой на-
правляющие стола 4 и платформы 12 совмещаются, а палец схвата
Рис. 16.1. Многооперационнын станок с ЧПУ и устройством автоматической смены
столов-спутников для заготовок и деталей
входит в паз замка на столе-спутнике 13. При перемещении стойки 9
назад стол-спутник 13 с заготовкой переставляется на стол станка.
По окончании смеиы заготовки оправка поворачивается в исходное
угловое положение, освобождая спутник, а затем переносится в ин-
струментальный магазин.
Для обеспечения длительной работы станка без вмешательства
оператора применяют многоместные загрузочные устройства, схемы
которых приведены в табл. 16.2.
Схема За соответствует загрузке станка заготовками, установ-
ленными на столах-спутниках, с платформ, которые расположены
вдоль продольной оси станка с двух противоположных сторон.
Многоместное загрузочное устройство, показанное на схеме 36,
обеспечивает параллельное перемещение столов-спутников перпен-
дикулярно оси станка. Многоместные загрузочные устройства можно
строить по типу карусельного транспортирующего механизма с по-
перечным движением стола-спутника в перегрузочной позиции
(схема Зв).
Устройства смены заготовок для станков, встроенных в гибкие
производственные комплексы, связаны с общей транспортной систе-
мой автоматической линии, участка или цеха. В условиях гибкого
298
автоматизированного производства столы-спутники должны автома-
тически распознаваться, чтобы по коду очередного спутника, нахо-
дящегося в позиции загрузки, подготовить нужную управляющую
программу и комплект режущих инструментов для станка с ЧПУ.
При этом вызов управляющей программы и выбор инструментов осу-
ществляются с помощью ЭВМ. В связи со сложностью обеспечения
стабильной точности при автоматической установке заготовок на
разных столах-спутниках применяют дополнительные устройства
для контроля действительного положения стола-спутника при
установке его на станок с автоматическим вводом коррекции в управ-
ляющую программу.
§ 2. МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СМЕНЫ ИНСТРУМЕНТОВ
Устройства смены инструментов в станках с ЧПУ вклю-
чают в себя накопители необходимых инструментов (шпиндельные ре-
вольверные головки, многопозиционные резцедержатели, инстру-
ментальные магазины, склады-стеллажи), автооператоры или ма-
нипуляторы с захватными механизмами, зажимные механизмы
в шпинделе или резцедержателе, транспортирующие механизмы и
устройства управления, обеспечивающие автоматический цикл по-
иска необходимого инструмента, передачу его в рабочую зону станка,
установку в определенной позиции в инструментальном шпинделе
или резцедержателе, контроль состояния во время рабочего цикла
и возврат в конце цикла в накопитель или на склад.
Данные устройства должны обеспечить точность и стабиль-
ность положения инструмента в шпинделе или резцедержателе,
жесткость и надежность его закрепления, минимальное время
смены инструментов, достаточно большую емкость накопителя,
компактность конструкции, возможность унификации и агрегати-
рования. Конструкции устройств смены инструментов разнообразны
и могут быть выполнены с автооператором (манипулятором) или
без. него. Устройства, работающие без автооператора, чаще всего
представляют собой многопозиционные резцедержатели или револь-
верные шпиндельные головки, в которых предварительно устанавли-
вают необходимый набор инструментов. В процессе обработки детали
на станке резцедержатель или револьверная головка периодически
поворачивается и фиксируется. В зависимости от направления оси
вращения они могут быть горизонтальными, вертикальными или
наклонными. В отличие от резцедержателя с неподвижно закреплен-
ными инструментами в револьверных головках шпиндель, находя-
щийся в рабочей позиции, приводится во вращение от главного
привода станка.
Поворотные резцедержатели и револьверные головки обеспечи-
вают быструю смену инструментов (время смены 1—3 с), отличаются
простотой конструкции и возможностью унификации и агрегатно-
модульного построения. Однако число инструментов в этих устрой-
ствах ограничено (до 6—12 шт.), так как с увеличением числа пози-
ций возрастают габаритные размеры, снижается жесткость конст-
рукции и уменьшается рабочая зона станка.
299
Для повышения жесткости шпинделя и увеличения его хода
используют револьверные головки для размещения в них набора -
унифицированных сменных инструментальных оправок. Такая ре-
вольверная головка представляет собой инструментальный магазин,
непосредственно расположенный на шпиндельной бабке.
Конструкция револьверной головки со сменными инструменталь-
ными оправками и наклонной осью вращения показана на рис. 16.2.
В рабочей позиции шпиндель 6 станка и инструментальная опра-
вка 2 устанавливаются соосно, что позволяет шпинделю при его
движении вниз (вместе со шпиндельной бабкой) захватить инстру-
мент, обеспечив беззазорную посадку конической оправки в отвер-
стии шпинделя. При дальнейшем выдвижении шпинделя осущест-
вляется фиксация установленной инструментальной оправки с по-
мощью торцовых шпонок 1, входящих в пазы на фланце оправки.
Инструментальную оправку зажимают тарельчатые пружины 7,
которые выдвигают вверх штангу 8 вместе со втулкой 4 и шариками,
захватывающими выступы стержня 3 на хвостовике оправки. Для
фиксации инструментальной оправки шпиндель должен быть пред-
варительно установлен в определенное угловое положение гидро-
цилиндром 9, шток которого посредством пальца, входящего в винто-
вой паз на втулке 10, поворачивает приводной вал с шестерней 5.
Контроль правильности позиционирования шпинделя осуществля-
ет бесконтактный датчик положения 11.
После завершения операции обработки детали шпиндельная
каретка 14 цилиндром 12 поднимается вверх, освобождая оправку
с инструментом. Одновременно осуществляется разжим инструмен-
тальной оправки гидроцилиндром 13, шток которого нажимает на
штангу 8 и, преодолевая усилие пружин 7, опускает втулку 4 до
тех пор, пока шарики не закатятся в кольцевую канавку в отверстии
шпинделя и не освободят хвостовик оправки. Оправка остается в ма-
газине 19, удерживаясь в его гнезде фиксатором 20, а шпиндель под-
нимается выше, пока его передний конец полностью не освободит
инструмент.
Револьверная головка поворачивается относительно оси 18
гидроприводом 16 и зубчатой передачей 17 в следующую позицию
до совмещения оправки 15 очередного инструмента с осью шпинделя.
Затем цикл работы механизма повторяется.
Большинство многооперационных станков с ЧПУ имеют устрой-
ства с магазином инструментов и совместно выполненным с ним авто-
оператором. Если инструментальный магазин большой вместимости
представляет собой автономное устройство, то дополнительно име-
ются автоматические транспортирующие механизмы, транспортные
манипуляторы или тележки для перемещения выбранного в магазине
инструмента в позицию захвата его автооператором и возврата за-
меняемого инструмента в магазин.
Конструктивная схема устройства смены инструментов в значи-
тельной степени зависит от типа магазина, который, в свою очередь,
определяется числом размещаемых инструментов (вместимостью
магазина). При относительно небольшой вместимости (не более 20—
300
301
25 инструментов) применяют дисковые инструментальные магазины,
размещаемые непосредственно на шпиндельной бабке станка. Такие
магазины могут быть с различным расположением инструментов
относительно оси вращения диска: параллельным, радиальным или
наклонным.
При большем числе инструментов (до 40—50 шт.) целесообразно
использовать многосекционные барабанные или планетарные мага-
зины, представляющие собой либо многорядные дисковые устрой-
ства, либо многопозиционные инструментальные головки, в каждой
позиции которых устанавливается поворотный дисковый магазин
с небольшим числом (4—6 шт.) инструментов. Многосекционные
Рис. 16.3. Устройство автоматической
смены многошпиндельных насадок в аг-
регатном стайке с ЧПУ
Рис. 16.4. Схема токарного стайка
с ЧПУ и устройством автоматической
смены резцовых головок
инструментальные магазины устанавливают непосредственно на
станке или на отдельной стойке. При дальнейшем увеличении вме-
стимости (до 100—140 шт. и более) необходимо применять цепные
магазины, устанавливаемые на колонне станка или на отдельном
основании и изготавливаемые в виде автономных агрегатов, предна-
значенных для встройки в гибкие производственные модули.
В агрегатных станках с ЧПУ может осуществляться автоматиче-
ская смена комплектов одновременно работающих инструментов
(рис. 16.3). Сменные многошпиндельные насадки 1, которые пред-
варительно устанавливают в специальном магазине 2, выполненном
в виде многопозиционного поворотного стола, затем автооператором 4
с наклонной осью вращения переносятся к шпинделю агрегатной
силовой головки 3 станка.
В гибких производственных комплексах на базе многоопераци-
онных станков требуется дополнительное транспортирование ин-
струментальных магазинов из склада-стеллажа, установка их на
станок и возврат снятых со станка магазинов на склад. При большом
числе инструментов (более 100 шт.), имеющих массивные державки,
целесообразна смена только их режущих головок.
Токарный станок с ЧПУ и устройством автоматической смены
резцовых головок показан на рис. 16.4. Сменные головки с унифи-
цированными базовыми поверхностями для быстрой установки и
302
крепления их на инструментальной державке предварительно за-
гружают в магазин 1, выполняющий функции инструментального
склада. Автооператором 2 осуществляется замена режущих головок
в многопозиционном резцедержателе 3. После замены режущих го-
ловок измерительный щуп 4 контролирует размеры инструментов.
Большой запас инструментов создает условия для длительной работы
гибкого производственного модуля без участия рабочего, а также
расширяет технологические возможности входящего в него станка.
Механизмы смены инструментов с автооператором, наиболее
часто'применяемые в станках с ЧПУ, приведены в табл. 16.3.
В таблице использованы следующие условные обозначения:
I, II, III — положения схвата автооператора; М — магазин; И —
инструмент; Ш — шпиндель; ЗУ — захватное устройство; РГ —
револьверная головка; К — кантователь; —>-И-« зажим инстру-
мента в шпинделе; И—>- — разжим инструмента в шпинделе;
3—*жи) — захват инструмента из магазина (шпинделя);
>—иц(ш} — установка инструмента в магазине (шпинделе);
О ед — поворот магазина (захватного устройства);
-*|»- (®@) — поступательные движения в плоскости чертежа (пер-
пендикулярно данной плоскости).
Для переноса инструмента из дискового магазина в шпиндель,
когда их оси параллельны, а расстояние между положениями ин-
струмента в магазине и шпинделе не превышает 250—300 мм, при-
меняют однозахватные автооператоры рычажного типа, совершающие
одно простое вращательное (схема 1а) или поступательное (схема 16)
движение захватного механизма. Для обеспечения минимального
времени смены инструмента (до 1 с), необходимого только для пово-
рота револьверной головки, и увеличения числа инструментов
в одном комплекте (до 25—30 шт.) часто применяют инструменталь-
ный магазин в сочетании с револьверной головкой (схема 16).
Двухзахватные механизмы автооператоров, в которых к моменту
окончания какой-либо операции непосредственно у шпинделя рас-
полагается захватное устройство для снятия заменяемого инстру-
мента, а вновь устанавливаемый инструмент уже подготовлен и на-
ходится во втором схвате, также обеспечивают малое время (2—3 с)
смены инструмента. Это достигается за счет совмещения с основным
временем станка всех дополнительных движений автооператора,
непосредственно не связанных с перестановкой инструментов в шпин-
деле и обеспечивающих возвращение отработавшего инструмента
в магазин, поворот магазина для поиска нового инструмента, захват
и перенос данного инструмента к шпинделю.
Механизмы с двухзахватным автооператором, совершающим про-
стые вращательные и поступательные перемещения, показаны на
схемах 2а, 26 и 2в. Если оси инструментов в магазине и шпинделе
не параллельны или направления этих осей противоположны, то
применяют двузахватные автооператоры, совершающие одновременно
303
с переносом инструмента из магазина в шпиндель станка его поворот
на 90° (схема 2г) или на 180° (схема 2д).
При необходимости частой смены небольшого числа инструмен-
тов применяют многозахватные автооператоры с последовательными
простыми движениями схватов. Многозахватный автооператор с пря-
молинейным движением в радиальном направлении показан на схе-
ме За. Установка инструмента в шпиндель и изъятие из него осуще-
ствляется за счет возвратно-поступательного движения шпинделя
перпендикулярно плоскости перемещения схватов.
/63- Механизмы автомаческоа смены инструментЛ
автоаператаром и магазином
Тип авто-
оператора
Схема механизма
Цикл работы механизма
Однозахватный:
с качательным
и осевым движе-
ниями
с прямолинейным
осевым движе-
нием и
револьверной
головкой
Двухзахватный:
с вращатель-
ным и осевым
движениями
с прямо-
линейными .
радиальными
движениями и
2 магазинами
с вращатель-
ным и радиаль -
ным движениями
® ЗУ; ЗУ(Ш );© ЗУ; о*- И, М;
)ЗУ(11);)м;
)ЗУ(Ш);>*-И2М;®ЗУ;
>ЗУ (У);© ЗУ;З^И2Ш; -*-И2-^;
)ЗУ(В '
♦ ЗУ;У^ИПШ;^ИП-^;
ПЗУ; 3*-ИПМ;
ПЗУ;)»;
ПЗУ; У^И^М;
)ЗУ;>нИп.1Ш;-^ип^
ПЗУ;) РГ___________
I ЗУ; У-И1Ш;-*- И,~;>*Н2»;
+ ЗУ;)ЗУ (180^;
ПЗУ;У-н2 И ,*-;>*- И,М;
)ЗУ (90*>; ПЗУ; )М______________
I ЗУ, \ЗУ.;
® М,; ЗУ2;>- И2Ш;-~ Й2<*-;
ПЗУ2;® М,;)»,;®»,;^^»;®»,;
ПЗУ2; У^-Н2Ш;ж-И2-^;^ЗУ2;®»2;>*-в2192;
© М2; )М2;® »2_________
- «-ЗУ (Ш );>-И2 М; ЗУ (I);
- ^ЗУ(В .
)ЗУ;®Ш;У^У2Ш;^И^-;
*-ЗУ(ЦТ)>*И2М;
-~ЗУ(1);)М
вращаты:онс,ми
Вокруг наклонной
оси и осевым
движениями
с вращатель-
ным и осевым
движениями
совместно с
двухпозиционной
револьверной,
головкой.
I Ш;
}ЗУ
А-ЗУ;)ЗУ (180°);
^ЗУ; 3* И2 У, М;
4-ЗУ;) ЗУ (90е;;) М;
^ЗУ;
| ш
-^РГ;)ЗУ(90Ъ
®ЗУ;>^И2Ш; -*-М2-^; >^и}м-2
—РГ;®ЗУ; 13У (180*);-^РГ;®ЗУ; ’
>-И,П;2м- Н3Ш;-^И^ ;+РГ;® ЗУ;
)рг (Ж1); )ЗУ (90s) ;)М.
304
ГЬоНмжетгр гм fa. 1S. $
Тип авто-
оператора
Многозахватный
с радиальными
движениями и
неподвижным
магазином
Схем'а механизма
За.
м
щ ®'® И,
35
с дополнитель-
ным захватным
устройством
с качательным
движением
И
Ш
ЗУ1
ЗУ
э®
Цикл работы механизма.
©ш;
)ЗУ,(1);)ЗУ2(,И);
®Ш;
~>-и2Ш; — и2—; \зу2(1)
/зу (уо*);
®ЗУ;У-Н,Ш;—И,—;>-И2ЗУ,; ©ЗУ; /зу(юо*
®ЗУ;>-у2Ш;-—и2—;у-и,зу,; ®ЗУ;/ЗУ(9О1
©ЗУ,}/ЗУ,;
®зч.-р^и,М;
®ЗУ,;/М;
®ЗУ,(м~И3М;
©ЗУ,;/ЗУ,; ©ЗУ,
с дополнитель-
ным захватным
устройством
с осевым и
радиальным
движениями
с дополнитель-
ным захватным
устройством .
с радиальным
движением
. с дополнитель-
ным захватным
устройством
с вращатель-
ным и осевым
движениями и
кантователем
с качательным
движением
ЗУ
Зв Jj^^l
-
"г
Зд
Иг
И,
Зг
/ЗУ (У^-^ЗУ^^Ш^И.-^-^ИгЗУ,;
—ЗУ;) ЗУ,;
/ЗУ (fSO*); —ЗУ,(Т)?
-ЗУ;3-И,Ш; — Н2—;
—ЗУ;/ЗУ (90*);
)ЗУ,;3>-И,М;
)ЗУ,;/М;
/ЗУ, (т);у-и3М;
+4(7)
) зу (уо*>;
| ЗУ; ЗУ,;
)ЗУ;—-ЗУ,(Т); )М;
/зу (180*/;
)зу;У-и2ш;—и2-;
| ЗУ;) ЗУ (90*);
ЗУ,У*И3М;
ЗУ, (д')
)ЗУ (90Л)-,-*ЗУ1>»И1Ш;^-И^>’ИгК
—ЗУ;/ЗУ (»”);
ЗУ; >-И2 ш;-^и,—Т>*- //, к;
ЗУ;/ЗУ (УО*);/К (90° в полож.Т);
©ЗУ,;). ЗУ, (т;
®ЗУ,;У*-И,М;У*-И3К;
®зу,;)п; )к(90’ вполож.и)
При размещении инструментального магазина на значительном
расстоянии от шпинделя станка применяют схемы многозахватных
автооператоров, обеспечивающих предварительное перемещение ин-
струмента из магазина в промежуточную позицию, а затем из этой
позиции в шпиндель станка. Для этого обычно используют допол-
нительный однозахватный автооператор, совершающий простое ка-
чательное (схема 36), комбинированное — осевое и радиальное
(схема Зв) или только радиальное возвратно-поступательное (схема
Зг) движение относительно инструментального магазина.
305
При необходимости изменения ориентации инструментальной
оправки перед установкой ее в шпиндель станка или магазин устрой-
ство смены оснащают специальным однозахватным автооператором-
кантователем (схема Зд). Кантователь передает инструмент из пози-
ции I, в которую он предварительно переносится из магазина, в по-
зицию II для установки в шпиндель (или, наоборот, из позиции II
в позицию I при возврате инструмента в магазин). Оси инструмен-
тальных оправок в позициях I и II взаимно перпендикулярны.
Рис. 16.5. Захватное устройство
клещевого типа
Рис. 16.6. Захватное устройство типа
охватывающей скобы с фиксирующим
устройством
Важным узлом инструментального автооператора является зах-
ватное устройство,, которое удерживает инструмент за счет силы
зажима. Наибольшее распостранение получили захватные устрой-
ства с радиальным зажимом инструментальной оправки за ее ци-
линдрическую поверхность. Реже используют захватные устройства
с осевым зажимом за фланец оправки. Закрепление инструмента
в схвате в обоих случаях осуществляется за счет сил трения при сжа-
тии губок (в схватах клещевого типа) либо с помощью фиксирую-
щего устройства (в схватах типа -охватывающей скобы или в схватах
с губками для осевого зажима).
Захватное устройство с силовым закреплением состоит из при-
вода (механического, гидравлического или комбинированного) и
передаточного механизма, обычно с самотормозящим звеном для
повышения надежности зажима. Примером такого устройства может
служить схват клещевого типа (рис. 16.5). Втулка 1, на которой
установлены на осях серьги 2, передвигается вдоль оси схвата вместе
306
со штоком гидро- или пневмоцилиндра (на рисунке не показан).
Противоположные концы каждой серьги 2 шарнирно закреплены на
рычагах 3, в передние части которых устанавливают сменные за-
жимные губки 4, имеющие трапецеидальный профиль для захвата
инструментальной оправки 5 с V-образной кольцевой канавкой.
Ось 6 качания каждого из рычагов 3 закреплена в корпусе 7. Раз-
жим инструмента осуществляется при движении штока вперед, а
зажим — при его отходе назад под действием пружины 8. Торцовые
шпонки 9, передающие крутящий момент от шпинделя станка на
инструмент, при данной конструкции схвата должны быть срезаны
(на рисунке не показано) для свободного прохождения губок 4
схвата над вращающейся вместе со шпинделем оправкой.
Конструкция захватного устройства типа охватывающей скобы
с фиксирующим устройством показана на рис. 16.6. Скоба 1 с V-
образным профилем для захвата инструмента за кольцевую канавку,
выполненную на его оправке 2, крепится винтами на поворотной
руке 6 автооператора. Фиксатор 3, имеющий такой же поперечный
профиль, установлен на рычаге 7, который может поворачиваться
относительно руки. Фиксатор к инструментальной оправке при ее
зажиме прижимается стержнем 4 под действием пружины 5. Отжим
выполняется в момент подвода корпуса руки к торцу шпинделя или
инструментального магазина, когда стержень 4 утапливается в спе-
циальный паз на подвижном упоре механизма выдвижения руки
(на рис. 16.6 не показан).
Для автоматического поиска необходимого инструмента ис-
пользуют различные методы кодирования непосредственно инстру-
ментальной оправки или гнезда магазина (рис. 16.7). Кодирование
самих инструментов осуществляют с помощью набора 1 колец,
закрепляемых на специальном цилиндрическом пояске оправки 2
(рис. 16.7, а). Считывающее устройство 3 контактного или бес-
контактного типа формирует двоично кодированные сигналы при
движении относительно него инструментального магазина. В мо-
мент совпадения кода инструмента, заданного управляющей про-
граммой, с кодовым сигналом считывающего устройства подается
команда на останов и фиксацию магазина инструментов. Данный
способ кодирования позволяет располагать инструменты в произ-
вольном порядке, что упрощает обслуживание станка с ЧПУ. Од-
нако при этом усложняется конструкция инструментальной оправки,
снижается ее жесткость, увеличивается масса магазина и время по-
иска инструмента.
Кодирование гнезд магазина выполняют либо кодовыми клю-
чами 4 (рис. 16.7, б), устанавливаемыми в специальные замки 5
рядом с соответствующим инструментом, либо кодовым барабаном
с набором 1 кулачков, который установлен в хвостовой части вала 6
магазина (рис. 16.7, в) или механически связан с его приводом.
Ключи, выполненные в виде пластин, с различными комбинациями
проточек (например, по двоично-десятичному коду) или соответству-
ющие каждой позиции магазина комбинации выступов кулачков на
барабане, воздействуют на контактные или бесконтактные микро-
307
переключатели считывающего устройства 3. Кодирование гнезд
магазина получило широкое применение в станках с ЧПУ главным
образом из-за сокращения времени поиска инструмента в связи с воз-!
мощностью выбора кратчайшего пути для вращения инструменталь-
ного магазина. Однако цикл работы механизма автоматической смены
инструментов и устройство его управления в этом случае усложня-
ются.
S)
Рис. 16.7. Устройства для кодирования инструментов
Перспективными являются способы кодирования и поиска ин-
струментов с использованием фотоэлектрических, электромагнитных
и других физических эффектов, позволяющие достичь наибольшей
компактности конструкции устройства. Для кодирования инстру-
мента в определенном месте нерабочего участка инструментальной
оправки прикрепляют небольшую этикетку, например, с ферромаг^
нитным слоем или штриховой шкалой, в котором записаны кодовый;
номер и параметры (геометрические, технологические и др.) данного
инструмента.
308
§ 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ МАНИПУЛЯТОРОВ
Характерными особенностями манипулирующих устройств
являются короткое время цикла работы, непостоянство массы и мо-
мента инерции исполнительных органов, большие динамические
нагрузки, колебания и удары в механизмах приводов во время пере-
ходных процессов (при разгоне, торможении и реверсе). В связи
с этими особенностями обеспечение высоких требований к быстродей-
ствию, точности, долговечности манипуляторов возможно только
при обоснованном выборе параметров их приводов во время пере-
ходных режимов работы.
Приводы манипулято-
ров — это системы, состоя-
щие из двигателя, передаточ-
ного механизма и устройства
управления совместно с дат-
чиками положения, скоро-
сти, силы и т. д. В качестве
двигателей манипулирующих
устройств используют гидро-
и пневмоцилиндры, гидро- и
пневмодвигатели с враща-
тельным или неполнопово-
ротным качательным движе- рис щ з. Графики изменения скорости в пе-
нием ротора, электродви- реходных режимах движения манипулятора
гатели постоянного и пере-
менного тока, линейные двигатели и электромагниты. Переда-
точные механизмы имеют редукторы (зубчатые простые, планетарные
и волновые) и преобразователи движения (зубчато-реечные, рычаж-
ные, кривошипные, кулачковые и некоторые другие). Общий коэф-
фициент передачи механизма с поступательным движением ka =
= ц/сод = iptM, где v — скорость исполнительного органа; сод —
угловая скорость двигателя; ip, i„ — соответственно передаточное
отношение редуктора и шаг (ход) механизма преобразования дви-
жения.
Переходные режимы исполнительных органов манипуляторов
характеризуются законом изменения скорости v их движения во
времени t (рис. 16.8). Наибольшее быстродействие механизма дости-
гается при треугольном законе изменения скорости, когда переход-
ный процесс совершается в два этапа: разгон с максимально возмож-
ным ускорением ар до скорости vmax, а затем торможение с наиболь-
шим замедлением ат до полной остановки. Ускорение при этом огра-
ничивается максимальным вращающим моментом двигателя Л4Д тах,
статическим моментом нагрузки Л4с, суммарным динамическим мо-
ментом инерции Je двигателя и механизма., приведенными к валу
двигателя с учетом общего коэффициента передачи ka : Л4с =
= knFc, Je = /д + k^m, где Fc — сила сопротивления движению
исполнительного органа; т — масса исполнительного органа; —
момент инерции двигателя..
309
Особенностью манипуляционных устройств является их не-
уравновешенность из-за переменности масс исполнительных орга-
нов, вследствие чего возникает дополнительный момент сопротивле-
ния, изменяющийся в зависимости от положения этих органов
при движении. На рис. 16.9 показана расчетная схема для определе-
ния момента неуравновешенности М„ для автооператора механизма
смены инструментов с горизонтальной осью вращения:
Мв = (ffii — т2) gr sin <р,
где ти тг — масса инструментов; г — расстояние между осями
автооператора и инструмента; ф — угловое положение автоопера-
Рис. 16.9. Расчетная схема для опре-
деления момента 7ИН неуравновешен-
ности авгооператора
тора; g — ускорение силы тя-
жести.
В зависимости от положения
автооператора направление дей-
ствия момента Мн может изме-
няться. Минимальнее время пере-
ходного процесса определяется
при треугольном законе измене-
ния скорости (см. • рис. 16.8) по
формуле
где I — путь перемещения испол-
нительного органа.
Максимальный момент привод-
ного двигателя Mamax и его мощ-
ность Рд П]ах при условии ОПТИМЭЛЬ-
ного быстродействия и практиче-
ском постоянстве (из-за малого
времени переходного процесса) статического момента нагрузки Мс
и динамического момента инерции привода определяют по фор-
мулам
472А<рд _ __ Дфд
дгаах
М'с
где Афд — угол поворота вала двигателя; kM = --------коэф-
фициент нагрузки двигателя по моменту.
Мгновенное изменение знака ускорения в точке начала тормо-
жения, приводящее к появлению ударов, а также необходимость
установки двигателя большой мощности делают закон треугольного
изменения скорости менее рациональным в сравнении с трапецеи-
дальным законом. При ограничениях скорости v и ускорении при раз-
гоне ар и торможение ят, соответствующих трапецеидальному зако-
ну изменения скорости уменьшаются габариты двигателя и затра-
ты энергии, снижаются ударные нагрузки на механизм привода и
увеличивается его долговечность.
310
Общее время отдельного движения механизма манипулятора
при трапецеидальном законе изменения скорости
t = 1/ 2j (йр + а‘^
Г арат (1 — -г2)’
где т — ty/t — параметр, характеризующий диаграмму скорости
движения; при трапецеидальном законе т > 0, а при треугольном
законе т = О, так как суммарное время разгона и торможения tp 4-
+ tT = t (1 — т).
Более удобной является формула
t = 1/ZL 1 + Д?)2
г ат у/К ат1
где I — общий путь исполнительного органа; а,г — модуль ускоре-
ния при торможении; ka = а^ат — коэффициент, зависящий от
соотношения ускорения при разгоне ар и торможении ат; v — ско-
рость установившегося (равномерного) движения.
Оптимальную скорость цопг движения исполнительного органа
манипулятора можно найти, если принять в качестве критерия мини-
мальное значение функции, являющейся линейной комбинацией зна-
чений быстродействия t и энергоемкости (или мощности привода),
обратно пропорциональной t3. Значение (ц/>/ат/)„ит = 0,54-0,6 по-
зволяй1 установить, что повт зависит от длины кода Г. при малых пе-
ремещениях не требуется высоких скоростей движений, с увеличением
длины хода знаиение цопт возрастает. Оптимальные значения ско-
рости поступательного движения рабочих органов манипуляторов
обычно от 0,4 до 1,2 м/с.
Номинальное значение ускорения ограничивается уровнем ко-
лебаний механизма привода. Для уменьшения этих колебаний не-
обходимо, чтобы время tT торможения было значительно больше пе-
риода Тк собственных колебаний привода; в большинстве случаев
Тк = 0,024-0,04 с и /т = 0,084-0,1 с. При малых ходах (/ = 0,154-
4-0,3 м) для выполнения этого условия необходимо, чтобы а, =
= 54—6 м/с2, при больших ходах (I — 0,74-0,8 м) ат = 104-12 м/с2.
Максимальный момент приводного двигателя /Ид гоах и его мощ-
ность Рд при трапецеидальном законе изменения скорости опре-
деляют по формулам
D 84 д<₽1
Если режим работы механизма является повторно-кратковремен-
ным, характеризующимся временем паузы между отдельными дви-
жениями и общим временем цикла = t + ta, то номинальный мо-
мент /Ид должен быть больше эквивалентного момента Л1д_ экв,
определяемого из условий нагрева двигателя:
Мд, акв = max V* //
311
Эквивалентная мощность двигателя 1
Рд. ЭКВ ~ Л1д. ЭКВ®Д, 1
где Юд — номинальная угловая скорость двигателя. |
Коэффициент перегрузки двигателя по моменту kM — Мятах/Мя. |
Полученные параметры дают возможность выбрать двигатель по 1
каталогу, а затем по характеристикам двигателя уточнить мини- I
мальное время выполнения движений манипулятора и провести про- |
ектный расчет его механизма, I
Характеристики приводов поступательного движения (с гидро- j
пневмоцилиндрами и другими линейными двигателями) выбирают по !
расчетным значениям параметров исполнительных механизмов ма- |
нипуляторов: наибольшей скорости тах и предельной нагрузке |
силой Fwax. По этим значениям и выбранному давлению р определяют 1
диаметр цилиндра 1
D — 1/ 4^max 1
V яр ' I
где b — коэффициент, зависящий от типа уплотнений штока ци- 1
линдра (Ь = 1,14-1,5). I
Затем вычисляют расход рабочей жидкости Q - vmaxS, где S — 1
площадь поршня. |
По каталогу определяют ближайший типоразмер гидро- или пнев- I
моцилиндра и с учетом его характеристик проводят проектный рас- |
чет привода манипулятора. 1
Рассмотрим пример проектирования механизма, привода авто- |
оператора для смены инструментов на горизонтально-фрезерном и |
расточном станке с ЧПУ (рис. 16.10). Работа механизма происходит |
следующим образом. После получения команды «смена инструмента» 1
стол станка отводится от шпинделя по осям X и Z, а шпиндельная |
коробка поднимается по направляющим стойки (по оси Y) в поло- 1
жение смены. Автооператор поворачивается из исходного положе- I
ния на 90° и захватывает одновременно инструментальные оправки Я
в шпинделе и кантователе, затем он выдвигается вдоль оси Z на 150 мм, |
поворачивается на 180° и вновь смещается назад, осуществляя при 1
этом смену инструментов в шпинделе и кантователе. После зажима 1
инструмента в шпинделе автооператор возвращается в исходное по- 1
ложение, а кантователь поворачивается на 90° в вертикальное поло- I
жение и осуществляет установку инструмента, его фиксацию в гнезде I
магазина за счет опускания инструментальной оправки вдоль ее 1
оси на 36 мм. I
Шпиндельная коробка и стол станка совершают установочные пе- .1
ремещения по осям X, Y и Z в положение начала обработки вновь 1
установленным инструментом, а инструментальный магазин повора- Я
чивается, осуществляя поиск следующего инструмента. После ос- ]
тановки магазина в заданной позиции кантователь захватывает 1
инструментальную оправку из гнезда магазина, смещает ее вверх 1
на 36 мм, а затем поворачивается в горизонтальное положение, Я
где ожидает начала следующего цикла смены инструмента. Мага- а
312 I
313
ЧИ Циклограмма работы механизма автоматической смены инструментов
Наименование элемента цикла Длительность этапов цикла, с
Установочное перемещение опт станки па осям Хи 7 TI/Г 7 t-CM _ I __
Установочное перемещение иышивелыт коровки по оси Y —н
Поборот руки oBnioonepaniepa на 90*&з исходного положения ryV^lMlc I
Поборот руки автоовератора б исходное положение 1 t,-05c f -*fr—
Выдвижение руки овтооператора вдоль оси Z на fSO мм 11
Возврат руки адтооператара 6 начальное пстмете ц;
Подо рот руки абтоаператора на tiitf из исходного положении i !г~т*^с1 t,=fc
Поборот кантователя б вертикальное положение n ’I ( -1 । 1 П-
поворот кантователя S горизонтальное поношение 1 I i i I I i ! I I n
Снятие ияопрунен1палыяй оараВки из гнезда магазина ори ее осевом смещении на 36 мм П - 1 1 II 1 i l t_i - J i
установка инструментальной опр&бки в гнезда магазина M ..... ; । | M ii ii । H । » l 1*1 1 ! 1
Поворот и позиционирование инструментального магазина II 1 1 1 1 11 1 1 *-J L_ 1 1 III
Зажим инструмента в шпинделе i i 1 1
Разным инструмента в шпинделе ,
Установочное перемещение шпиндельной коробки по оси Y 1
Установочное перемещение стола станка по осям Хи 2
зин вновь поворачивается в положение свободного гнезда для по-
следующей установки в нем заменяемого инструмента. Циклограмма
работы механизма, определяющая последовательность движений,
показана в табл. 16.4. Задавшись трапецеидальным законом движе-
ний и ограничив предельные значения скорости поступательных
перемещений инструментов (с учетом радиуса дуги, на которой они
расположены при выполнении вращательных движений), рассчиты-
вают время ti отдельных этапов цикла и длительности /см собственно
смены инструмента. При этом учитывают время /уСТ установочных
перемещений стола и шпиндельной коробки станка, совмещенное
с ним и частично со временем рабочего цикла время tMar перегрузки
инструмента из кантователя в магазин и поворота магазина при по-
иске очередного инструмента и свободного гнезда.
Оптимальную скорость линейного движения инструмента с уче-
том радиуса дуги траектории центра схвата автооператора (R =
— 250 мм) при его повороте на 90° определяют из соотношения:
v± == 0,6 /ort; при ат1 = 7 м/с2 и I — aRtl = 0,39 м = 1 м/с.
Время поворота иа 90° при =
314
= 0,6 и ka = 1 /j — 0,5 с. Время поворота на 180° при этих условиях
= 1 с.
Оптимальная скорость линейного перемещения автооператора
вдоль его оси у2 = 0,6}/ат212; при ат3 = 3 м/с2 и 12 ~ 150 мм v2 =
= 0,4 м/с. Если принять ускорение при разгоне ор2 = 5 м/с2 и ka —
= ар/ат = 1,67, время выдвижения инструментальной руки
/ __ 1 4- (fa/V^TS^a) ____ лг „
‘2 — /,/- , — с-
^2' V
Время зажима (разжима) инструмента в шпинделе станка tt —
= 0,5 с. Общее время, затрачиваемое непосредственно на смену ин-
струмента, /см = 0,5 + 0,5 + 0,6 + 1 + 0,6 + 0,5 + 0,5 = 4,2 с.
Принципиальная гидросхема механизма смены инструментов,
разработанная в соответствии с циклограммой его работы, показана
на рис. 16.11. Движения поворота автооператора на 90 и 180° осу-
ществляются с помощью рейки, нарезанной на штоке каждого из
цилиндров, и зубчатых колес; осевое перемещение руки — гидро-
цилиндром, одновременно выполняющим переключение приводной
шестерни механизма поворота.
Рабочие параметры гидроприводов определены расчетным мето-
дом при следующих исходных данных: число инструментов — 2;
наибольшая масса инструментальной оправки, имеющей конус
хвостовика 7/24 № 50, равна 20 кг; расстояние между осями инстру-
ментов 2R = 500 мм; наибольший момент неуравновешенности руки
автооператора М„ = 50 Н-м; номинальные скорости и ускорения
поршней гидроцилиндров привода поворота находятся повыбранным
ранее скоростям и ускорениям поступательного движения инстру-
мента, деленным на значения коэффициента kn = nmpup/R, где
тр — модуль реечной передачи; ир — передаточное число зубчатого
механизма; общая масса автооператора с инструментами — 80 кг;
номинальная сила, развиваемая гидроцилиндром осевого пере-
мещения для преодоления силы инерции при выбранном ранее уско-
рении, равна 2800 Н; гидравлический КПД цг = 0,5, а механиче-
ский КПД цм = 0,8; рабочее давление масла в гидросистеме р =
= 2 МПа.
Конструкция механизма автооператора, выполненная в соот-
ветствии с расчетными параметрами гидроприводов поворота и осе-
вого перемещения руки, показана на рис. 16.12. Гидроцилиндры 2
и 3 механизма поворота руки 1 соответственно на угол 180 и 90°
установлены параллельно друг другу в корпусе 6. Зубчатые рейки,
нарезанные на штоках гидроцилиндров, с помощью двух повыша-
ющих зубчатых передач 4 приводят во вращение шестерню 5, наса-
женную на шлицевой вал 7, который установлен на подшипниках
в корпусе 6. Двухзахватная рука автооператора поворачивается
вместе с валом 7 и может перемещаться относительно него в осевом
направлении под действием гидроцилиндра 10, шток которого жестко
соединен с вилкой 8, входящей в кольцевой паз во фланце руки.
При осевом перемещении руки вперед вместе с ней движется тяга 9,
315
которая передвигает шестерню 5, расцепляя ее с зубчатым колесом
привода поворота на угол 90° и присоединяя к аналогичному меха-
низму привода поворота на 180°. При возврате руки в осевом направ-
лении подпружиненный плунжер И смещается вперед, сжимая пру-
который
жину, и освобождает фиксатор 12 зажимного устройства,
расфиксирует инструментальную оправку.
Рука автооператора • Кантователь: у
Поворот на 180° Поворот на 90° Осевое смещение Поворот на 90°
0=90мм П=45мм
О=63мм,(1=45мм,1.=70мм 9=25мм,1=26мм cP=22mm,L=36mm О=70мм,в=35мм,1=392мМ
54ПГ 73-12
Осевое перемещение :
П=50мм,в=30мм, L=150mm
Рис. I6.ll. Принципиаль-
ная гидросхема механизма
автоматической смены ин-
струментов
^^Гидростанция
Механизм кантователя инструмента показан на рис, 16,13, Ме-
ханизм поворота на 90° приводится в движение гидроцилиндром /,
на штоке которого нарезана зубчатая рейка, входящая в зацепление
с шестерней 9. Поворотная часть, выполненная в виде кронштейна 3,
имеет направляющую, по которой перемещается с помощью гидро-
цилиндра 2 ползун 4. При движении ползуна вверх инструменталь-
316
A-A
(увеличено)
317
ная оправка 5 вместе с втулкой 6 снимается с фиксирующего штц-4
фта 7, установленного на торце корпуса 8 инструментального мага- ’
зина, а затем переносится в горизонтальное положение при повороте
Рис. 16.13. Кантователь механизма автоматической смены инструментов для станка
с ЧПУ
кронштейна на 90°. После замены инструмента автооператором кан-
тователь вновь возвращается в вертикальное положение, ползун 4
опускается, а втулка 6 вместе с инструментом устанавливается
в гнезде магазина.
318
ГЛАВА 17
БАЗОВЫЕ ДЕТАЛИ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И НАПРАВЛЯЮЩИХ
Базовые детали металлорежущих станков служат для
создания требуемого пространственного размещения узлов, несущих
инструмент и обрабатываемую деталь, и обеспечивают точность
их взаимного расположения под нагрузкой. Совокупность базовых
деталей между инструментом и заготовкой образует несущую сис-
тему станка. К базовым деталям относят станины, основания, колон
ны, стойки, поперечины, ползуны, траверсы, столы, каретки, суп-
порты, планшайбы, корпуса шпиндельных бабок и т. п. (рис. 17.1).
Широтный
стол
Стойка
верхние
салазки
Монтажная
плита
(спутник)
Нижние
салазки
Станина
Шпиндельная
Задка
Рис. 17.1. Базовые детали фрезерно-расточного станка
По форме они условно могут быть разделены на три группы: бру-
сья — детали, у которых один габаритный размер больше двух дру-
гих; пластины, у которых один размер значительно меньше двух
других; коробки — габаритные размеры одного порядка.
Направляющие обеспечивают правильность траектории движе-
ния заготовки и (или) инструмента и точность перестановки узлов.
Во многих случаях направляющие выполняют как одно целое с ба-
зовыми деталями. Базовые детали и направляющие должны иметь:
первоначальную точность изготовления всех ответственных по-
верхностей для обеспечения требуемой геометрической точности
станка;
высокую жесткость, определяемую контактными деформациями
подвижных и неподвижных стыков, местными деформациями и де-
формациями самих базовых деталей;
319
высокие демпфирующие свойства, т. е. способность гасить ко-
лебания между инструментом и заготовкой от действия различных
источников вибраций;
долговечность, которая выражается в стабильности формы ба- ,
зовых деталей и способности направляющих сохранять первоначаль-
ную точность в течение заданного срока эксплуатации.
Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные
деформации, из-за которых могут произойти относительные смещения
между инструментом и заготовкой, а направляющие должны обла-
дать.малой величиной и постоянством сил трения, так как от этого
зависит точность позиционирования узлов станка. Перечисленные
основные требования, предъявляемые к базовым деталям и направ-
ляющим станков, могут быть удовлетворены при правильном выборе
материала и конструктивными принципами, которые являются об-
щими несмотря на многообразие форм.
Конструирование базовых деталей — это поиск компромиссного
решения между противоречивыми требованиями: создание конструк-
ций жёстких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации,
но обеспечивающих высокую точность; дающих экономию металла,
но учитывающих возможности литейной технологии при проекти-
ровании литых конструкций и возможности технологии сварных кон-
струкций. Конструирование базовых деталей во многом опирается
на богатый опыт, накопленный за долгие годы как в нашей стране,
так и за рубежом.
§ 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
Сганины бывают в зависимости от расположения оси
станка горизонтальные и вертикальные (стойки). Они несут на себе
основные подвижные и неподвижные узлы станка. Форма попереч-
ного сечения горизонтальных станин определяется требованиями
жесткости, расположением направляющих, условиями удаления
стружки и охлаждающей жидкости, размещением в станинах раз-
личных механизмов, агрегатов и резервуаров для масла и охлаждаю-
щей жидкости.
Основные типы сечений горизонтальных станин представлены
на рис. 17.2. Все сечения, кроме показанных на рис. 17.2, д, приме-
няют при необходимости отвода большого количества стружки и
охлаждающей жидкости. Станины с двойными стенками (рис. 17.2, б)
в 1,3—1,4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками
(рис. 17.2, а). Внутренние полости между стенками часто делают
замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Замкнутый про-
филь имеет гораздо большую жесткость (особенно на кручение),
чем разомкнутый, а сыпучий материал во внутренней полости по-
вышает демпфирующие свойства станины. Применяют также станины,
у которых стружка отводится через окна в задней стенке (рис. 17.2, в).
Сечения станин с наклонной задней стенкой и расположением на-
правляющих на разном уровне (рис. 17.2, г) обладают высокой жест-
костью и создают хорошие условия для отвода стружки, но в этом
320
г
случае усложняется конструкция суппортов. Тяжелые станки (то-
карные, продольно-строгальные, продольно-фрезерные, расточные)
имеют сечение станин, аналогичное сечению на рис. 17.2, д. При
отсутствии защитных устройств стружка отводится через наклонные
Рис. 17.2. Типы сечений горизонтальных станин
люки в станине. Сечения типа на рис. 17.2, е применяют в высоко-
производительных токарно-гидрокопировальных, многорезцовых
станках и в станках с программным управлением.
Форма сечений вертикальных станин (стоек) зависит от действу-
ющих на них сил. Стойки, испытывающие нагрузки в плоскости
Рис. 17.3. Типы сечений вертикальных станин (стоек)
симметрии (например, вертикально-сверлильные станки), имеют про-
филь сечения, показанный на рис. 17.3, а, г. Если же нагрузка про-
странственная (фрезерные, раёточные и другие станки), то профиль
сечения стоек делают близким к квадрату (рис. 17.3, б), что обеспе-
чивает повышенную жесткость на кручение. Стойки станков имеют
круглое сечение (рис. 17.3, в), если необходимо обеспечить, поворот
узлов относительно оси стойки (радиально-сверлильные станки).
Увеличения жесткости стоек добиваются с помощью поперечных
и продольных ребер. Во избежание коробления стенок расстояние
11 П/р В. Э. Пуша 321
между ребрами должно быть не более 400 мм. У большинства станков
момент сил, действующих на стойку у основания, больше, чем момент
сил, действующих сверху, поэтому стойки выполняют расширяющи-
мися книзу хотя бы в одной плоскости.
Плиты служат для повышения устойчивости станков с верти-
кальными станинами; их применяют в станках с неподвижной
заготовкой (тяжелые расточные станки, радиально-сверлильные,
консольно-фрезерные, вертикально-сверлильные и другие станки).
Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой
стенок и ребер или двух пластин, скрепленных стенками и реб-
рами. Высота плит не должна быть меньше 1/10 длины плиты.
Коробчатые базовые детали (шпиндельные бабки, коробки пере-
дач, коробки подач, фартуки и т. п.) чаще имеют форму параллеле-
пипеда, реже цилиндрическую форму (многошпиндельные токарные
автоматы). Жесткость коробок увеличивают за счет увеличения жест-
кости стенок непосредственно в месте приложения нагрузки путем
постановки бобышек и ребер, однако увеличение диаметра бобышек
более 1,4—1,6 диаметра отверстия и высоты бобышки более 2,5—
3 толщины стенки большого эффекта не дает. Отверстия в стенках
снижают жесткость коробок пропорционально соотношению пло-
щадей отверстия и стенкн.
Базовые детали типа суппортов и салазок предназначены для
перемещения заготовки или инструмента и имеют обычно две системы
направляющих. Конструктивные формы суппортов и салазок опреде-
ляются формой и расположением направляющих, конструкцией регу-
лирующих элементов и механизма привода, требованиями к разме-
рам по высоте. При конструировании салазок и суппортов прихо-
дится учитывать противоречивые требования: уменьшение массы и
размеров по высоте, с одной стороны, и увеличение жесткости, кото-
рое достигается увеличением высоты сечения салазок, с другой.
Столы служат для поддержания и перемещения заготовок при
обработке; их делят на подвижные и неподвижные. Подвижные столы
имеют одну систему направляющих, т. е. перемещаются в одном на-
правлении. Столы неподвижные для поддержания заготовок (ради-
ально-сверлильные, протяжные станки) и подвижные консольные
(вертикально-сверлильные, поперечно-строгальные станки) имеют
коробчатую форму с внутренними перегородками и ребрами, повыша-
ющими их жесткость. у
Фрезерные, продольно-фрезерные, шлифовальные и другие станки
имеют подвижные столы плоской прямоугольной формы. Их жест-
кость определяется главным образом высотой. В продольно-фрезер-
ных станках отношению высоты стола к ширине," равное 0,14—0,16,
считается оптимальным.
Подвижные столы круглой формы имеют карусельные, зуборез-
ные и другие станки. Круглые столы (планшайбы) карусельных стан-
ков диаметром более 1000 мм выполняют коробчатыми с радиальными
и кольцевыми ребрами.
В большинстве конструкций базовых деталей в стенках преду-
сматривают технологические окна и вырезы. Иногда они нужны для
322
размещения внутри них некоторых вспомогательных устройств (эле-
ментов систем смазывания и охлаждения, противовесов). Они сильно
снижают жесткость базовых деталей, особенно крутильную жест-
кость. Для частичной компенсации потери жесткости используют
дополнительные ребра и перегородки. Реже встречаются местные
утолщения и приливы, так как по литейным соображениям следует
стремиться к равной толщине стенок всей конструкции. Ориентиро-
вочно толщина стенки (по литейным условиям)
б = 10 /(2L + B +Д)/3 ,
где L, В, Н — габаритные размеры деталей, м (причем L — наи-
больший из них.)
При конструировании базовых деталей необходимо учитывать
следующее.
1. Детали, работающие на растяжение и сжатие, обладают, как
правило, значительно большей жесткостью, чем детали, работающие
на изгиб и кручение.
2. Наибольшую жесткость на изгиб обеспечивают сечения с мак-
симально возможным удалением части площади от нейтральной оси,
а наибольшую крутильную жесткость — замкнутые кольцевые се-
чения. Разрез замкнутого контура приводит к уменьшению жестко-
сти при кручении в десятки и сотни раз.
3. Для уменьшения местных деформаций в базовых деталях не-
обходимо применять перегородки, препятствующие искажению кон-
тура и обеспечивающие совместную работу стенок. Этой же цели
служат отдельные ребра и сетка ребер.
4. Рациональный выбор опорных точек позволяет значительно
уменьшить деформацию. Например, при постоянном сечении балки
установка опор в точках Бесселя на расстоянии 0,223Л от концов
балки уменьшает прогиб от собственной массы в 48 раз по сравне-
нию с прогибом при опорах на концах.
5. Снизить погрешности обработки можно применением конструк-
ций, обеспечивающих наименьшие перемещения между инструмен-
том и заготовкой в направлении, определяющем точность обработки.
К ним, в частности, относятся симметричные конструкции.
6. Обработка базовых деталей с начальным деформированием
в сторону, противоположную деформациям от массы или рабочей
нагрузки, позволяет повысить точность обработки по длине. Этого
добиваются также обеспечением малого изменения жесткости по
координате обработки.
7. Необходимо стремиться к рациональному балансу жесткости,
чтобы жесткие базовые детали имели жесткость неподвижных сты-
ков такого же порядка.
§ 3. МАТЕРИАЛ ДЛЯ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
.Основными материалами базовых деталей, удовлетворя-
ющими условиям стабильности, жесткости и виброустойчивости,
являются чугун и низкоуглеродистая сталь. Значительно реже при-
П* 323
меняют бетон, да и то в качестве материала для оснований или ста-
нин.
Чугун наиболее распространенный материал для изготовления
базовых деталей. Чаще всего применяют чугун СЧ 15. Он обладает
хорошими литейными свойствами, мало коробится, но имеет срав-
нительно низкие механические свойства (модуль продольной упру-
гости Е = 80-4-150 кН/мм2). Применяют для изготовления оснований
большинства станков, салазок, столов, корпусов задних балок,
тонкостенных отливок с большими габаритными размерами неболь-
шой массы и других деталей сложной конфигурации при недопусти-
мости большого коробления и невозможности подвергнуть их ста-
рению.
При повышенных требованиях к износостойкости направляющих,
выполненных как одно целое с базовой деталью, применяют также
чугун СЧ 20. Его также широко используют при изготовлении ста-
нин и других ответственных корпусных деталей прецизионных стан-
ков. Значительно реже применяют чугуны СЧ 30 и СЧ 35. Обла-
дая высокой прочностью и износостойкостью, они имеют плохие
литейные качества, поэтому их не рекомендуют для изготовления
базовых деталей сложной формы и крупногабаритных. Эти чугуны
применяют для изготовления блоков и плит многошпиндельных стан-
ков, станин токарных, револьверных станков, базовых деталей стан-
ков-автоматов и других интенсивно нагруженных станков. Для из-
готовления базовых деталей станков применяют легированные чу-
гуны с присадками никеля, хрома, магния, ванадия и других эле-
ментов.
Следует помнить, что в деталях из литых чугунов образуются
остаточные напряжения, которые могут привести к короблению ба-
зовых деталей и нарушению точности станка. Для снятия этих на-
пряжений в станкостроении применяют различные методы старения:
естественное, тепловую обработку, метол термоударов, отжиг, виб-
рационное старение, статическую перегрузку и др.
Углеродистую сталь применяют при изготовлении сварных
базовых деталей простой формы. Сварными базовые детали делают j
при мелкосерийном и единичном характере производства; их ши-
роко применяют в станках, работающих при ударных и очень боль-
ших нагрузках. По сравнению с литыми, сварные конструкции зна-
чительно легче при той же жесткости, поскольку модуль упругости
стали в 2—2,4 раза выше модуля упругости чугуна. Кроме того,
сварные конструкции имеют более совершенные формы с точки зре-
ния жесткости, возможности исправления дефектов конструкции,
менее трудоемки. При этом используют в основном листовую сталь
СтЗ или Ст4 сравнительно большой толщины (8—12 мм). Тонкостен-
ные базовые детали имеют толщину стенок 3—6 мм, что позволяет
получить максимальную экономию металла, но технологически они
сложнее из-за большого числа перегородок и ребер. В последнее
время широко применяют конструкционные фасонные профили в свар-
ных станинах, что позволяет существенно снизить трудоемкость их
изготовления.
324
Бетон хорошо -гасит вибрации, что увеличивает динамическую
жесткость станка. Кроме того, большая, по сравнению с чугуном,
тепловая инерция делает бетон менее чувствительным к колебаниям
температуры. Модуль упругости бетона меньше, чем чугуна'; и ту
же жесткость бетонной станины можно достичь, увеличивая толщину
стенок. Увеличение массы детали при этом остается в допустимых
Рис. 17.4. Бетонная станина токар-
ного станка с числовым управле-
нием
пределах, так как удельный вес
бетона составляет только треть удель-
ного веса серого чугуна.
Вместе с тем необходимо учиты-
вать, что бетон после схватывания
поглощает влагу, что влечет за собой
объемные изменения, а попадание
масла на бетон повреждает его.
Необходимы меры по защите бетона
Рис. 17.5. Станина из полимербетона
от влаги и попадания масла. В бетонной станине станка (рис. 17.4)
силовое замыкание между направляющими станка и деталями
крепления передней бабки проходит непосредственно через бетон,
обеспечивая эффективное гашение вибраций.
Для изготовления станин тяжелых станков иногда применяют
железобетон. Обеспечивая такую же жесткость, как и чугунная
станина, железобетон дает экономию металла примерно на 40—60 %.
Как у нас в стране, так и за рубежом разрабатывают новые мате-
риалы для базовых деталей. Перспективным считают применение
полимербетона для станин и оснований станков (рис. 17.5). Обладая
сравнительно высоким модулем упругости (Е « 40 кН/мм2), поли-
мербетон лишен недостатков обычного бетона.
§ 4. РАСЧЕТ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
Базовые детали станков рассчитывают на жесткость и тем-
пературные деформации с точки зрения точности.
Жесткость базовых деталей во многом определяет погрешности
обработки и характеризуется величиной смещения инструмента от-
325
носительно заготовки из-за деформаций базовых деталей. Она опреде-
ляет также работоспособность механизмов станка, которая зависит
от распределения давлений в сопряжениях. Жесткость отдельных
базовых деталей определяется собственной их жесткостью на изгиб,
кручение, сдвиг и т. п., а жесткость соединений элементов харак-
теризуется отношением нагрузки Р к соответствующему относитель-
ному перемещению 6 в стыке:
/ = /’/б;
изгибная и крутильная жесткость
/изг = P/f’i /кр = -^/01,
где f — вызываемая силой деформация; М — крутящий момент;
Oj — угол закручивания на единицу длины.
Расчет на жесткость носит приближенный характер, вместе с тем
все чаще применяют сложные, но более точные расчеты на основе
метода конечных элементов с использованием современных элек-
тронно-вычислительных машин, по мере совершенствования которых
доля точных расчетов будет возрастать. Даже приближенный метод
расчета полностью рассмотреть в ограниченном объеме учебника
невозможно.
Приближенный технический расчет на жесткость в своей основе
имеет следующие, допущения: все силовые факторы сводятся к сосре-
доточенным силам, т. е. распределенные нагрузки заменяют равно-
действующими силами;
базовые детали имеют стенки постоянного сечения;
все рассчитываемые детали рассматривают как брусья, пластины
или коробки соответствующей приведенной жесткости.
Нагрузку, действующую на элементы базовых деталей, представ-
ляют в виде составляющих, действующих в плоскости стенок, обра-
зующих основной контур сечения элемента, и в перпендикулярной
к ним плоскости. Деформации элементов с жестким контуром сече-
ния от нагрузки, действующей в плоскости стенок, относятся к так
называемым общим деформациям, а от нагрузки, действующей
в плоскости, перпендикулярной к стенкам — к местной. При рас-
смотрении деформаций деталей типа станин, стоек, поперечин, рука-
вов, хоботов и т. п. учитывают общие деформации изгиба, сдвига
и кручения, как для сплошных брусьев, или, в случае необходимо-
сти, деформации, связанные с искажением контура сечения, а также
местные деформации направляющих или фланцев. Для деталей
типа плоских столов, плит, суппортов и т. п. определяют главным
образом деформации от нагрузки, действующей перпендикулярно
их плоскости, рассматривая детали как однородные пластины (если
в деталях коробчатой формы нагрузка приложена в плоскости пере-
городок). Для деталей типа коробок рассматривают главным обра-
зом деформации стенок коробки в плоскости меньшей жесткости.
При определении деформаций деталей, перемещаемых по направ-
ляющим (суппортов, столов, ползунов и т. п.), их рассматривают
326
как балки на упругом основании, которым являются поверхностные
слои направляющих.
Влияние конструктивного оформления элементов (окон, ребер,
переменности сечений по длине и т. п.) учитывается введением не-
которых приведенных параметров: приведенной толщины стенок,
приведенной жесткости и т. д.
Для расчета базовых деталей составляют расчетную схему
(рис. 17.6) с действующими нагрузками. Определяют деформации
а) б) в)
Рис. 17.6. Расчетные схемы базовых деталей станков:
а — токарного; б — многооперациоиного; в — сверлильного
с использованием приближенных формул. Например, прогиб в се-
редине пролета двухопорной балки
, _ р/-3
I ~ 48 (EJ)np ’
а прогиб свободного конца балки с заделанным концом
PL3
? = 3 (£7)пр ’
где Р — поперечная сила соответственно в середине пролета или
на конце заделанной балки, Н; L — длина рабочего участка балки,
см; (Д/)Пр — приведенная жесткость балки на изгиб.
Угол закручивания балки от действия крутящего момента
О — MrL
(GJр)пр ’
где Мк — крутящий момент, Н-см; (GJp)ap — приведенная кру-
тильная жесткость.
Приведенную жесткость элемента на изгиб или кручение опреде-
ляют из условия равенства перемещений элемента, рассматриваемого
как брус или пластина и как пространственная система, при выбран-
ном частном виде нагружения только изгибающими силами или
только крутящими моментами. Она зависит от конструктивного
оформления базовой детали, расположения перегородок, толщины
стенок и т. п.
327
Рис. 17.7. Формы станин
связу-
k2 — коэффициенты,
числа п и рас-
инерции сече-
Приведенная жесткость
на изгиб станины из двух
основных боковых стенок и
перпендикулярных
ющих перегородок в направ-
лении, перпендикулярном бо-
ковым стенкам (рис. 17.7, а),
(EJ)np — k±EJст,
а при диагональных перего-
родках (рис. 17.7, б)
(Е J)np = k2EL2Scr,
где k
зависящие от
положения перегородок (табл. 17.1); Jст — момент
ния боковой стенки, см4; Е — модуль упругости материала ста-
нины, Н/см2; SCT — площадь сечения боковой стенки, см2.
17.1. Значения коэффициентов кг и к2 в зависимости
от расположения перегородок в станине
Схема базовой детали п Схема базовой детали п *2
1 8 П1 2 sin a cos2 а 12 (£ + sin3 а)
1 | |
2 4 (Ц2 + 4щ) 4 sin а cos2 а
1 |
П1П2 12 (£ + 3 sin3 а)
3 32 Пз 6 sin а cos2 а
1 1 1АЛЛ1
12 (£+ 6,3 sin3 а)
Примечание.
• Г= ^СТ
Fn
, , Збтр 3 + , 36-ф Г, ,
Обозначения: тц = 1 + ; т)а = 3^у- + р 4-
L , Jqt е 1 Г Уст . « ,.е L
= в + (п + Г) = 5 = —L“+
'п — площадь поперечного сечения и момент инерцнн на изгиб в плоскости
меньшей жесткости перегородок; а — половина угла между диагональными пере-
городками.
' (3
РП.
Перегородки практически не оказывают влияния на жесткость
при изгибе в плоскости боковых стенок, и в этом случае момент инер-
ции в выражении (EJ)np берут относительно нейтральной линии
328
Приведенная крутильная жесткость этой же базовой детали
с перпендикулярными перегородками
bPej'^
(G-/p)np = р,6 _|_ 2£JCT/GSCT ’
где В — ширина детали (расстояние между боковыми стенками),
см; J'CT — момент инерции сечения боковой стенки на изгиб в вер-
тикальной плоскости; G — модуль сдвига материала базовой де-
тали, Н/см2.
При наличии диагональных перегородок
(GJр)пр = k^EJст ~£~2~ >
где k3 — коэффициент, учитывающий форму и число перегородок
Для станин с замкнутым контуром сечения приведенную крутиль
ную жесткость определяют, как для полых труб:
— Г 4525
(GJ р)пр —G >
где S — площадь замкнутого сечения по осевым линиям стенок,
см2; 6 — толщина стенки, см; L — периметр сечения, см.
Базовые детали типа пластин (основания, плоские столы, суп-
порты, салазки) рассчитывают на перекос при изгибе пластины под
действием внешних нагрузок (см. рис. 17.6, б):
9 = 9ql + 0q2 + 0М-
Рассматривая пластину как балку на упругом основании, каждую
составляющую угла перекоса можно представить в следующей
виде:
а <ВтЬ А . a <hmb к . д Мт> h
“ql — —----Kql’ °q2 — --- КМ>
4 / k
где b — ширина плиты, см; т = 1/ ----коэффициент жесткости
плиты; k — коэффициент жесткости упругого основания, прибли-
зительно k = 125& Н/см2; J — момент инерции поперечного сече-
ния; kql, kq2, kM — коэффициенты, определяемые в зависимости
от геометрических параметров плиты и длины приложения распреде-
ленной нагрузки.
Расчет на жесткость базовых деталей типа коробок сводится
к определению перемещения стенки в точках приложения внешних
сил в направлении, перпендикулярном к плоскости стенки,
с Ра2(1 —и.2)
f = n1n2n3n4---,
где пъ п3, п3, — коэффициенты, учитывающие связь рабочей,
стенки с остальным корпусом, влияние ребер, бобышки, отверстий;
а — половина наибольшего габаритного размера стенки; р — коэф-
фициент Пуассона.
329
Толщина стенки существенно влияет на величину деформации,
поэтому стенки шпиндельных бабок, воспринимающие осевую силу,
делают утолщенными.
Полученные в результате расчета базовых деталей упругие пе-
ремещения пересчитывают на соответствующие относительные пере-
мещения инструмента и обрабатываемой заготовки в направлении,
определяющем точность обработки. Для токарных станков таким
перемещением будет перемещение резца перпендикулярно к обраба-
тываемой поверхности в точке резания; для сверлильных стан-
ков перекос оси сверла относительно поверхности обрабатывае-
мой детали; для фрезерных — перекос оси инструмента и относи-
тельные смещения детали и инструмента перпендикулярно к обра-
Рис. 17.8.’Деформация плоского
стыка при нагружении силой и
моментом
батываемой поверхности.
Жесткость неподвижных соединений
базовых деталей существенно влияет на
погрешности обработки. В общем ба-
лансе упругих перемещений несущей
системы станка контактные деформации
в стыках составляют от 30 до 70 %.
Линейная деформация н поворот в пло-
ском стыке при нагружении централь-
ной силой Р и моментом М (рнс. 17.8)
определяют из выражений
« / Р \т. М
6==C(~S~) ’ =
где с, см — коэффициенты контактной податливости; S, J — пло-
щадь и момент инерции сечения контакта; т — показатель степени,
т = 0,5 для поверхностей, обработанных чистовыми методами.
Коэффициенты контактной податливости связаны соотношением
см = ст
т—1
и зависят от материала и качества обработки сопрягаемых поверх-
ностей. Для деталей из стали и чугуна при чистовой обработке
(тонком точении, шлифовании и тщательном шабрении) с = 0,15-т-
4-0,2; при притирке можно получить с — 0,07, а при сравнительно
грубой обработке (фрезеровании, грубом шабрении) с = 0,8-i-l,2.
Неподвижные стыки базовых деталей имеют, как правило, предва-
рительную затяжку силами, значительно большими, чем силы реза-
ния. Это позволяет считать жесткость стыка в приближенных рас-
четах близкой к постоянному значению, а деформацию и угол пово-
рота определять по приближенным линейным зависимостям:
6 = стр™~хр\ <р = cmpm~l M/J,
где р0, р — первоначальное и текущее давление в стыке.
Касательная жесткость стыков учитывается при расчете также
на основе линейной зависимости
о >
'— ^Х £ J
330
где сх — коэффициент контактной касательной податливости; Т —
касательная сила, Н; S — площадь стыка, см3.
Для затянутых соединений можно принимать сх — 0,1 мкм-см2/Н,
а при отсутствии предварительного натяга, например, в направля-
ющих скольжения, сх — 0,3-4-0,35 мкм-см2/Н.
Точность приближенных расчетов оценивается сравнением ре-
зультатов расчетов и экспериментов на реальных станках аналогич-
ных конструкций при статическом нагружении, соответствующем
нагружению при резании. Во многих случаях, когда базовые детали
из-за сложности формы не поддаются расчету, проводят исследова-
ние жесткости на моделях, геометрически подобных рассматривае-
мому элементу или всей базовой детали. Обязательным условием при
Рис. 17.9. К расчету методом конеч-
ных элементов:
а — схема нагружения; б — распределе*
ине сил на4элемент
этом является равенство критериев подобия модели н реальной ба-
зовой детали. Например, прн моделировании сплошных станин на
упругом основании показатели жесткости А для модели и реальной
станины должны быть близки друг другу:
1 _ _L УЛЕ
А 2 V 4EJ ’
где L, b — длина и ширина опорной поверхности балки; EJ — жест-
кость балки; К — коэффициент, характеризующий деформируемость
грунта.
Наиболее распространенные материалы для изготовления моде-
лей — органическое стекло и конструкционная сталь (для сварных
моделей).
Расчет на жесткость методом конечных элементов проиллюстри-
руем простейшим примером. Для шарнирносоединенной системы
(рис. 17.9, а) необходимо определить смещение в узле 2, предполагая,
что каждый стержень имеет длину L, поперечное сечение S и модуль
упругости Е. На элемент ег действует продольная сила Р и реакции
в шарнирах Fj н Fa (рис. 17.9, б). Смещения узлов элемента от исход-
ного положения обозначим и 62, а их проекции на оси координат
соответственно 6Х1, 6Г1, 6Х2, 6Г2. В матричной форме силы и смеще-
ния описывают выражениями
где матричный индекс ег означает элемент, к которому относятся
рассматриваемые величины.
331
Проекции продольной силы на оси координат могут быть при-
равнены реакциям в шарнирах:
" РхГ
FY1
F Х2
_ FY2_
Р cos у'
—Р sin у
— Pcos у
Р sin у.
(17-2)
Продольную силу Р можно определить по удлинению стержня:
Р = — Sxi) cos у + (6У2 — 6yi)siny]. (17.3)
Подставляя Р из выражения (17.3) в выражение для FX1, по-
лучим
Fxi = (-77) ((6x2 — 6xi) cos2 у + (6У2 — 6У1) cos у sin у] =
= ("Т”)!—6xiC°s2y—6yiCosysiny + 6x2cos2y + 6y2sin ycosy]. (17.4)
В матричной форме выражение (17.4) имеет вид
/ ES \
FXi = (~^-)[—cos2 у, —sin у cos у, cos2 у, sin у cos у]
6xi
6yi
6x2
_ буг _
(17-5)
Четыре уравнения типа (17.5) для FX1, FY1, FXi, FY2 в матричной
форме записывают так:
~ —cos2 у —sin у cos у
F«r= _ sin у cosy sin2 у
Г L cos2 у sin у cos у
_—sin у cos у —sin2 у
cos2 у sin у cos у ~ 6xi
—sin у cos у —sin2 у 6yi
—cos2 у —sin у cos у 6x2
sin у cos у sin2 у _ _6у2_
(17-6)
Если множитель —— внести в квадратную матрицу, то уравнение
(17.6) приобретает вид
F xi Fn ^Xl, XI kyi, XI ^Xl, У1 kyi, Fl ^Xl, X2 ^Yl, X2 ^Xl. У2 kyi, У2 1 05 Os Н» H* J • (17-7)
Fxi — ^X2, XI kxi, У1 ^X2, X2 &X2, Y2 6x2
_ FY2_ _ ^Y2, XI kY2, Yl Uy2, X2 kv2, Y2 _ _6y2_
Если квадратная матрица разбита, как показано, штриховыми
линиями, то уравнение (17.7) можно записать следующим образом:
кЙ
К21
6,
к22 _ _ 62_
(17-8)
332
Уравнение (17.8) является матричным уравнением для эле-
мента вц и его квадратную матрицу коэффициентов называют ма-
трицей жесткости элемента. Подобные уравнения могут быть по-
лучены и для других элементов.
Уравнение (17.8) может быть расширено так, чтобы оно включало
все узловые смещения системы:
"F?~ "Mj
р» = F2‘ - Mi
0 0
0 0
кЙ 0 о- 6,
к 22 0 0 62 (17.9)
0 0 0 5з
0 0 0_ _6<_
Уравнение (17.9) представляет собой
уравнение для элемента е1 и может быть
Г* = kG6,
расширенное матричное
записано как
(17.10)
где к*1 — расширенная матрица жесткости элемента ef, 6 — вектор
узловых смещений системы.
Внешняя сила R2 может быть выражена через проекции RX2,
RY2, а условие равновесия в точке 2 в направлении оси X будет
RX2 = Feh + Feh + Feh (17.11)
или в матричной форме
(17.12)
Подстановка выражений типа (17.10) в уравнение (17.12) и обоб-
е=1
К6 = R.
3
Pke6
(17.13)
С=1
(17.14)
Уравнение (17.14)
а матрицу К, задаваемую равенством
К= Sk,
называют матричным уравнением
системы,
(17.15)
з
называют матрицей жесткости системы.
Процедура объединения матричных уравнений элементов яв-
ляется по существу сложением расширенных элементарных матриц
ЗЭЗ
жесткости к и показывает, что элементы ktJ матрицы жесткости К
задаются равенством
з
к ,7 = %кец.
Так как размеры и свойства стержней в рассматриваемой си-
стеме известны, то все элементы ke{j могут быть вычислены с исполь-
зованием уравнений типа (17.6)—(17.9), и матричное уравнение
системы можно составить с помощью уравнений (17.15). Если при-
ложенная сила Ra известна, то система линейных алгебраических
уравнений (17.14) может быть решена различными методами и могут
быть определены смещения 6.
Описанный метод расчета деформаций конструкции называют
методом перемещений. В качестве внешних воздействий могут быть
сосредоточенные и распределенные нагрузки, моменты, тепловые
деформации, предварительные смещения и деформации в стержнях
и т. д. Элементы могут быть как стержневые, так и пластинчатые,
как плоские, так и пространственные.
При расчете на жесткость методом конечных элементов базовые
детали станка представляют в виде произвольной композиции из
стержней и пластинчатых элементов. Пластинчатые элементы могут
быть треугольные и прямоугольные с шестью степенями свободы.
Связь между элементами и узлами может быть не только жесткой,
но и упругой.
Расчет сложной базовой детали с большим числом перегородок,
ребер, окон и утолщений в стенках можно осуществить только с по-
мощью современных электронно-вычислительных машин, часто в диа-
логовом режиме оператора с ЭВМ. Исходная информация состоит
из геометрических и физических данных базовой детали и внешних и
внутренних воздействий. По программе автоматически или с уча-
стием оператора происходит разбиение базовой детали на элементы
с вычерчиванием результатов разбиения на графическом дисплее
(рис. 17.10) или на графопостроителе.
Результатом расчета являются смещения всех узлов конструк-
ции в абсолютных координатах.
Температурные деформации базовых деталей оказывают суще-
ственное влияние на точность обработки, особенно в прецизионных
станках при окончательных операциях. Основными источниками
тепловыделения в станках являются двигатели, элементы привода
и процесс резания. Температурные смещения узлов плоскошлифо-
вального станка с вертикальной осью Шпинделя показаны на
рис. 17.11. Теплота, образовавшаяся в шпиндельной бабке, через
стыки передается стойке станка. Ближние к источнику тепла стенки
будут нагреты выше, чем отдаленные, что вызовет искривление
стойки и, как следствие, нарушение заданного углового положения
оси шпинделя относительно плоскости стола. Неравномерность на-
грева отдельных точек стойки сравнительно невелика и лежит в пре-
делах 5—8 °C при средней избыточной температуре корпуса шпин-
334
дельной бабки 12—15 °C. При этом нарушение заданного углового
положения плоскости стола и торца шлифовального круга доходит
до 0,1—0,15 мм/м.
Расчет и анализ температурных деформаций несущей системы
усложняются тем, что тепловое воздействие изменяется во времени
Но случайному закону, поэтому \
применяют приближенный метод
расчета при наличии предвари-
тельных данных об источниках
тепловыделения и температурном
поле.
Температурное поле, т. е. рас-
пределение температуры в раз-
ных точках несущей системы
после некоторого времени работы
станка, определяют по экспери-
ментальным данным или прибли-
женным расчётом, например, ме-
тодом элементарных балансов.
При этом все базовые детали раз-
бивают на элементарные геомет-
Рис. 17.11. Температурные деформации
стойки плоскошлифовального станка
рические фигуры, в пределах
которых закон изменения температуры считается линейным. Де-
тали типа прямоугольных пластин и коробок разбивают на эле-
ментарные параллелепипеды со сторонами Дх, Д«/ и Дг, а де-
335
тали типа тел вращения на цилиндры постоянного диаметра.
Для каждой элементарной фигуры составляют уравнение теплового
баланса, по которому определяют приращение температуры через
некоторый промежуток времени' Ат. Например, для элементарного
параллелепипеда, расположенного в углу стойки и содержащего
источник теплоты малого размера, при условии равномерного тепло-
обмена с окружающей средой уравнение теплового баланса будет
иметь вид
Q Ат = су Ax А г/ Аг (0Т — 0) 4- а0 Ат [2 Ах Аг/ 4- Аг (Ах 4- А//)] 4-
g__________g g__g
+ ZAz/z/г Ат + X---------^1ЛлАгЛт4 ..., (17.16)
где Q — удельная теплота, кДж/ч; с — удельная теплоемкость
материала, для чугуна с = 50 кДж/(кг-К); у— плотность мате-
риала, кг/м3; X — коэффициент теплопроводности, для чугуна X =
= 47-4-58 Вт/(м-К); а — коэффициент теплопередачи в окружающую
среду, при отсутствии вентиляции а = 5-4-7 Вт/(м2-К); 0, 0Т —
избыточная температура элемента в начальный момент и спустя
время Ат; 0х+Дх, 0й+ад — избыточная температура в начальный
момент для центров соседних элементов.
Из уравнения (17.16) можно получить выражение для избыточ-
ной температуры
е. = Ч4 + ^г[^-+-^] +
<1717’
где m = у Ах Аг/Аг— масса рассматриваемого элемента; а =
= Мсу — температуропроводность материала, для чугуна а = 60X
XI О-2 м2/ч.
Уравнения, подобные (17.17), составляют для всех элементарных
фигур базовой детали. По ним можно проследить изменение избы-
точной температуры с течением времени. При большом числе эле-
ментов расчет целесообразно проводить на ЭВМ.
Температурные деформации отдельных элементов и всей детали
определяют при допущении, что эти смещения пропорциональны
средней температуре:
6; = CTjOgp j,
где е — коэффициент линейного расширения, для чугуна е яа
« 10-5 к-1.
Общее температурное перемещение рабочих органов станка по-
лучают суммированием отдельных температурных деформаций. Сум-
марные температурные смещения необходимо ограничивать исходя
из допустимых погрешностей обработки.
Основные способы уменьшения температурных деформаций сво-
дятся к следующему.
1. Уменьшение теплообразования в двигателях, опорах и пере-
дачах в результате применения жидкостной смазки и трения каче-
336
ния. Совершенствование системы смазывания строгим нормирова-.
нием количества подаваемого смазочного материала, что способствует
уменьшению тепловыделения и сокращению потерь.
2. Тепловая изоляция источников тепла от основных деталей
несущей системы и интенсивный отвод образующейся в них теплоты,
минуя несущую систему.
3. Целесообразное расположение источников тепла, как правило,
в верхней части станка, а наиболее мощных источников теплообра-
зования (двигателя главного привода, резервуаров систем смазы-
вания, охлаждения и гидропривода) вынесением на достаточное
удаление за пределы станка, как это делают в современных преци-
зионных станках.
4. Взаимная компенсация температурных деформаций за счет
внесения целесообразных изменений в конструкцию базовых деталей
для улучшения баланса температурных деформаций. Для регулиро-
вания величины температурной деформации иногда используют
специальные материалы с коэффициентом линейного расширения,
отличным от обычного литейного чугуна. Так, легированный нике-
лем чугун (36 % Ni) имеет коэффициент линейного расширения
в 5 раз меньший, чем серый чугун, а у сплавов типа инвар этот коэф-
фициент меньше в 10—12 раз. Компенсация температурных дефор-
маций возможна также при искусственном подогреве отдельных
частей несущей системы, например, теплым воздухом от двигателей.
5. Автоматическая компенсация температурных смещений путек
измерения деформаций наиболее важных узлов и внесения поправом
в их расположение от специального привода микроперемещений.
§ 5. КЛАССИФИКАЦИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ
В металлорежущих станках применяют направляющие
скольжения, качения и комбинированные. Направляющие скольже-
ния могут быть с полужидкостной, жидкостной и газовой смазкой.
При полужидкостной смазке суммируется сила взаимодействия
контактирующих поверхностей деталей и сила вязкого сопротивле-
ния смазочного материала, не разделяющего полностью эти поверх-
ности. Если смазочный материал разделяет поверхности полностью,
то возникает жидкостная смазка, что имеет место в гидростатических
и гидродинамических направляющих. Направляющие качения раз-
личают по виду тел качения на шариковые и роликовые.
Все типы направляющих имеют свои достоинства и недостатки,
что и определяет их целесообразную область применения. Часто
делают комбинированные направляющие, используя достоинства
разных типов и достигая тем самым суммарного эффекта.
В зависимости от траектории движения подвижного узла направ-
ляющие могут быть прямолинейного и кругового движения. Их
делят также на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По
форме поперечного сечения наиболее распространены прямоуголь-
ные (плоские), треугольные (призматические), трапециевидные (типа
ласточкина хвоста) и круглые направляющие. Часто используют
337
сочетание различных форм, когда одна из направляющих выполнена I
прямоугольной, а другая треугольной или в виде половины трапе- 1
циевидной формы. Каждую из форм можно применять в виде охваты- I
вающих и охватываемых направляющих. Охватываемые направля- |
ющие плохо удерживают смазочный материал, а охватывающие I
удерживают его хорошо, но нуждаются в надежной защите от за- I
грязнений. j
Прямоугольные направляющие отличаются технологичностью I
изготовления и простотой контроля геометрической точности. Их все 1
чаще применяют в станках с программным управлением, так как они 1
отличаются простотой и надежностью регулировки зазоров и способны 1
воспринимать большие нагрузки. Треугольные направляющие обла- |
дают свойством автоматического выбора зазоров под действием соб- I
ственного веса, но угловое расположение рабочих граней усложняет I
их изготовление и контроль. Трапециевидные направляющие отли- 1
чаются компактностью конструкции, но сложны в изготовлении и |
контроле. Регулирование зазора у них относительно простое, но не 1
обеспечивает высокой точности сопряжений. Круглые направляющие I
применяют редко. В охватываемом варианте они не обеспечивают 1
большой жесткости из-за прогиба скалок (штанг), закрепленных I
на концах, поэтому применяют их в основном при малой длине хода. I
В охватывающем варианте у цилиндрических направляющих сложно I
изготовить полукруглые пазы. |
§ в. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ |
Непосредственный контакт сопряженных поверхностей 1
в направляющих скольжения определяет непостоянство и большие 1
силы сопротивления. В зависимости от нагрузки, скорости, вида I
смазочного материала и его количества направляющие могут рабо- 1
тать в режимах трения без смазочного материала и с ним. Существен- 1
ную разницу для этих направляющих составляют силы трения покоя 1
(силы трогания) по сравнению с силами трения движения; послед* |
ние, в свою очередь, сильно зависят от скорости скольжения. Эта 1
разница приводит к скачкообразному движению узлов при малых |
скоростях, что крайне нежелательно, особенно для станков с про- j
граммным управлением. Значительное трение вызывает изнашива* |
ние и, следовательно, снижает долговечность направляющих. J
Для уменьшения недостатков направляющих с полужидкостной ;
смазкой внедряют специальные антискачковые масла, применяют J
накладки из антифрикционных материалов. Если коэффициент тре* j
ния покоя в паре чугун—чугун при обычных маслах равен 0,21— |
0,28, то применение антискачкового масла ИНСП снижает его до |
0,075—0,09. Применение накладок из полимерных материалов на 1
основе фторопласта снижает коэффициент трения покоя до 0,04— I
0,06. j
Достоинства направляющих с полужидкостной смазкой — высо- 1
кая контактная жесткость и хорошие демпфирующие свойства. 1
Кроме того, они обеспечивают надежную фиксацию подвижного |
узла станка после его перемещения в заданную позицию. j
338 1
Материал направляющих в значительной мере определяет из-
носостойкость и плавность движения узлов. Во избежание крайне
нежелательного явления — схватывания, пару трения комплектуют
из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и
твердость. Направляющие, относительно которых перемещаются
подвижные детали, делают более твердыми и износостойкими. Этим
обеспечивается длительное сохранение точности, так как при дви-
жении копируется форма неподвижных направляющих.
Направляющие из серого чугуна, выполненные как одно целое
с базовой деталью, наиболее просты, йо при интенсивной работе не
обеспечивают необходимой долговечности. Их износостойкость повы-
шают закалкой с нагревом токами высокой частоты или газопламен-
ным методом. Закалкой одной из сопряженных поверхностей до
HRC3 48—53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза.
Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение
износостойкости только при последующей закалке. Значительного
повышения износостойкости чугунных направляющих можно до-
биться применением специальных покрытий. Хромирование направ-
ляющих слоем толщиной 25—50 мкм обеспечивает твердость до
HRC3 68—72, в 4—5 раз повышает износостойкость и существенно
уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Анало-
гичный эффект дает напыление направляющих слоем молибдена
или сплавами с содержанием хрома. Хромируют только одну из
сопряженных поверхностей, обычно неподвижную, так как пара
хром по хрому склонна к схватыванию, хотя и имеет минимальный
коэффициент трения.
Направляющие из стали выполняют в виде отдельных планок,
которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным станинам
крепят винтами или приклеивают. Материал накладных направля-
ющих — низкоуглеродистые стали 20, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ с це-
ментацией и закалкой до высокой твердости (HRC3 60—65), азоти-
руемые стали 38Х2АПОА, 40ХФ, 30ХН2МА с глубиной азотирования
0,5 мм и закалкой до очень высокой твердости (800—1000HV). Реже
применяют легированные высокоуглеродистые стали ШХ15, ХВГ,
9ХС с объемной закалкой и отпуском (HRС3 58—62). Стальные за-
каленные направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость
в паре с закаленным чугуном.
Цветные сплавы, такие,чкак безоловянная бронза Бр АМцЭ—2,
оловянная бронза БрОФЮ—1, сплав на цинковой основе ЦАМ 10—5
в паре со сталью и чугуном, дают наилучшие результаты по изно-
состойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи, ио высо-
кая стоимость сдерживает их широкое применение при изготовлении
направляющих. Их используют'главным образом в тяжелых станках,
делая накладные направляющие или для заливки.
Пластмассы обладают хорошими характеристиками трения и
антизадирными свойствами, обеспечивают равномерность движения
при малых скоростях и не дают схватывания. Однако малая жест-
кость, низкая износостойкость при абразивном загрязнении, влия-
ние тепловых воздействий, влаги, масла, слабых щелочей и кислот
339
ограничивают их применение. Используют пластмассы в основном
в комбинированных направляющих, когда основную нагрузку несут,
например, роликовые опоры, а слой пластмассы на вспомогательных
гранях обеспечивает необходимые характеристики трения. В стан-
ках используют фторопласт в виде ленты, наклеиваемой на направ-
ляющие, фторопласт с бронзовым наполнителем, композиционные
материалы на основе эпоксидных смол с присадками дисульфида'
Охбатыдаемые
я
Рис. 17.12. Формы направляющих скольжения:
а — треугольные; б — прямоугольные; в — трапециевидные; г — круглые
молибдена, графита и неметаллических наполнителей, материалы
на основе ацетальных смол (дельрин).
Композиционные материалы на основе эпоксидных смол очень
технологичны. На подготовленные поверхности направляющих пе-
ремещаемой детали наносят слой только что приготовленной эпоксид-
ной композиции (смола, пластификатор, отвердитель и наполнители).
Поверхности направляющих неподвижной базовой детали покры-
вают тонким слоем смазочного материала или воска во избежание
прилипания смолы и на них устанавливают подвижную базовую
деталь. После затвердевания профиль направляющих подвижной
детали полностью копирует профиль направляющих, по которым
деталь перемещается. При необходимости такие покрытия можно
обрабатывать строганием, фрезерованием, шабрением.
Конструктивное оформление. Сечения направляющих трения
скольжения нормализованы (рис. 17.12). Соотношения размеров
340
17.2. Размеры сечений направляющих, мм
Тип направ- ляющих Размер (см. рис. 17.12) 1 Высота направляющих, Н
6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 60 80 100
Треуголь- ные симме- тричные и несимме- тричные Н, «.2Н 2,2—2, ЗЯ 2,5—2,7Я — —
ь «Ю,2Я
11 Н+1 Н+ 2 я+ 3 И 4
R 0,3 0,5 1 1,5 2 3 4
Прямо- угольные В — «.1,5—1,7Я ^2Н «.2,5Я 3—3,2Я «.4Я
т — «.0,4Я «.0,5Я «.0,6Я
ь — «.0,ЗЯ «^0,25Я
Ь-1 — «.0,3 0,25/7 «.0,25/7 «.0,2Я ^0,15Я
S 0,5 1
Трапецие- видные н. Н + 0,5 Я+ 1 Я + 1,5 —
ь 5 6 8 10 12 10 12 15 18 15 18 22 -— —
61 -— — — 3 4 5 6 8 6 8 10 8 10 12 15
*2 -— — — — 20 25 32 40 45 —
S 0,5 1 — —
S1 — 1 2 -
сечений зависят от высоты направляющих (табл. 17.2). Отношение
длины подвижной детали к общей ширине (ширина направляющих
и расстояние между ними) направляющих должно быть в пределах
1,5—2. Длину неподвижных направляющих принимают такой, чтобы
не было провисания подвижной детали.
Накладные направляющие крепят к базовой детали по всей их
длине. При креплении винтами шаг между ними во избежание искрив-
ления и коробления должен быть не больше двукратной высоты на-
кладной планки. При механическом креплении или приклеивании
накладных направляющих необходимо предусматривать фиксацию
их в поперечном направлении различными центрирующими высту-
пами, поверхностями, фасками.
Расчет направляющих трения скольжения ведут исходя из обеспе-
чения необходимой износостойкости и жесткости. Для обеспечения
341
износостойкости ограничивают допустимые давления на рабочих
гранях направляющих, а требования к жесткости лимитируют до-
пустимые контактные перемещения.
Если собственная жесткость сопряженных базовых деталей су-
щественно больше контактной жесткости направляющих, то давле-
ния на рабочих поверхностях определяют приближенным методом.
При этом пренебрегают собственными деформациями деталей и рас-
сматривают относительный поворот и смещение деталей как твердых
тел вследствие деформаций поверхностных слоев. К таким деталям
Рис. 17.13. Расчетная схема направляющих скольжения
относят суппорты токарных, карусельных, зубофрезерных и других
станков, консоли и шпиндельные головки фрезерных станков, стойки,
короткие столы и т. п.
В противном случае, т. е. когда собственная жесткость базовых
деталей соизмерима с контактной жесткостью направляющих, рас-
чет производят с использованием теории балок и плит на упругом
основании. К этой группе деталей относят ползуны карусельных
и долбежных станков, суппорта и длинные столы фрезерных, про-
дольно-строгальных станков и т. д.
Рассмотрим первый случай на примере расчета направляющих
токарного станка с ЧПУ. Допускаем, что по длине направляющих
давления изменяются по линейному закону, а по ширине направля-
ющих из-за ее малости по сравнению с длиной давления будем счи-
тать постоянными. Составляем расчетную схему для подвижного
узла при действии на него всех сил: составляющих силы резания,
массы узла, тяговой силы, реакций на рабочих гранях направля-
ющих и соответствующих сил трения (рис. 17.13). Принимаем систему
342
координат и по расчетной схеме составляем уравнения равновесия
подвижного узла:
= Px + f(A + B + C)-Q = 0;
£У = 0; -Pv + B = 0;
2Z = O; — Pz-G + X + C = 0;
£Л4л = 0; Py(H + b/2)-Gd-PzyP + CB0 = G-,
У, Му = 0; Px (В -f- Ь/2) Pzxp 4~ Qzq — Ах а — Схс = 0;
£.Mz — —РхУр 4* Q-Dq — Р¥хр — fCB0—'fB (В0-\~с/2)—Вхв = 0.
(17.18)
В системе уравнений (17.18) семь неизвестных А, В, С, хА, хв,
Хс, Q, но первые четыре уравнения позволяют определить реакции
на гранях направляющих и тяговую силу:
В = PY;
Pzyp + Gd-Pr(H + b/2) .
С ~ Во ’
. D Pzyp + Gd-PY(H + bl2) . <1719>
А - t'z -f- О g- ,
<2 = Рх + /(Л + В + С).
По реакциям на гранях можно оценить величины средних давле-
ний
рА = Л/aL; рв B[bL-, рс — ClcL. (17.20)
Определить максимальные значения давлений можно после на-
хождения координат равнодействующих реакций хА, хв, хс. Для
этого к оставшимся двум уравнениям равновесия составляют допол-
нительное уравнение перемещений, предполагая, что момент внеш-
них сил относительно оси Y—Y, равный моменту от реакций в на-
правляющих
Му = PzxP + Рх (В + Ь/2) = Аха Схс.
распределяется между двумя направляющими пропорционально их
жесткости, т. е. пропорционально их ширине,
Аха/Схс = ale. (17.21)
Теперь координаты хА, хв, хс находят из уравнения (17.21) и
оставшихся двух уравнений равновесия:
Рх(Н + Ы2) + Ргхр + (}гц ,
Ха А (с/а + 1) ’
_ рх + й/2) + pzxp + $ZQ .
Хс~ С(а/с+1)
РхУр PYXP — (Po + cl^)
(17.22)
343
Когда форма одной из направляющих треугольная, ее заменяют
призматической направляющей плоской формы с приведенной ши-
риной
е = a cos2 а + b cos2 0, (17.23)
где а, 0 — углы наклона рабочих граней треугольной направляющей.
Последними в расчете определяют максимальные давления на
рабочих гранях направляющих по формуле, связывающей давления
с равнодействующей и координатой ее приложения:
Ршах 4 = ^(1 (17.24) ;
Если в формуле (17.24) хА = 0, то распределение давлений i
вдоль направляющей равномерное; при 0 < хА < Л/6 получается ;
трапецеидальный закон распределения давлений, а при хА — L/G —
треугольный. Если хА > Л/6, это свидетельствует о том, что давле- ;
ния приложены не по всей длине направляющей, и в работу может ’
вступить нижняя планка, препятствующая отрыву подвижного ;
узла.
Рекомендуемые максимальные давления на направляющих при J
малых скоростях равны 2,5—3,0 МПа; при больших скоростях — j
не более 1,0—1,2 МПа. Средние давления должны быть вдвое меньше i
максимальных. В прецизионных и тяжелых станках средние давле-
ния не превышают 0,1—0,2 МПа. ;
Расчет контактных перемещений в направляющих смешанного ’
трения определяют на основе допущения о том, что они прямо про- <
порциональны давлениям: j
А = ср,
где с — коэффициент контактной податливости, который устанавли- :
вают экспериментально; ориентировочно принимают с — <
= 10 мкм-мм2/Н.
Контактные деформации необходимо привести к точке приложе- !
ния сил резания и учитывать по тем направлениям, которые влияют '
на точность обработки. Так, в рассматриваемом примере (см.
рис. 17.13) смещение инструмента относительно детали в направле-
нии Y—Y образуется за счет поперечного и углового перемещений
подвижного узла:
8 = срв + с-Ау-^-Н. (17.25)
Контактные перемещения на направляющих входят составной
частью в общее упругое перемещение всей несущей системы и опре- :
деляют точность обработки. 1
Жидкостную смазку между направляющими можно обеспечить <
либо за счет гидродинамического эффекта, либо подачей смазочного :
материала между трущимися поверхностями под давлением. До-
стоинство жидкостной смазки в том, что отсутствует изнашивание
направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства
и плавность движения.
344
Гидродинамические направляющие отличаются простотой кон-
струкции, хорошо работают лишь при достаточно больших скоростях
скольжения, которым соответствуют скорости главного движения
(в продольно-строгальных, карусельных станках). Гидродинамиче-
ский эффект, т. е. эффект всплывания подвижного узла, создается
пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, вы-
полненными на рабочей поверхности направляющих (рис. 17.14).
В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении
затягивается смазочный материал, и обеспечивается разделение тру-
щихся поверхностей слоем жидкости. При малой ширине направ-
Рис. 17.44. Гидродинамические направляющие:
1 — прямолинейного движения; 2 — кругового движения; 3, 4 — соответственно эпюры
давлений при прямом и обратном ходе
ляющей по сравнению с ее длиной критическая скорость скольже-
ния, м/с, после которой наступает жидкостная смазка,
Р/,2.
о>2,5-105—(17.26)
’ pL9B ' 7
где Р — общая нагрузка на направляющую, Н; hmia — минимальная
толщина смазочного слоя, в зависимости от длины направляющей
hmm — 0,06-г-0,1 мм; р. —динамическая вязкость, мПа-с; L, В —
длина и ширина направляющей, мм.
Для различных скоростей скольжения и нагрузки существуют
свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса.
Серьезным недостатком гидродинамических направляющих яв-
ляется нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможе-
ния подвижного узла.
Гидростатические направляющие более широко распространены
в металлорежущих станках. Они обеспечивают жидкостную смазку
при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность, и вы-
сокую чувствительность точных исполнительных движений. Недо-
статком гидростатических направляющих является сложность си-
345
стемы смазывания и необходимость специальных устройств для фикса-
ции перемещаемого узла в заданной позиции.
Гидростатические направляющие (рис. 17.15) имеют карманы,
в которые под давлением подается масло. Вытекая наружу через
Рис. 17.15. Схемы гидростатических направляющих:
а, б — открытых; в, г •— замкнутых
зазор h, оно создает масляную подушку по всей площади контакта.
гидростатических направляю-
щих показана на рис. 17.16.
Их геометрические размеры
задают на основе ориентиро-
вочных ' зависимостей а =
= 0,5ах; ах = 0,1В; аа — 2аг.
По характеру восприятия
нагрузки гидростатические
направляющие делятся на
открытые и замкнутые. От-
крытые направляющие пред-
назначены для восприятия
прижимающих нагрузок, а
замкнутые (закрытые) могут
воспринимать, кроме того, и
значительные опрокидыва-
ющие моменты. Гидростати-
ческие направляющие раз-
личаются также системой ре-
гулирования толщины масля-
ного слоя. Наиболее просты
Целесообразная форма карманов для
Рис. 17.16. Формы карманов гидростатиче-
ских направляющих
и надежны системы с дроссе-
лями перед каждым карманом
(см. рис. 17.15, б, г). Однако,
если направляющие незам-
кнутые, то они могут обеспечить необходимую жесткость масляного
слоя лишь при большой массе подвижного узла. Повысить жесткость
масляного слоя можно путем использования для каждого кармана
346
отдельного насоса постоянного расхода (или систему с одним насо-
сом и делителем расхода) (см. рис. 17.15, а, в). Такие системы при-
меняют в тяжелых станках (карусельных, продольно-фрезерных
и др.). Наилучшими с точки зрения жесткости и постоянства толщины
масляного слоя являются гидростатические направляющие с си-
стемой автоматического регулирования. Основу таких систем со-
ставляют дроссели, сопротивление которых автоматически изме-
няется либо в зависимости от толщины масляного слоя, либо от
давления в масляном кармане.
Грузоподъемная сила, Н, незамкнутой гидростатической опоры
с питанием по схеме насос—карман
Р = (17.27)
/
где Q — расход смазочного материала, протекающего через зазор,
который является постоянным для этого типа опор, см8/с; р. —дина-
мическая вязкость, для минеральных масел р. = 1-М00 мПа-с;
h — величина зазора, см; F — площадь опоры, см2 (отдельной опо-
рой будем считать участок F = LB, см. рис. 17.16); ср, cg —коэф-
фициенты, зависящие от геометрических параметров опоры и кар-
мана, для симметричной прямоугольной опоры
cF = -А_ (2LB + 1В + 2lb + Lb); (17.28)
0.51-1^ . (17.29)
где L, В — соответственно длина и ширина опоры; I, b — длина и
ширина кармана.
Жесткость гидростатической опоры с постоянным расходом
/ = <- = ~3^>==~3Т’ (17-3°)
где знак минус означает, что с увеличением нагрузки зазор умень-
шается.
У незамкнутой гидростатической опоры с питанием от общего
насоса через дроссель к каждому карману (см. рис. 17.15, б) расход
жидкости через дроссель и щель равен
где рк, рн — соответственно давление в кармане и давление насоса,
мПа; R, 7?др — соответственно сопротивление щели и дросселя.
Для гидростатических направляющих применяют в основном
дроссели типа канала, в которых сопротивление потоку создается
за счет трения жидкости о стенки. Такие дроссели меньше засоряются,
так как позволяют увеличить проходное сечение канала, а необ-
ходимое сопротивление можно обеспечить за счет его длины, причем
компактность дросселя достигается винтовой формой канала.
347
Для дросселей трения с круглым отверстием
Ддр=619.10-9|лА., (17.32)
UQ
а сопротивление щели гидростатической опоры
(17.33)
где /0, — соответственно длина и диаметр отверстия дросселя, см.
Подставив в уравнение (17.31) выражения (17.32) и (17.33),
можно получить формулу для определения толщины масляного слоя
h = 6,9-10-%, А У рн~рг. = 6,9-10"9cg-^2- (17.34)
где т = рк/ра —характеристика дросселя, 0 < tn < 1.
Жесткость гидростатической опоры с дроссельной системой пи-
тания
от.зб)
а при оптимальной характеристике дросселя тоат = 2/3
/max ~ 3 (1 ГП) -fr- .
Из формул (17.34) и (17.35) видно, что применение дросселей
трения обеспечивает независимость толщины масляного слоя h
и жесткости / от вязкости масла р. Это является достоинством дрос-
сельных гидростатических опор, поскольку вязкость масла суще-
ственно изменяется из-за нагрева станка при. работе.
Грузоподъемная сила, Н, замкнутой гидростатической опоры
с системой питания насос—карман (см. рис. 17.15, в)
Р = 10-2pHF^cP(8, k), (17.36)
а жесткость этой опоры
где hQ — первоначальная величина рабочего зазора; сР (8, /г) и
с} (е, k) — коэффициенты, определяемые в зависимости от относитель-
ного смещения 8 = (h0 —/iJ/Zio и различия в противоположных
опорах (индекс 1 —для основной опоры,
Г Fl СМ Cgl *01 «02
а индекс 2 —для замыкающей); обычно 0 < k < 1, а при k = 0
опора превращается в незамкнутую.
Коэффициенты Ср (б, k) и Cj (б, k) определяют по выражениям
Ср (8, k) — (1 _е)а (1 _ е)3 >
Cj (8, k) = (1_е)4 + (1 + е)4 • .
(17.38)
348
Замкнутая гидростатическая опора с дроссельным регулирова-
нием (рис. 17.15, г) обладает грузоподъемной силой и жесткостью,
определяемыми по выражениям (17.36) и (17.37), в которых коэффи-
циенты Ср (е, /г) и Cj (е, /г) определяют по следующим зависимостям:
ср(е, k) — (1 _е)з + j (1 + е)з+1;
..(е м =_____(—в)2 ..
к> [(1—е)3 + I]2 [(1 4- е)3 4- I]2 ’
(17.39)
Повысить жесткость незамкнутых гидростатических опор можно
применяя регуляторы толщины масляного слоя. Примером регуля-
тора, использующего обратную связь по давлению, может служить
мембранный регулятор (рис. 17.17, а), принцип действия которого
заключается в том, что его сопротивление, зависящее от величины
зазора Н, изменяется в соответствии с толщиной щели h при равен-
стве расходов. Толщина масляного слоя гидростатической опоры
с таким регулятором
'-«•-й-(4--|)1В(1 + 10”‘-й-)- <17«>
где Но — начальный зазор в регуляторе (при рк = 0), см; с — коэф-
фициент податливости мембраны с пружиной, мм-см2/Н.
Подбором жесткости регулятора (используя коэффициенты
Но -^2- и с ) можно изменить жесткостную характеристику
опоры. Регуляторы мембранного типа улучшают характеристики
незамкнутых гидростатических опор при сравнительно небольшом
диапазоне изменения внешней нагрузки (примерно до 5 раз), обес-
печивая почти постоянное значение толщины смазочного слоя. Рас-
ширить диапазон внешних нагрузок во много раз можно путем созда-
349
ния систем автоматического регулирования, в которых осуще-
ствляется управление регулятором расхода по сигналу датчика,
фиксирующего отклонение движения подвижного узла от идеальной
прямой.
Своеобразной автоматической системой с регулятором являются
гидростатические опоры с внутренним дросселированием
(рис. 17.17, б). В качестве дросселя используют участок щели в виде
кольца, причем дроссели располагают на противоположной направ-
ляющей. Жесткость и грузоподъемная сила таких опор в 1,5—2 раза
больше жесткости обычных гидростатических опор с внешним дрос-
селем постоянного сопротивления.
Демпфирование колебаний в гидростатических направляющих
значительно выше, чем в направляющих других типов, и харак-
теризуется силой сопротивления, возникающей при сближении
поверхностей с некоторой постоянной скоростью. Для прямоуголь-
ных направляющих с карманом демпфирующая сила
Р = -^(&(17.41)
а для плоской кольцевой опоры с центральной камерой
' (1742)
где h—начальная (средняя) величина зазора; rt, г2—соответ-
ственно наружный и внутренний радиусы кольцевой опоры.
Гидростатические направляющие чувствительны к деформациям
и погрешностям изготовления и монтажа, суммарная величина кото-
рых для сопряженных деталей не должна превышать примерно
одной трети минимальной расчетной толщины щели. Положительным
свойством гидростатических опор является способность их в значи-
тельной мере усреднять исходные геометрические погрешности со-
пряженных поверхностей.
Разделения трущихся поверхностей в аэростатических направ-
ляющих добиваются подачей в карманы воздуха под давлением.
В результате между сопряженными поверхностями направляющих
образуется воздушная подушка. По конструкции аэростатические
направляющие напоминают гидростатические. Рабочую поверхность
делят на несколько секций, в которых располагаются карманы.
Подвод и распределение воздуха к каждой секции независимые.
Для устранения опасности потери устойчивости и возбуждения
интенсивных колебаний по принципу пневмомолотка карманы и
распределительные канавки делают треугольного профиля и неболь-
шими по объему (рис. 17.18). Аэростатические направляющие ра-
ботают устойчиво, когда объем воздуха в канавке в 4—5 раз меньше
объема воздуха в щели. Исходя из этого, глубина канавки
t < / OjBh,
где В —ширина опоры, мм; h —толщина щели, обычно h = 0,01 -t-
4-0,05 мм.
350
Микроканавки замкнутого профиля, аналогичные канавкам ги-
дростатических опор (см. рис. 17.16), применяют при значительной
ширине направляющих. Воздух подводят к центру канавки через
дросселирующее отверстие (d = 0,2-^0,8 мм) под избыточным давле-
нием 0,2—0,4 МПа.
Подъемная сила опоры с одной канавкой
Р = 9,8Blfp (£),
(17.43)
где I —длина канавки, мм; fp
характеристики опоры,
6=17,3^. (17.44)
Коэффициент fp (k) при рас-
чете грузоподъемности можно
определить по эмпирической
формуле
fp(k)= (17.45)
где рк —давление воздуха
в канавке, МПа.
По условию устойчивости
характеристику опоры следует
брать в интервале 0,3 < k < 2.
Жесткость незамкнутых
аэростатических направляющих
можно оценить по приближен-
ной формуле
/ = О,5-^-ро. (17.46)
(k) — коэффициент, зависящий от
Рис. 17.18. Аэростатическая опора
где р0 — подводимое давление
воздуха, МПа.
Недостатки аэростатических опор и напрдрляющих, по сравнению
с гидростатическими, заключаются в малой нагрузочной способности,
невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на
четыре порядка меньше вязкости масла, низкими динамическими ха-
рактеристиками, склонностью к отказам из-за засорения магистра-
лей и рабочего зазора. Динамические характеристики можно улуч-
шить, применяя аэростатические направляющие закрытого типа,
а поднять нагрузочную способность за счет автономной системы пи-
тания от отдельного компрессора.
Преимущества аэростатических направляющих состоят в том,
что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения,
а при отключении подачи воздуха очень быстро создается контакт
поверхностей с большим трением, обеспечивающим достаточную
жесткость фиксации узла стайка в заданной позиции. Отпадает
необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются
гидростатические направляющие.
351
Все это определяет целесообразную область применения аэро-
статических направляющих. Их используют в прецизионных стан-
ках, в которых малы силы резания и необходимо точное позициони-
рование.
§ 7. НАПРАВЛЯЮЩИЕ КАЧЕНИЯ
Направляющие качения имеют хорошие характеристики
трения, равномерность и плавность движения при малых скоростях,
точность установочных перемещений и длительно сохраняют точ-
ность; в них малое тепловыделение, их просто смазывать. Недостат-
ками направляющих качения по сравнению с направляющими сколь-
жения являются высокая стоимость, трудоемкость изготовления,
пониженное демпфирование, повышенная чувствительность к за-
грязнениям.
Рис. 17.19. Основные схемы на-
правляющих качения:
а — на роликах с закрепленными
осями: б — с потоком тел качения;
в — -с возвратомн тел качения
- -------------; v/z
f)
Трение качения в направляющих может создаваться при свобод-
ном прокатывании шариков или роликов между движущимися по-
верхностями, либо применением тел качения с фиксированными
осями (рис. 17.19). Наибольшее распространение в металлорежущих
станках имеют направляющие со свободным прокатыванием тел
качения (рис. 17.19, б, в), так как есть возможность разместить
большее число тел качения в зоне контакта и обеспечить необходи-
мые жесткость и точность движения. Конструкции без возврата тел
качения (рис. 17.19, б) применяют для малых ходов (до 1 м), поскольку
тела качения в 2 раза отстают от подвижного узла. Для равномерного
размещения на направляющей тел качения служит сепаратор.
При большой длине хода используют направляющие с циркуляцией
шариков или роликов, которые свободно возвращаются на рабочую
дорожку по каналу возврата (рис. 17.19, в).
Материал и конструктивные формы направляющих качения
сходны с направляющими скольжения. Однако для направляющих
качения необходимы твердые и однородные рабочие поверхности.
Чугун применяют сравнительно редко лишь при небольших нагруз-
ках. В основном используют стальные закаленные направляющие.
352
Число тел качения z в одном ряду на направляющей не должно
быть меньше 12—16, так как с их уменьшением снижается точность
движения. Вместе с тем для загрузки всех или почти всех тел каче-
ния внешней силой необходимо соблюдать условия
z < <у/4; z < Pl$,§
где q —нагрузка на единицу длины ролика, Н/мм; Р —нагрузка
на один шарик, Н; d —диаметр шарика, мм.
Чрезмерное увеличение количества тел качения приводит к тому,
что все большее их число оказывается ненагруженным полностью
или частично. При выборе диаметра детали типа тела качения нужно
учитывать, что с уменьшением диаметра возрастают силы трения,
а с увеличением диаметра увеличиваются размеры направляющих.
Жесткость шариковых направляющих возрастает с увеличением диа-
метра шариков, а жесткость роликовых направляющих почти не
зависит от диаметра роликов. В станкостроении используют корот-
кие ролики диаметром 5—12 мм и длинные диаметром 5—20 мм.
Предварительный натяг в направляющих качения устраняет
вредное влияние зазоров и обеспечивает повышение жесткости на-
правляющих в 2—3 раза. Предварительный натяг может быть полу-
чен за счет массы узла и внешней нагрузки. Недостаток этого спо-
соба — невозможность выбора оптимальной величины натяга и
его регулирования.
. В замкнутых направляющих предварительный натяг создают
двумя способами; пригонкой размеров или регулировочными устрой-
ствами. Первый из них прост конструктивно и обеспечивает высокую
жесткость, однако натяг невозможно регулировать в процессе
эксплуатации и необходимо выдерживать размеры с большой точ-
ностью, так как максимальные величины натяга для шариковых
направляющих не должны превышать 7—10 мкм, а для роликовых —
10—15 мкМ. Рекомендуемые величины натяга обычно составляют
5—6 мкм.
Второй способ лишен этого недостатка, но сложнее конструктивно.
Натяг создается либо пружинами, либо за счет регулировочных
элементов, которые смещают- подвижную деталь. При этом жела-
тельно, чтобы на эти устройства во избежание снижения жесткости
не действовала основная нагрузка.
Направляющие с циркуляцией тел качения выполняют в основ-
ном без сепаратора, со сплошным потоком шариков или роликов.
Иногда встречаются конструкции с циркуляцией тел качения, в ко-
торых используют сепараторы в виде гибкой цепи. Циркуляция
тел качения осуществляется также в опорах (шариковых или роли-
ковых), представляющих собой отдельные самостоятельные элементы.
Это своего рода подшипники качения прямолинейного движения.
На рис. 17.20 представлена конструкция роликовой опоры Р88,
размеры которой определены стандартом станкостроения (табл. 17.3).
Эти опоры бывают нормальной Р88, узкой Р88У и широкой Р88Ш
серий.
12 П/р В. Э. Пуша
353
17.3. Размеры роликовых опор и допускаемая нагрузка
Типоразмер опоры Допу- скаемая нагруз- ка, Н Размеры, мм Крепеж- ные винты
L в н h С а (1 1
Р88-101 25 000 75 42 22 16 34 44 6 14 М4
Р88-102 49 500 95 52 32 24 42 52 8 20 М5
Р88-103 105 000 135 .66 39 29 ' 52 80 10 25 Мб
Р88У-101 17 000 75 25,6 18,7 12,7 20,6 25,4 6 8,4 М3
Р88У-102 43 000 105 38,3 28 20 31 38 8 12,5 М4
Р88У-103 85 000 140 51 37 27 41 51 10 18,5 М5
Р88Ш-101 33 000 75 33,7 18,7 12,7 28,5 25,4 6 16*5 М3
Р88Ш-102 68 000 105 46,3 28 20 39,2 38 8 20,5 М4
Р88Ш-103 170 000 140 58,5 37 27 48,5 51 10 26 М5
Роликовая опора состоит из направляющей 1, вокруг которой
обкатываются ролики 2. Выпадению и боковым смещениям роликов
препятствуют обоймы 3, шпонки и пружины. К монтажной поверх-
ности подвижных узлов станка опоры крепят винтами и штифтуют.
Рис. 17.20. Ррликовая опора с циркуляцией тел качения;
1 — направляющая; 2 — ролнкн; 3 — обойма
Расчет направляющих качения предусматривает проверку на
предельно допустимую нагрузку по прочности поверхностного слоя
и отсутствие пластических деформаций в зоне контакта, определение
упругих перемещений и уточнение величины предварительного
натяга.
Предельные нагрузки по контактным напряжениям стальных и
чугунных направляющих подсчитывают на основе формулы Герца-
Беляева, которая преобразуется к простейшему виду;
354
для роликовых направляющих
Р = Kbd;
для шариковых направляющих
Р =
где d —диаметр шарика или ролика, см; Ь —ширина ролика,
см; К —условное напряжение, Н/см2 (табл. 17.4).
Фактическую нагрузку на наиболее нагруженный шарик или
ролик определяют методом, применяемым при расчете направляющих
скольжения; при этом тела качения условно заменяют сплошным
упругим основанием, для которого определяют максимальное давле-
ние Ртах. Нагрузка на шарик
г/ г 17.4. Условные напряжения
или ролик для направляющих качения
Р btpmali,
где b —условная ширина
направляющей (ширина ро-
лика или диаметр шарика);
t — шаг между осями рабо-
чих тел качения.
Жесткость направляющих
качения для условия иде-
ального изготовления
6 = М; 6 = сшР, (17.47)
Тела качения К, Н/см2
Для стальных закаленных направляющих 60 ... 62) Для чугун- ных направ- ляющих (20Q НВ)
Шарики Ролики: 6 0,2
короткие 200 20
длинные 150 15
где ср, сш — коэффициенты контактной податливости соответ-
ственно для роликовых (мкм-см/Н) и шариковых (мкм/Н) направ-
ляющих.
Зависимости (1,7.47) справедливы при наличии предварительного
натяга (предварительной нагрузки) и при действии перекашива-
ющих моментов.
Динамические характеристики направляющих качения несколько
хуже, чем направляющих скольжения. Небольшое демпфирование
обусловлено малой площадью контакта.
Трение в направляющих качения практически не зависит от
скорости движения узла и складывается из двух составляющих,
одна из которых постоянна, а вторая пропорциональна нормальной
нагрузке. Сила трения на одной грани направляющих
Т = Т0+-^Р„,
(17.48)
где То = 4-?-5 Н —постоянная составляющая силы трения; fK —
коэффициент трения качения, fB = 0,001 см для направляющих
из стали и /н = 0,0025 см для направляющих из чугуна; г — радиус
тел качения, см; PN — суммарная сила, действующая на рабочую
грань направляющей.
12*
355
Сочетание направляющих различных типов в одной конструкции
дает возможность использовать положительные свойства различных
видов трения.
Комбинированные направляющие качения—скольжения с обли-
цовкой граней скольжения полимерными материалами имеют хоро-
шие свойства как направляющих качения, так и направляющих
скольжения и не имеют их недостатков, т. е. обладают одновременно
удовлетворительными характеристиками трения, высокими жест-
костью и демпфированием колебаний, являются безударными в наи-
более важном направлении и имеют значительно меньшую стоимость,
чем направляющие качения.
Элементы качения могут быть на основных, боковых или вспомо-
гательных гранях. Остальные грани выполняют как поверхности
скольжения. Роликовые опоры на основных горизонтальных гра-
нях применяются в направляющих тяжелых перемещающихся узлов
(столы тяжелых фрезерных станков, подвижные стойки тяжелых
расточных станков, суппорты тяжелых токарных станков и т. п.);
при этом желательно грани скольжения делать с частичной раз-
грузкой роликовыми опорами, что способствует повышению точности
обработки.
Направляющие с боковыми гранями качения используют в стан-
ках, где в первую очередь необходимо устранить переориентацию
узлов при реверсах (расточные, многооперационные, токарные,
бесконсольно- и вертикально-фрезерные станки и др.).
Общая сила трения в комбинированных направляющих каче-
ния —скольжения
T = To + MVi + -^W2>
где То « 5 Н; /ск — коэффициент трения скольжения, для чугуна
fск = 0,14-0,25; /к—коэффициент трения качения, для чугуна
/к — 0,0025 см, для стали [к = 0,001 см; Nlt N2 —доли общей на-
грузки, воспринимаемые соответственно направляющими скольже-
ния и качения, Н; г — радиус тел качения, см.
Гидроразгрузка направляющих ~с полужидкостной смазкой за
счет подачи в разгружающие карманы масла под давлением весьма
эффективна для наиболее ответственных направляющих. Подбором
давления масла в карманах можно резко уменьшить коэффициент
трения, обеспечить высокую долговечность направляющих, а отсут-
ствие всплывания, которое имеет место в гидростатических на-
правляющих, обеспечивает высокую контактную жесткость и надеж-
ную фиксацию узла после перестановки.
Сила трения в направляющих с гидроразгрузкой
где f — коэффициент смешанного трения; Ро — сила гидрораз-
грузки.
Сила гидроразгрузки та же, что и для гидростатических на-
правляющих, Ро = pHFcp\ обычно Ро — 0,7Рм-
356
Комбинация гидростатических и гидродинамических опор целе-
сообразна при большом диапазоне изменения скоростей, что в на-
правляющих встречается редко. Такие опоры применяют для быстро-
ходных шпинделей станков с большим диапазоном регулирования
частоты вращения.
Комбинации гидростатических опор и направляющих качения
целесообразны в отдельных случаях для создания замкнутых гидро-
статических опор. Подпружиненные катки могут обеспечить надеж-
ное замыкание гидростатических опор даже при отсутствии внешней
постоянной нагрузки.
Сочетание гидростатических направляющих с аэростатическими
возможно в случаях, когда аэростатические опоры выполняют
вспомогательные функции уплотняющих устройств. Для силового
замыкания аэростатические направляющие малопригодны из-за
низкого давления в пневмосети.
ГЛАВА 18
РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКОВ
§ 1. динамическая система станка
Динамический расчет станка необходим для определения
показателей динамического качества, используемых затем для оценки
производительности и точности станка, сравнительного анализа
различных конструктивных вариантов и оптимизации.
Наиболее полно вопросы анализа динамики станков рассмотрены
в работе В. А. Кудинова, где предложены следующие основные пока-
затели динамического качества станка: запас устойчивости., реакция
системы на внешние воздействия, быстродействие, определяющее
црбдфТжйтёТГьнбстЬ ттерёхбдн^ Запас устой-
чивости характеризует возможности изменения того или иного пара-
метра системы (жесткости, скорости движения, линейного размера
и др.) без потери ею устойчивости. В роли сигналов, по которым
определяются второй и третий показатели системы, могут выступать
относительные смещения или скорости движения инструмента и
заготовки (при оценке точности обработки), напряжения в нагру-
женной детали, контактные напряжения (при оценке надежности
и долговечности системы), температура нагрева и др. В. А. Куди-
новым дано представление о динамической системе станка как зам-
кнутой многоконтурной системе, включающей упругую систему
(станок, приспособление, инструмент, заготовка) и рабочие процессы,
протекающие в ее подвижных соединениях (резание, трение, про-
цессы в двигателях).
С динамической системой станка познакомимся на простом при-
мере. При исследовании вынужденных колебаний плоскошлифоваль-
ного станка можно сделать допущения о бесконечно большой жест-
357
кости подсистемы заготовки, по сравнению с жесткостью подсистемы
шлифовального круга, в направлении, перпендикулярном к обра-
батываемой поверхности, и о линейности системы. Входными воздей-
ствиями на систему станка являются: силовое воздействие и (/)
от неуравновешенности шлифовального круга и изменение yt (/)
глубины резания вследствие эксцентриситета круга. Для учета только
низкочастотных форм колебаний станка можно представить его
системой с одной степенью свободы (рис. 18.1). Приняв в качестве
переменной состояния системы изменение q (t) относительного по-
ложения шлифовального круга и обрабатываемой заготовки по нор-
мали к поверхности обработки и используя принцип Даламбера,
Рис. 18.1. Расчетная схема дина- Рис. 18.2. Структурная схема динамической
мической системы станка системы станка
получим математическую модель системы в виде обыкновенного
дифференциального уравнения
| mq (0 4- hq (0 4- cq (t) = P{t) -f- и (t);
I = ( °
где m, h, c — соответственно приведенная масса, эквивалентные
коэффициенты демпфирования и жесткости подсистемы шлифоваль-
ного круга (параметры упругой системы станка); Р (/) — изменение
силы резания; kp — коэффициент пропорциональности (характери-
стика процесса резания).
Для систем с большим числом степеней свободы дифференци-
альные уравнения обычно записывают в матричной форме.
Если при нулевых начальных условиях к дифференциальному
уравнению (18.1) применить преобразование Лапласа, предвари-
тельно поделив все его члены на с, то получим
( $ »’ +1S + 1) Ч (S) - Р (S) + «(S)J 4; (|8
P(s) = kv[yt(s)-q(s)],
где q (s), Р (s), и (s), yt (s) —преобразования Лапласа переменных
q (/), Р (J), и (/), yt (/); s — комплексная переменная.
Введя обозначения ml с = Т2, h/c = 2gT (| — коэффициент демп-
фирования) и k — 1/с, запишем систему (18.2) в иной форме:
<? ф Ф W у°Ф (18-3)
358
P(s) = kp[yt(s)q(s)\,
где Ц7Э. у. с (s) — передаточная функция эквивалентной упругой
системы, включающей, помимо упругой системы, трение.
Запись уравнений в форме (18.3) дает возможность представить
структуру рассматриваемой динамической системы станка в виде
совокупности упругой системы и процесса резания, взаимодейству-
ющих между собой (рис. 18.2). Внутри прямоугольников, изобража-
ющих основные звенья системы, записаны их передаточные функции
(в частном случае — коэффициенты). Стрелки показывают направле-
ния воздействий звеньев друг на друга, а также внешние воздействия
на систему.
Разрешив систему уравнений (18.3) относительно изображения
переменной состояния q (s), получим математическую модель станка,
позволяющую анализировать влияние внешних воздействий на
выход динамической системы станка:
£р№э. у. с (s) . .
q (S) ~ l+M^y.Us) У* +
+“(s) = w«(s)yt (s)+Wu (s) “(s)> (I8,4)
где Wy (s) — передаточная функция системы по изменению на-
стройки; Wu (s) — передаточная функция системы по внешнему
силовому воздействию.
Для линейных систем Справедлив принцип суперпозиции, по--
этому влияние внешних воздействий на выход системы можно рас-
сматривать по очереди. Одним из наиболее распространенных видов
динамических моделей являются частотные характеристики. Для
большинства входных воздействий частотная характеристика си-
стемы может быть получена из соответствующей передаточной функ-
ции при замене параметра s на /со.
Например, для передаточной функции 1ГЭ. у. с (s), определенной
выражением (18.3), частотная характеристика имеет вид
^а. у. с (/“) = (1 _r2(O2) + /-2gr(o ’
или после разделения на действительную и мнимую части получим
и/ _ fed — _ k(l-TW)
W э. у. с — 0 _ Т2Ш2)2 _|_ 4g2T2w2 ! (1 _ 7’2(й2)2 _|_ QgTW '
Графиком частотной характеристики 1ГЭ. у. с (/со) является ам-
плитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ), которая
строится на комплексной плоскости (рис. 18.3, а). Она представляет
собой геометрическое место концов векторов (годограф), соответ-
ствующих 1ГЭ. у. с (/’©) при изменении частоты от нуля до бесконеч-
ности (или до wmax). При со = 0 Гэ.у.с (/“) = k, т- е. податливости
упругой системы станка, при со = V/Т радиус-вектор АФЧХ совпа-
дает с отрицательным направлением мнимой оси, а его величина
k/2% зависит от относительного коэффициента демпфирования В
(для упругих систем станков В = 0,05-Ю, 15).
359
Упругие системы станков, как правило, имеют более сложные
АФЧХ, чем системы с одной степенью свободы. На рис. 18.3, б
показана экспериментальная АФЧХ одностоечного плоскошлифо-
вальиого стайка с горизонтальным шпинделем. Характеристика
в диапазоне от 0 до 700 с-1 имеет три основные резонансные петли
(под петлей понимается участок АФЧХ вблизи резонансной частоты).
В данном случае первая петля соответствует преобладающим верти-
кальным колебаниям шлифовальной бабки (частота 125 с-1), вторая
и третья — двум формам изгибных колебаний шпинделя со шли-
фовальным кругом. На рис. 18.3, в показана экспериментальная
Рис. 18.3. Амплитудно-фазовые частотные характеристики:
а — одномассовой упругой системы (см. рнс. 18.1); б — плоскошлифовального станка; в
токарного станка
АФЧХ токарного станка средних размеров. Наиболее характерными
резонансными петлями характеристики в данном случае являются
петли, соответствующие преобладающим колебаниям нижнего суп-
порта (частота 70 с'1), переднего (частота 128 с'1) и заднего (частота
184 с-1) концов обрабатываемой детали, верхнего суппорта (частота
250 с'1)-
АФЧХ упругих систем станков зависит от большого числа фак-
торов: конструкции станка и значения его параметров, режима
работы станка, способа закрепления и размеров обрабатываемой за-
готовки, координат точки рабочего пространства станка и др.
Динамические свойства станка можно оценить по величине от-
рицательного максимума действительной составляющей частотной
характеристики разомкнутой системы «эквивалентная упругая си-
стема — процесс резания» Ц7раз (f) = kpW3. у, с (f). На АФЧХ упру-
гой системы станка этой величине соответствует отрезок ReT. у. 0
(рис. 18.3, в).
Виброустойчивость станка тем выше, чем меньше отрезок Re™ у. с-
Известно, например, что значение предельной стружки /Пр (где
/пр — максимальная глубина резания, при которой обработка на
станке идет без вибраций) уменьшается с увеличением Re™ у. с,
и наоборот; между ними существует сильная корреляционная связь.
360
Отрезок Re™ у. с связан с петлей характеристики 1ГЭ. у. с (/), со-
ответствующей так называемой потенциально неустойчивой фюрме
колебаний упругой системы станка. При обработке с глубиной реза-
ния t tnp в станке возникают интенсивные колебания (потеря
устойчивости) на частоте потенциально неустойчивой формы коле-
баний. Эта форма связана в основном с колебаниями определенного
узла или элемента станка, которые являются слабым звеном в его
динамической системе.
При решении конкретных задач динамики многоконтуриую дина-
мическую систему станка обычно заменяют эквивалентной ей одно-
контурной системой. Можно назвать три основных типа таких
задач: 1) расчет станка при резании; 2) расчет станка при холостом
ходе (например, расчет позиционирования узлов); 3) расчет привода
станка. При решении задач первого типа в контур связи включают
всего два звена — процесс резания и эквивалентную упругую
систему (ЭУС). Структурная схема такой одноконтурной системы
показана на рис. 18.2. Направленность связей в системе позволяет
при расчете выделять ее звенья и рассматривать их отдельно.
В основе решения задач первого типа лежит расчет динамиче-
ских. характеристик эквивалентной упругой системы станка, про-
цесса резания и одноконтурной разомкнутой системы; последняя
характеристика служит основой при оценке всех показателей ди-
намического качества станка. В процессе расчета определяют частот-
ные характеристики звеньев и систем, обычно в форме амплитудно-
фазовой частотной характеристики. Расчет проводят на стадии тех-
нического проекта, когда конструкция станка проработана доста-
точно детально и имеется подробная информация о его параметрах
и возможных диапазонах их изменения. Расчет можно проводить
не только для оценки показателей динамического качества станка,
ио-и при поиске оптимальной конструкции упругой системы по
этим показателям. В этом случае необходима математическая модель
системы, адекватная базовому варианту станка.
§ 2. разработка расчетной схемы
УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА
С точки зрения динамики реальная упругая система
станка — это сложная колебательная система с распределенными
инерционными и упругими параметрами, имеющая бесконечное число
степеней свободы и, соответственно, бесконечное множество соб-
ственных частот колебаний. Точный расчет такой системы практи-
чески невозможен.
При расчете динамических характеристик реальную упругую
систему станка заменяют расчетной схемой, т. е. системой с ко-
нечным числом степеней свободы в виде некоторого количества со-
средоточенных масс, соединенных невесомыми упругими и диссипа-
тивными (рассеивающими энергию колебаний) элементами, обычно
с линейными характеристиками. Такое представление системы станка
основано иа том, что большинство корпусных деталей — тяжелые и
361
относительно жесткие тела, а деформации сосредоточены в основном
в стыках. Разумеется, там, где нельзя пренебречь распределен-
ностью параметров, это учитывают с помощью заменяющих моделей
в виде упругих элементов (стержней, пластин) с сосредоточенными
инерционными параметрами.
Расчетная схема должна быть с достаточной для практики точ-
ностью эквивалентна реальной системе станка в заданном частотном
диапазоне по жесткости в точках приведения масс, значениям низ-
ших собственных частот (лежащих в заданном диапазоне) и соответ-
ствующих им формам колебаний.
Построенная таким образом расчетная схема позволяет описать
динамику упругой системы станка системой линейных дифферен-
циальных уравнений второго порядка. Допустимость линейного
представления может быть обоснована натягом упругой системы
силами резания и весом ее элементов, а также относительной ма-
лостью амплитуд их колебаний.
Разработку расчетной схемы упругой системы станка можно
проводить на основе чертежей. Однако наличие экспериментальных
данных (частотных характеристик, форм колебаний упругой системы
на собственных частотах), полученных для базового варианта станка,
позволяет при разработке расчетной схемы сделать ряд обоснованных
упрощений и существенно сократить в дальнейшем объем расчет-
ных работ.
Рассмотрим два примера. Базой для построения расчетной схемы
бесцентрового круглошлифовального станка с широким кругом по-
служили данные о колебаниях элементов станка в процессе шлифо-
вания. Поскольку основные возмущающие воздействия на станок
в данном случае создают исходная погрешность заготовки и привод,
эксперименты проводили при черновом шлифовании, когда спектр
возмущений шире, а их интенсивность достаточна для дальнейшего
спектрального анализа. Размещение датчиков колебаний на станке
определялось необходимостью получения информации о формах
колебаний его упругой системы.
Полученные записи колебаний (реализации) рассматривали как
случайные процессы. После аналого-цифрового преобразования дан-
ные о колебаниях различных точек станка вводили в ЭВМ для обра-
ботки в целях определения статистических характеристик, в том
числе оценок спектральных плотностей (описывающих частотную
структуру процессов колебаний).
Анализ полученных характеристик позволил установить, что
до 95 % дисперсии относительных колебаний бабок шлифовального
и ведущего кругов определяется колебаниями в диапазоне от 0 до
100 Гц. Следовательно, для достаточно точного описания поведения
динамической системы станка можно учитывать только низкочастот-
ные формы колебаний его упругой системы, соответствующих этому
диапазону.
Были определены собственные частоты станка в диапазоне до
100 Гц. По результатам расчетов на ЭВМ статистических характе-
ристик были найдены оценки отношений амплитуд колебаний различ-
362
Рис. 18.4. Расчетная схема упругой
системы бесцентрового круглошли-
фовальиого станка
ных пар точек упругой системы — амплитудные и фазовые спектры.
Значения ординат спектров на всех собственных частотах станка
позволяют судить о формах колебаний его упругой системы. Анализ
форм колебаний показал, что основные перемещения элементов
упругой системы станка при колебаниях происходит в плоскости,
перпендикулярной оси шлифовального круга. Это дало основание
ограничиться рассмотрением плоской расчетной схемы станка (не-
пространственной). Было установлено также, что основные узлы
станка (станина, бабки, шлифовальный и ведущий круги) двигаются
при колебаниях как жесткие тела (массивы) за счет деформаций
в стыках.
Под массивом подразумевают тело, собственными деформациями
которого можно пренебречь по сравнению с контактными деформа-
циями в стыках. Расчетная схема
станка в виде линейной колебатель-
ной системы, состоящей из пяти эле-
ментов с 11 степенями свободы, при-
ведена на рис. 18.4. Массивы 1 (шли-
фовальный круг), 2 (бабка шлифо-
вального круга), 3 (ведущий круг) и 5
(станина) соединены невесомыми
упругими связями с вязким демпфи-
рованием — моделями стыков. Каж-
дую связь в плоскости ХОК харак-
теризуют коэффициенты жесткости
и коэффициенты демпфирования со-
ответствующего стыка по осям X, Y
и при повороте вокруг оси Z.
Инерционные характеристики массивов (массы, моменты инер-
ции) сосредоточены в центрах тяжести соответствующих элементов
станка.
Один из элементов упругой системы станка—суппорт ножа —
на расчетной схеме заменен жестко защемленной эквивалентной
невесомой упругой балкой (стержнем) с приведенной массой, со-
средоточенной в точке 4 контакта ножа с обрабатываемой деталью.
Статическая жесткость такой заменяющей системы в точке 4 по оси Y
равна жесткости реальной системы ножа в той же точке, а собствен-
ные частоты систем одинаковы. Принято, что масса суппорта ножа
(точка 4) обладает одной степенью свободы (по оси X).
В качестве второго примера рассмотрим разработку расчетной
схемы упругой системы координатно-расточного станка (рис. 18.5, а).
Во время предварительных экспериментов в этом случае станок
возбуждался электромагнитным вибратором, установленным на столе.
Измеряли перемещения расточной оправки относительно стола,
а также перемещения других характерных точек упругой системы
по координатным осям X, Y, Z. Последовательная ориентация
вибратора вдоль каждой из координатных осей позволила построить
матрицу 1Гэ. у. с частотных характеристик эквивалентной упругой
системы с девятью элементами: ^yy> №22»
363
WYZ, Wzx, WZY (первый индекс соответствует направлению
измеряемых относительных перемещений оправки и стола, вто-
рой — направлению возбуждающей силы). Модули (амплитудно-
частотные характеристики) взаимных характеристик (с разными ин-
дексами), как и модуль характеристики Wzz, оказались существенно
меньшими, по сравнению с модулями основных характеристик Wxx
и WYy, во всем исследуемом частотном диапазоне (20—500 Гц).
Это дало основание считать слабо связанными колебания станка по
различным координатным осям и рассматривать его пространствен-
ную упругую систему состоящей из двух независимых плоских под-
систем (в плоскостях XOZ и YOZ), а колебаниями по оси Z прене-
бречь.
Рис. 18.5. Координатно-расточной станок с ЧПУ (а) и расчетная схема его упру-
гой системы (б)
По характеристикам Wxx и 1ГУГ были найдены собственные
частоты системы. Картины перемещений точек упругой системы
станка при колебаниях на каждой из собственных частот (экспе-
риментальные формы колебаний) позволили представить характер
деформаций основных элементов станка и провести их классифика-
цию на массивы и стержни (упругие балки); к массивам были от-
несены (рис. 18.5, а) станина 1, салазки 3, стол 7, электродвига-
тель 9 и шпиндельная коробка 11. Гильза 13 также была представ-
лена в виде массива (жесткого тела) на упругих опорах. При работе
станка момент сил резания отклоняет ось гильзы от вертикали;
при этом на диаметрально противоположных сторонах гильзы
в верхней и нйжней частях ее стыка со шпиндельной коробкой воз-
никают площадки контакта, составляющие примерно 10 % общей
длины стыка. Эта картина практически не изменяется, если учиты-
вать собственные деформации гильзы, которые даже при неблаго-
приятных условиях нагружения в несколько раз меньше зазора
в стыке. Жесткость площадок контакта определяет линейную и
угловую жесткость стыка «шпиндельная коробка—гильзы».
. 364
Как показали формы колебаний, стойка 7 станка колеблется
как упругое тело, упруго защемленное относительно угловых пере-
мещений в стыке 6 со станиной (в плоскостях XOZ и YOZ). Это
дало основание классифицировать стойку как стержень. К стержням
был отнесен также полый шпиндель станка, обладающий невысокой
изгибной жесткостью.
На основе полученных сведений была разработана пространствен-
ная расчетная схема станка (рис. 18.5, б). Связи между точками О,
1, 2 и 6; 2, 3 и 4; 4 и 5; 8 и 9; 10, 11 и 12\ 12, 13 и 17 (как между
точками, принадлежащими одному «массиву»), а также между точ-
ками 7, 8 и 10 (как между точками, лежащими в одном поперечном
сечении стержня) приняты жесткими; между точками 6 и 7 стойки,
точками 14, 15, 16, 17 и 18 расположения сосредоточенных масс
шпинделя — упругими; между остальными точками — упругодемп-
фирующими.
Анализ форм колебаний позволил пренебречь податливостью
некоторых стыков, что значительно уменьшило трудоемкость подго-
товительного этапа расчета. Например, было установлено, что по-
датливости стыков «стол—салазки» и «салазки—станина» следует
учитывать лишь в направлении движения подачи и только при фре-
зеровании, когда выключены механизмы зажима этих стыков.
В остальных случаях эти стыки можно считать абсолютно жесткими.
Оказалось возможным полностью пренебречь податливостью соеди-
нения блока направляющих со стойкой, а в стыке «стойка—станина»
учитывать только угловые податливости в плоскостях XOZ и YOZ
(о чем уже говорилось выше). Вместе с тем стык «станина—фундамент»
принят податливым по всем шести возможным перемещениям, что
необходимо, в частности, при анализе вынужденных колебаний си-
стемы станка от возмущений со стороны фундамента.
Эксперименты и расчеты показали, что не всегда стык «шпин-
дель—инструмент» можно считать жестким. Вместе с тем представ-
ляет интерес определение влияния жесткости этого стыка на ха-
рактеристики упругой системы станка в целом. Эти соображения
делают необходимым учет в расчетной схеме податливости стыка
«шпиндель—инструмент». Сам инструмент, если его собственными
деформациями можно пренебречь (жесткая борштанга, фреза), пред-
ставляется массивом. В других случаях необходим учет конструк-
тивных особенностей конкретного инструмента.
Стойка и шпиндель станка, рассматриваемые как стержни,
представлены на расчетной схеме своими заменяющими моделями.
К стойке жестко прикреплен блок направляющих (реальная сосре-
доточенная масса). Поэтому приведение массы стойки целесообразно
осуществлять в точку пересечения вертикальной оси стойки с ли-
нией, параллельной оси Y и проходящей через центр стыка «стойка—
блок направляющих» (точка 7 на рис. 18.5, б). Таким образом,
заменяющая модель стойки представляет собой невесомый упругий
стержень, упруго защемленный в точке 6, с сосредоточенной приве-
денной массой в точке 7 и сосредоточенными приведенными момен-
тами инерции в той же точке (различными для поворотов в пло-
365
скостях XOZ и YOZ). Помимо изгиба, стержень может работать на
кручение вокруг вертикальной оси стойки. Шпиндель станка пред-
ставлен на расчетной схеме в виде невесомой упругой балки с пятью
сосредоточенными массами (точки 14—18) на двух упругодемпфиру-
ющих опорах. Такое представление шпинделя обеспечивает относи-
тельную погрешность при определении собственных частот и форм
колебаний в диапазоне частот от 0 до 500 Гц не более 5 % и вполне
оправдано для такого ответственного узла, несмотря на усложнение
расчета.
Таким образом, расчетная схема упругой системы координатно-
расточного станка содержит 12 сосредоточенных масс, соединенных
упругими и диссипативными связями. Каждая масса в общем случае
может иметь шесть степеней свободы, и ее движение должно описы-
ваться шестью дифференциальными уравнениями второго порядка.
В этом случае значительно удобнее использовать матрично-вектор-
ную форму записи уравнений движения. При этом составление урав-
нений колебаний в трехмерном пространстве практически не отли-
чается от аналогичной процедуры в направлении одной из осей коор-
динат.
Ранее была обоснована допустимость независимого рассмотре-
ния колебаний упругой системы координатно-расточного станка
в плоскостях XOZ и YOZ. Следовательно, система распадается на
две независимые плоские подсистемы.: одна соответствует колеба-
ниям станка но координатам X, <pr, <pz, другая — колебаниям
по Y, Z и <рх. Матрицы, входящие в уравнения, в этом случае будут
иметь размер 3x3 (а не 6x6, как для пространственной системы).
Сами же матричные уравнения имеют одинаковый вид независимо
от того, движение какой из плоских подсистем рассматривают (ме-
няется лишь содержание матриц).
§ 3. СОСТАВЛЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
ДИНАМИКИ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ
При составлении уравнений колебаний упругих систем
станков, рассмотренных выше, используют следующие матрицы.
1. Му — матрица инерционных характеристик в /-й точке:
тх 0 0 0 Sg — Sy
0 mY 0 —Sg 0 Sx
0 0 n?z Sy —Sx 0
М; = 0 ~SZ Sy Jx Фху —Фхх , (18.5)
0 -Sx —Фху Jy ~Фух
_~SY $х 0 —Фхх ФуИ Jz _ i
где m — массы; J — моменты инерции; S и ф — соответственно
статические и центробежные моменты инерции. Здесь и далее под-
366
строчные индексы означают оси, относительно которых берутся
инерционные характеристики; для краткости записи общий
индекс / вынесен за рамки матрицы. Порядок записи строк и столб-
цов матрицы (как и всех приведенных ниже матриц) соответствует
координатам X, Y, Z, <рх, <pr, <pz в правой прямоугольной системе
координат; при решении частных задач следует из матрицы размера
6x6 взять строки и столбцы, соответствующие имеющимся у рас-
сматриваемого элемента / степеням свободы. Следует заметить, что
при совпадении j-й точки с центром тяжести элемента матрица М>
становится диагональной.
2.
С<; : Су
— матрица жесткости упругого элемента е.
Если
СЛ С/7
этим элементом является стык между точками i и /,
то Сц — диагональная матрица размера 6x6, состоящая из коэффи-
циентов Сх, CY, Cz линейной и СФХ, Сфу, Сф/ угловой жесткости
этого стыка, причем С}} — Сц, Су = С7-г — —С/г. Если упругим
элементом является стержень длиной I с конечными точками i и /, то
& =
EF 1 0 0 0 0 0
0 12EJZ I3 0 0 0 6EJZ /2
0 0 12EJY I3 0 &EJy I3 0
Сн = 0 0 0 GJx I 0 0 >
0 0 - 6EJy /2 0 4£Jy I 0
0 GEJz 0 0 0 4£JZ
I3 I il
У EF 1 0 0 0 0 0
0 UEJZ I3 0 0 0 - 6EJZ I3
0 0 12EJY 0 6EJy 0
I3 I3
Су = 0 0 0 GJX I 0 0 f
0 0 6EJY 0 4£Jy 0
I3 /
0 SEJZ I3 0 0 0 4£Jz I il
367
— 1 0 0 0 0 0
0 12£JZ Z3 0 0 0 6EJZ ' /2
0 0 /з 0 6EJy /2 0
0 0 0 GJx I 0 0
0 0 6EJy Z2 0 2EJy I 0
0 6£7Z /2 0 0 0 2EJZ t ii
c/z == cl,; (18.6)
где Е и G — соответственно модули упругости и сдвига материала
стержня; F — площадь поперечного сечения; JY, Jz — моменты
инерции поперечного сечения относительно осей Y и Z; Jх — мо-
мент инерции поперечного сечения стержня на кручение; обозна-
чение Cjj соответствует матрице усилий в t'-й точке элемента е от
единичных перемещений /-й точки того же элемента.
Если /-я точка стыка или стержня жестко заделана, то Се = Сгг.
3. ЕР — матрица демпфирования элемента е, структура которой
аналогична структуре матрицы Се, а элементами являются коэффи-
циенты демпфирования he-vo элемента системы.
4- А/,й — матрица переноса, с помощью которой линейные и
угловые перемещения точки j жесткого элемента приводятся
к точке Л:
10 0 0 Zk — Zj y} — yh
0 1 0 z} — Zk 0 xh — Xj
0 0 1 yk — yj x} — xk 0
— 0 0 0 1 0 0 (18.7)
0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 1
где Xj, yjt г}, xh, yk, zh — координаты точек j и k.
5. Aj, k — транспонированная матрица переноса, с помощью
которой силы и моменты, действующие в точке k, приводятся
к точке у.
6. — вектор обобщенных координат /-го узла упругой системы
станка; ?> = <7, Г Qi> Qj — соответственно векто-
। <рх <₽у <pz |,
ры скоростей и ускорений.
7. Р} — вектор сил и моментов, приложенных к /-й точке:
Р/ — | PxPyPzMx MyMz
368
Значения элементов матриц М>, Сг, Не определяют методами
сопротивления материалов с использованием эмпирических сведе-
ний о контактной податливости и демпфирующей способности сты-
ков, а также результатов предварительного эксперимента о собствен-
ных частотах и жесткости отдельных элементов упругой системы
станка.
Рассмотрим процедуру составления уравнений на примере рас-
четной схемы станка (рис. 18.6). Бабка станка представлена масси-
вом, инерционные параметры которого сосре-
доточены в центре тяжести 2. В точке 3 бабка
имеет упругодемпфирующее соединение со стой-
кой, которая является стержнем с постоянными
по высоте упругими характеристиками и мас-
сой, сосредоточенной в точке 5; связь 4—5 аб-
солютно жесткая. Система' подвергается внеш-
нему силовому воздействию Рх (/) в точке 1.
Движение системы при этом можно опи-
сать как движение совокупности ее узлов.
Примем за узлы точки сосредоточения инер-
ционных параметров системы и составим урав-
нения движения в отклонениях. Тогда вектор
обобщенных координат системы q = (.j, где
/
Рис. 18.6. Расчетная
схема станка
q2 и q5 — шести-
мерные векторы отклонений узлов 2 и 5 от их установившихся
состояний. Перемещения других точек системы (/, 3 и 4) можно
выразить через перемещения узлов 2 и 5 с помощью матриц пере-
носа А21, А23 и А54.
Система содержит упругие элементы двух типов: стык / с кон-
цевыми точками 3 и 4 и стержень II, один конец которого является
узлом 5, а второй заделан. Для выполнения условий неразрывности
перемещений точек элементов системы, принадлежащих одному
узлу, составим блочную матрицу соединений G в виде таблицы.
(по числу узлов системы). Слева указаны концевые точки элементов,
причем для стержня, один конец которого жестко заделан, вторую
точку не указывают. На пересечении столбца матрицы соединений
с номером узла 2 и строки с номером точки 3, жестко связанной
с этим узлом, стоит матрица переноса А23, характеризующая связь
перемещений точек 2 и 3. На пересечении столбца с номером узла 5
и строк с номеррми точек 4 и 5 стоят соответственно матрица пере-
369
носа А54 и единичная матрица Е. Учитывая, что рассматривается
пространственная система и каждый блок матрицы G имеет раз-
мер 6x6, сама она получается размером 18X12. Таким образом,
матрица G осуществляет соединение элементов системы в узлах.
Матричное уравнение упругой системы станка
A?(0 + Bfl(04-Ci(0 = ^ (18-8)
аналогично уравнению (18.1) системы с одной степенью свободы и
представляет собой уравнение равновесия инерционных, демпфи-
рующих, упругих и внешних сил в узлах 2 и 5.
Матрица А — блочно-диагональная размера 12x12:
А =
где М2 и М5 — матрицы инерционных характеристик имеют струк-
туру (18.5) с учетом того, что узел 2 является центром тяжести бабки.
Матрица жесткости системы
С = GTC‘G; (18.9)
здесь С* — блочно-диагональная матрица жесткости элементов:
С* =
Сзз С34 0 Сзз —С зз : °
С1; 0 С<з с 44 0 —С зз Сзз о
0 : С2 0 0 0 0 i С&б
(18.9),
Выполнив вычисления по формуле
размера 12X12:
получим матрицу О
С =
Агз С33 А23 —А® С33 А54
—А54 С33 Агз А54 С33 А54 С55
О
Матрица демпфирования В определяется аналогично: В =
Н1 "
= GTB*G, где В* =
О : Н2 _
Станок подвергается внешнему воздействию (/) только
в точке 1. Так как уравнения движения системы составляют для
узлов, то вектор Рг (t) необходимо перенести в точку 2 с помощью
транспонированной матрицы переноса Ajr Тогда 12-мерный век-
тор D внешних воздействий будет состоять из двух следующих
блоков:
D =
AL Л
О
Подставляя выражения для матриц А, В, Си вектора D в урав-
нение (18.8), получим математическую модель динамики упругой
370
системы станка. Так как матрицы А, В и С полностью определяются
параметрами станка, модель позволяет проводить расчет и параме-
трическую оптимизацию характеристик станка ио показателям
динамического качества.
Ставя задачу определения частотных характеристик упругой
системы станка, зададим вектор внешних воздействий в виде
D = (P + /Q)e/w/,
где (Р + /Q) — вектор комплексных амплитуд воздействий; а —
круговая частота; введение комплексных амплитуд имеет смысл
только в случае разницы в фазах сил, приложенных к разным точ-
кам упругой системы.
Перемещения системы в установившемся режиме, соответствую-
щие ее отклику на внешнее воздействие, будем искать в виде
^=(£+/Й)е^.
Подставляя значения D и q в матричное уравнение (18.8) и про-
изводя несложные преобразования, получим
(- А®2 + /В® + С) (У + jV) = (Р 4- /Q).
После перемножения и разделения действительных и мнимых
частей получим систему линейных алгебраических уравнений, ко-
торая в матричной записи с использованием блочных матриц выгля-
дит следующим образом:
С — Да2 ' —Всо U
В® ; С — А©2
(18.10)
Матрица коэффициентов системы (18.10) алгебраических урав-
нений имеет размер 2пХ2п, т. е. вдвое больший, чем матрицы А,
В и С системы (18.8) дифференциальных уравнений.
Систему уравнений (18.10) решают на ЭВМ для заданной после-
довательности частот ®А = 2лД (/mln < fk < Результатом ре-
шения для каждой частоты является вектор длиной 2п из дей-
ствительных ит (©*) и мнимых vm (©й) составляющих колебаний
точек упругой системы станка по всем обобщенным координатам
(т = 1, ..., п\. Совокупность результатов решения для "всех ©ft
из заданного диапазона частот позволяет построить амплитудно-
фазовые частотные характеристики и расчетные формы колебаний
упругой системы станка.
Существуют программы расчета частотных характеристик упру-
гих систем станков, как линейных колебательных систем, описы-
ваемых обыкновенными дифференциальными уравнениями. После-
довательность значений частот ®ft определяется общим частотным
диапазоном и способом задания дискретных значений частоты (гео-
метрическая или арифметическая прогрессия). Для экономии вре-
мени счета на ЭВМ предусмотрено повторное прохождение макси-
мумов частотных характеристик с более мелким шагом по сравне-
нию с основным.
371
Если оценка показателей динамического качества станка произ-
водится по параметрам точности обработки, то за выход системы
принимают_ изменение относительного положения инструмента и
заготовки А. Для определения величины А необходимо составить
уравнение, связывающее А с перемещениями исполнительных
звеньев станка по обобщенным координатам. Например, для бес-
центрового круглошлифовального станка величина А определяется
следующей формулой приведения:
где Ti, Т3, Т\ — транспонированные векторы коэффициентов при-
ведения перемещений qlt qs и qt по обобщенным координатам эле-
ментов 1, 3 и 4 расчетной схемы (см. рис. 18.4) к точке касания обра-
батываемой детали со шлифовальным кругом по линии их центров.
§ 4. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Показатели динамического качества некоторых станков
определяются в основном параметрами шпиндельных узлов. К та-
ким станкам относятся, например, токарные (особенно при обра-
ботке в патроне), координатно-расточные (при работе жесткой бор-
штангой), внутришлифовальные, расточные и др. Естественно, что
вместо расчета динамических характеристик всего станка в таких
случаях можно ограничиться расчетом характеристик только шпин-
дельного узла.
Расчет характеристик шпинделя можно вести по методике, опи-
санной выше, т. е. рассматривать шпиндель в виде невесомой упру-
гой балки на упругодемпфирующих опорах с некоторым количеством
сосредоточенных масс.
Однако для~многоопорных шпинделей или шпинделей, имеющих
в одной опоре несколько подшипников, при расчете требуется вы-
полнять раскрытие статической неопределимости. Это усложняет
расчет.
Среди численных методов расчета статических и динамических
характеристик шпиндельных узлов станков как линейных упругих
систем получил распространение метод начальных параметров
в матричной формулировке (метод переходных матриц). Рассмотрим
основные положения этого метода расчета.
Шпиндель станка (рис. 18.7) рассматривают как ступенчатую
балку длиной I на упругих опорах с вязким демпфированием, про-
порциональным скорости колебаний. Балку разбивают на N участ-
ков, разграниченных изменением диаметра (геометрического мо-
мента инерции), опорой, сосредоточенной массой, внешней сосредо-
точенной нагрузкой или скачком распределенной нагрузки. Каж-
дый i-й участок имеет постоянные (в пределах участка) распределен-
ную массу rtii и изгибную жесткость EJt.
372
Смонтированные на шпинделе детали (шкивы, зубчатые колеса,
патрон) представляют в виде сосредоточенных грузов, расположен-
ных на границах участков и имеющих массу рг и момент инерции JiX-
При составлении расчетной схемы используют общепринятые ре-
комендации относительно опор шпинделя, представляя их в виде
линейио-упругих опор (при радиальном и угловом смещениях)
с вязким демпфированием.
Расчет динамических характеристик шпиндельного узла сво-
дится к определению амплитуд установившихся колебаний шпин-
деля в нулевом сечении (на переднем конце) от гармонических си-
ловых возмущений со стороны процесса резания, привода и т. п.
Рис. 18.7. Расчетная схема
шпиндельного узла станка
Линейная постановка задачи позволяет использовать принцип
суперпозиции и последовательно определять характеристики узла
при всех указанных выше воздействиях.
Рассмотрим применение метода начальных параметров для рас-
чета динамических характеристик шпинделя, схема которого пока-
зана на рис. 18.7. Шпиндель разбит на три участка. На концах его
расположены сосредоточенные грузы (например, патрон и шкив
ременной передачи). В нулевом сечении шпинделя действуют воз-
мущения со стороны процесса резания — сила Fo (t), в третьем се-
чении — возмущения от привода F3 (f).
Обозначив в i-м сечении амплитуду перемещений через угол
поворота сечения через <рг, изгибающий момент через Mt и попереч-
ную силу через Qt, можно выразить решение дифференциального
уравнения колебаний шпинделя через параметры yi} ф;/, MiP/EJ,
QtP/EJ напряженного и деформированного состояния на его концах
(за EJ = EJ2 принята жесткость межопорной части шпинделя;
I — длина шпинделя). Векторы параметров на свободных концах
шпинделя (в нулевом и третьем сечениях) без учета внешней на-
грузки имеют вид
Уо Уо Уз Уз
Фо/ Фо/ Фз/ Фз/
Го = М012 EJ = 0 ; y3 = EJ = 0
Qol3 EJ 0 0£_ EJ 0
373
Метод позволяет связать параметры в нулевом сечении шпин-
деля через переходные матрицы его сечений и участков с параме-
трами в третьем сечении.
При колебаниях в нулевом сечении действуют сосредоточенная
сила и момент инерционных сил патрона, амплитудные значения
которых соответственно равны цйоА/0 и /ОхФо®2- Матрица сосредото-
ченного груза
Lo = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 —60 1 0 v0 0 0 1 9
где 60 = v0 = ,
L-t J
преобразует параметры ¥0 при переходе через нулевое сечение.
Далее идет первый участок шпинделя с распределенной массой тг
и жесткостью EJr. Зависимость между параметрами на его концах
определяется
пер ex одной матрицей участка: Лх ViBi . MPj А Р1Я1 Р1 ‘ 1 И1 «1 aiXj Ci a1X'jD1 « о л Р? fl, А1 Р1Я1 а,Х)В| XfDi Л
Р? Р? Pi
где «! = EJJEJ; = А| = mlli(i)zfEJl =
а функции Alt Blt Clt Di могут быть представлены в виде степен-
ных рядов.
Над опорой 1 перерезывающая сила изменяется скачком на ве-
личину реакции опоры (учитываются упругая и диссипативная со-
ставляющие реакции). Этот скачок при переходе через опору учи-
тывается умножением вектора параметров на матрицу опоры
10 0 0
0 10 0
Q1= 0 0 10’
(-81-Л) о о 1
где ех = crPIEJ-, — jhi^P/EJ = iklfo> (q и — соответственно
коэффициенты жесткости и демпфирования опоры; / = —1).
Переходя, таким образом, от участка к участку, доходят до ле-
вого конца шпинделя, где параметры выражены вектором ¥3. В ре-
зультате получают матричные уравнения (без учета внешней на-
грузки)
Г3 = ПГ0, (18.11 >
374
где переходная матрица П для схемы, приведенной на рис. 18.7,
равна произведению
П — L3T3Q3T2Q1T1Lo,
где Lo и L3 — матрицы сосредоточенных грузов в нулевом и
третьем сечениях; Т1( Т2 и Т3 — матрицы 1, 2 и 3-го участков шпин-
деля с распределенной массой; Qx и Q2 — матрицы линейно-упругих
опор шпинделя с вязким демпфированием.
С учетом внешней нагрузки в нулевом и третьем сечениях урав-
нение (18.11) примет вид
где
(18.12)
Определение переходной матрицы П сводится к перемножению
нескольких матриц размером 4X4. Обычно на концах шпинделя
два из четырех параметров в матрицах-столбцах ¥0 и У3 равны
нулю, что позволяет существенно рационализировать вычислитель-
ную работу. Покажем это на примерах. При вычислении передаточ-
ной функции Ц70 (/®) системы по воздействию со стороны процесса
резания (при F3 — 0) уравнение (18.12) в развернутом виде запи-
сывают так:
Уз * * *
Фз/ * * $ *
0 = «31 «32 * ^34
0 «41 «42 * ^44
Уо
Фо/
О
F0l3
EJ
Как видим, в матрице П следует из 16 сохранить только шесть
элементов, которые расположены на пересечении строк, совпадаю-
щих с нулевыми строками вектора У3, и столбцов, совпадающих
с не равными нулю строками вектора (Y—ф0) (остальные элементы,
не используемые в расчетах, заменены звездочками). В результате
можно записать два линейных уравнения относительно искомых
параметров у0 и <р0/:
аз1Уо + «згФо/ = aSi
F I3
аау0 + «42ф0/ = аы , (18.13)
где коэффициенты а являются функциями частоты со инерционных,
диссипативных, - упругих и геометрических параметров шпиндель-
*ного узла.
375
Непосредственно из уравнений (18.13) может быть получено вы-
ражениё для частотной передаточной функции системы
(/«>) =°-тг- = -£г а^а,2-~ . (18.14)
Fq EJ tfaiOgs — fl4i^32 '
Аналогично определяют и частотную передаточную функцию
VF3 (/со) системы по воздействию со стороны привода (при Fo == 0).
Опуская промежуточные выкладки, получим
№3 (;W) = . (18.15)
F 3 EJ ^32^41 o.31a42
Вычисление элементов переходных матриц-сомножителей и их
последующее умножение производится на ЭВМ. Так как некоторые
элементы матриц Qx.h Q2 упругодемпфирующих опор являются
комплексными числами, то переходная матрица-произведение П =
= Sx + jS2 также оказывается состоящей из двух матриц St и S2.
Выражение для частотных передаточных функций (/®) или
№3 (/со) приводят к виду
W (/со) =
8} + /Рг ।
Рз+iPt
РЛ + Р^ , ..РзРз-РА
р-2+Р2 -Г/ PZ+p-i
— Re [W (ja)] -f- Jrn [IF (/co)], (18.16)
используя для определения Plt P2, P3 и Pt элементы матриц S,
и S2.
После разделения действительной и мнимой частей выражения
(18.16) получают возможность определения составляющих
Re [W (/со)] и Jm [IF (/со)] амплитудно-фазовой частотной харак-
теристики динамической системы шпиндельного узла.
В Мосстанкиие разработан комплекс программ расчета стати-
ческих и динамических характеристик шпиндельных узлов методом
начальных параметров, который успешно использовался для пара-
метрической оптимизации их конструкций.
г л А В А 19
ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ
§ 1. ЭТАПЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование, как процесс выработки новых научных зна-
ний о свойствах станка, обычно проводят на начальном этапе про-
цесса его проектирования. Оно призвано обеспечить конструктора
недостающей информацией, без которой затруднены поиск и объек-
тивная оценка технических решений.
Различают два уровня исследования — эмпирический, когда
с помощью натурного эксперимента устанавливают новые сведения
об объекте, и теоретический, связанный с построением адекватной
математической модели и анализом свойств изучаемого объекта
в процессе имитационного моделирования на ЭВМ.
376
В настоящее время типичен системный подход к проведению
исследования, который характеризуется представлением изучаемого
объекта в виде системы, состоящей из взаимосвязанных элементов,
взаимодействующих друг с другом и внешней средой и функциони-
рующих в условиях воздействия случайных факторов.
В общем случае основными этапами системного исследования
являются: осознание цели и постановка задач; предварительный
анализ имеющейся информации, условий и методов решения ана-
логичных задач; формулирование исходных гипотез, касающихся
математической модели изучаемого объекта; теоретический анализ
гипотез; разработка методики, планирование и организация экспе-
римента; проведение эксперимента; анализ и обобщение результа-
тов; проверка исходных гипотез и идентификация объекта (опреде-
ление его математической модели) по результатам эксперимента;
математическое моделирование; обобщение результатов исследова-
ния и формулирование выводов.
Рассмотрим более подробно основные этапы исследования. Как
было сказано выше, цель исследования, как правило, бывает свя-
зана с поиском путей повышения эффективности станков. Предполо-
жим, что требуется повысить суммарную жесткость несущей системы
конкретного типа станка. Начиная исследование, прежде всего необ-
ходимо найти возможность количественной оценки этого свойства
станка. Например, можно в качестве критериев оценки жесткости
выбрать величины суммарных упругих относительных деформаций
инструмента и заготовки по координатным осям X, Y и Z под дей-
ствием силы резания. Они образуют вектор критериев и являются
выходами будущей математической модели станка. Выходы должны
обязательно обладать свойством наблюдаемости, т. е. удобно изме-
ряться при проведении эксперимента.
Далее требуется конкретизация действий исследователя для
достижения поставленной цели — постановка задач исследо-
вания. Например, в рассматриваемом примере задачами могут
быть:
на основании априорной информации установить эксперимен-
тально необходимые значения выбранных критериев оценки и отно-
сительную полезность каждого из них (это позволит более рацио-
нально расходовать резервы повышения эффективности станка);
по результатам эксперимента на физической модели станка
построить баланс упругих перемещений и выявить слабые звенья
несущей системы станка (это позволит сконцентрировать усилия на
исследовании только части станка);
на основании априорной информации выявить факторы, влияющие
на жесткость слабых звеньев станка, установить возможность и
пределы их изменения, сформулировать функциональные ограни-
чения на те свойства станка, которые будут изменяться при измене-
нии его жесткости (например, масса станка);
используя баланс упругих перемещений, разработать расчетную
схему и математическую модель слабых звеньев несущей системы
станка; проверить адекватность модели;
377
методами математического моделирования осуществить поиск
вариантов структуры и значений конструктивных параметров станка,
обеспечивающих повышение жесткости его несущей системы;
разработать рекомендации, направленные на повышение жест-
кости несущей системы станков исследованного типа.
Приведенный пример наглядно показывает, в чем состоит кон-
кретизация цели исследования. Формулируя цель и задачи исследо-
вания, не следует забывать о системном подходе к его проведению.
Следует, в частности, помнить о взаимосвязи различных показа-
телей эффективности изучаемого объекта, о том, что улучшение одного
из них может привести к ухудшению других, и поэтому надо ста-
раться рассматривать изучаемый объект как сложную систему, во
всей его полноте.
Уяснив цель исследования и определив выходы будущей мате-
матической модели, необходимо заняться сбором, систематизацией
и обстоятельным анализом имеющейся информации об изучаемом
или аналогичных объектах. Информация должна касаться в первую
очередь структуры изучаемого объекта и класса моделей, описы-
вающей его поведение. Под структурой понимают некоторую форма-
лизованную схему объекта, освобожденную от деталей, которые, по
мнению исследователя, не имеют отношения к целям исследования.
Для таких объектов, как станки, представление о структуре дает
расчетная схема, представляющая собой совокупность взаимосвя-
занных структурных компонентов (инерционных, упругих и тре-
ния), упрощенно отображающих элементы реального станка. Струк-
туру динамических объектов и автоматических систем также наглядно
отражает так называемая структурная схема — чертеж, на котором
прямоугольниками показаны отдельные функциональные блоки
объекта, а стрелками обозначены направления воздействий или пе-
редачи информации с одного блока на другой. Хорошее пред-
ставление о структуре объекта дает ее изображение с помощью
графов.
Станки являются производственными объектами, функциони-
рующими во времени и в пространстве. Аргументом входных и вы-
ходных сигналов динамической системы станка может служить
время, пространственные координаты, а также некоторые специаль-
ные переменные, используемые в преобразованиях Лапласа, Фурье
и др. Математические модели подобных систем относятся к классу
динамических моделей. Некоторыми наиболее важными динамиче-
скими моделями являются обыкновенные дифференциальные и ко-
нечно-разностные уравнения, импульсные и частотные характерис-
тики, передаточные функции, уравнения регрессии. Априорная
информация о структуре изучаемого объекта позволяет сформули-
ровать исходную гипотезу о виде его математической модели, а также
выбрать метод идентификации. Если информация достаточно
обширна, то объекты могут быть разделены по крайней мере на две
группы: объекты, модели которых известны вплоть до приблизи-
тельных значений коэффициентов; объекты, модели которых из-
вестны, а численные значения коэффициентов неизвестны.
378
Для объектов первой группы задача идентификации, строго го-
воря, отсутствует. Методы идентификации объектов второй группы
носят название параметрических, т. е. сводятся к определению па-
раметров известной модели по результатам экспериментов. На
практике также встречаются ситуации, когда априорная информа-
ция об объекте очень мала (например, известно только то, что объект
линеен) или полностью отсутствует (объекты типа «черный ящик»).
Для идентификации таких объектов целесообразно применять пря-
мые методы, основанные на измерении и обработке входных и вы-
ходных сигналов объекта.
Анализируя имеющуюся информацию об изучаемом объекте, пе-
ред началом эксперимента следует решить вопрос и о включении
в математическую модель всех параметров объекта, существенно
влияющих на его выход (такие параметры в дальнейшем будем на-
зывать факторами). Отсутствие в модели хотя бы одного из су-
щественных факторов может сделать невозможным адекватное опи-
сание с ее помощью процессов, происходящих в изучаемом объекте.
•В таких объектах, как станки, число различных параметров, влияю-
щих на выходные показатели, может быть очень велико. Вместе с тем
степень влияния их весьма различна. Обычно в большинстве слож-
ных систем лишь небольшое число параметров оказывает существен-
ное влияние на выход, а остальные являются несущественными. По-
этому перед началом исследования объектов, априорная информа-
ция о которых мала, обычно выдвигают гипотезу о предполагаемом
влиянии на выход тех или иных факторов. Гипотезу проверяют
с помощью каких-либо специальных методов, что позволяет про-
вести выделение существенных факторов и предложить для дальней-
шей идентификации объекта математическую модель, учитывающую
только эти факторы. В противном случае математическая модель
объекта может получиться излишне громоздкой, а затраты на про-
ведение эксперимента неоправданно возрастут.
Обычно на этой стадии приходится решать вопрос о необходи-
мости и объеме дальнейшего экспериментального исследования.
Когда априорная информация об объекте обширна, можно практи-
чески отказаться от эксперимента и пойти по пути построения тео-
ретической модели на основе физических и других законов при-
роды, описывающих процессы, происходящие в объекте. Такой под-
ход был рассмотрен в гл. 18.
Если же необходимость экспериментального исследования не
вызывает сомнений, следует решить некоторые вопросы, связанные
с его проведением. Прежде всего это касается режима проведения
эксперимента. Все эксперименты, проводимые непосредственно на
реальном объекте, могут быть активными или пассивными. При
использовании методов активного эксперимента на вход объекта
всегда подают специальные возмущающие воздействия и наблю-
дают его реакцию на них. Среди активных методов широкое рас-
пространение получили частотные методы, основанные на исследо-
.вании изменения выходного сигнала объекта, вызванного гармони-
ческим воздействием различной частоты. Все большее распростра-
379
некие получают методы, связанные с подачей на вход объекта апе-
риодических (импульсных, ступенчатых) и специальных случайных
воздействий. Возможность подачи на вход объекта сигнала специаль-
ной формы с нужными характеристиками при использовании актив-
ных методов, как правило, облегчает обработку результатов экспе-
римента и потенциально обеспечивает лучшее качество идентифика-
ции. Однако при этом требуется дополнительное специальное обо-
рудование для создания искусственного входного сигнала, а само
исследование объекта происходит также в искусственных условиях.
Последнее иногда приводит к различиям между характеристиками
объекта, снятыми при использовании активных методов, и его работе.
Сущность пассивных методов эксперимента состоит в статисти-
ческой обработке данных, полученных в процессе нормальной
эксплуатации объекта без создания специальных возмущений. Дан-
ные эксперимента в этом случае представляют собой реализации
случайных процессов, происходящих на входе и выходе объекта.
Результаты обрабатывают с использованием спектрально-корре-
ляционных методов теории случайных процессов. Пассивные методы
призваны дать информацию об объекте, находящемся в естествен-
ных условиях, и потенциально являются более объективными.
Однако и они не лишены ряда недостатков. Основным из них является
то, что имеющийся на входе объекта сигнал не всегда обладает теми
характеристиками (например, широким и плотным спектром, доста-
точной амплитудой и др.), которые позволяют исследовать объект
во всем его рабочем диапазоне.
Эта же причина заставляет принимать специальные меры для
устранения влияния на результаты идентификации случайных воз-
мущающих воздействий на объект. Для улучшения спектральных
характеристик входного сигнала при пассивном эксперименте часто
используют различные искусственные приемы, например, резание
на станке специальной заготовки с пазами заданной глубины; воз-
буждение работающего станка импульсным силовым воздействием
с помощью специального вибратора. Приведенные примеры свиде-
тельствуют о появлений комбинированных методов эксперимента,
сочетающих достоинства активного и пассивного подходов.
Принимая решение относительно режима эксперимента и выби-
рая тип входного воздействия (гармоническое, ступенчатое, импульс-
ное и др.), исследователь тем самым выбирает и область определе-
ния характеристик объекта (временная, частотная и др.). На решение
всех этих частных вопросов решающее влияние оказывает поста-
новка задач конкретного исследования и наличие хорошо разрабо-
танных математических методов, которые можно было бы использо-
вать при проведении анализа поведения объекта и которые предпо-
лагают наличие математической модели вполне определенного вида.
Знание априорной математической модели исследуемого объекта
позволяет синтезировать соответствующий план эксперимента и
перейти непосредственно к идентификации объекта на основании
экспериментальных данных. Для решения задачи идентификации
вводится некоторая мера близости объекта и его модели (критерий
380
адекватности). Обозначим выходной сигнал объекта через у (0,
через ум (0— выходной сигнал модели, а их рассогласование —
через е (0. Точность идентификации оценивается некоторой функ-
цией от рассогласования Q (е), обычно называемой функцией по-
терь. Выбирая тот или иной вид функции потерь, можно получить
ряд критериев, применяемых при решении задачи идентификации.
Если нет причины поступать иначе, то Q (в) выбирают равным в2 (0
и приходят к наиболее широко распространенному критерию наи-
т
меньших квадратов Е = | в2 (0 dt. Применение его приводит к наи-
fl
более простым алгоритмам идентификации.
В решении задачи идентификации объектов можно выделить два
основных подхода. Первый из них предусматривает непосредствен-
ное решение интегральных уравнений идентификации. Пусть, на-
пример, выход модели описывается уравнением ум (0 = f (и, Ь),
где и — и (0 — входной сигнал; Ъ — (т + 1)-мерный вектор неиз-
вестных оценок параметров модели. Если мера близости объекта
т
и его модели определяется функционалом Е = j {y(t) —
о
— Ум б)}2 dt, то необходимым условием достижения минимума
ошибки будет dE/dbi = 0 при i = О, 1, ..., ш. Получаем систему
из (m + 1) уравнений с (т -f- 1) неизвестными оценками b0, blt ...,
bm, которую можно решить относительно б. При первом подходе
часто вместо решения системы уравнений используют уравнения,
уже разрешенные относительно Ь.
Второй подход предполагает использование модели-аналога,
реализованной, например, на аналоговой вычислительной машине
с возможностью настройки ее параметров. Один и тот же сигнал
подают на вход исследуемого объекта и модели-аналога. Реакция
объекта сравнивается с выходным сигналом модели, и в соответствии
с выбранным критерием близости Е техническими средствами осу-
ществляется настройка параметров модели-аналога, обеспечиваю-
щая минимум Е.
Все методы компенсации можно разделить на две группы. Первая
из них предполагает априорное знание структуры исследуемого
объекта, что облегчает ее реализацию с помощью аналоговой тех-
ники. Вторая группа предполагает аппроксимацию объекта моде-
лями, реализуемыми в виде некоторой системы функций, чаще всего
ортогональных, по которым производится разложение передаточной
функции системы. Наиболее часто используют для этой цели функ-
ции Лаггера.
Завершает построение модели проверка ее адекватности. Дело
в том,' что при идентификации структура модели может быть выбрана
неудачно (например, для описания нелинейной зависимости выбран
полином первого порядка). Экспериментатор, не принимая на веру
справедливость принятых допущений, должен обязательно прове-
рить качество подбора математической модели. Для этого исполь-
381
L
зуют остаточную сумму квадратов SS0CT, которую можно рассчи-
тывать по соотношению
л?'
SSOCT £ {уи — 0Ц)2,
И=1
где уи — экспериментальное значение выхода объекта в и-й точке;
уи — значение выхода модели в той же точке.
Если математическая модель строилась по N опытным точкам,
содержащим дублирующие измерения (т > 1), то можно показать,
что SS0CT является суммой двух ' величин:
SSoct — 4* SSa,
где SS„a — сумма квадратов отклонений средних эксперименталь-
ных значений выходов у„ от расчетных значений $и; она характе-
ризует неадекватность модели экспериментальным данным; SSa —
сумма квадратов отклонений, связанная с повторением измерений;
она характеризует точность измерений.
Зная величины SS0CT, SS3, SSHB и соответствующие им числа
степеней свободы v0CT = Nm — X, v3 = Nm — N, vHa = N — X
(X — число значимых коэффициентов регрессии), можно рассчи-
тать оценки дисперсий
Saa = SSHa/vea; si = SS9/v,
и проверить по F-критерию Фишера гипотезу об адекватности мо-
дели. Если она по критерию F — slJsl будет признана правдопо-
добной (F < Етабл; vHa; vj, обычно при а = 0,05, то проверяе-
мая модель адекватно описывает экспериментальные результаты,
так как рассчитанные с помощью модели результаты уи будут по
точности не хуже экспериментальных (величину 1 — <х = 0,95
называют доверительной вероятностью).
Если модель объекта будет признана адекватной, она может
быть использована для анализа, проводимого в процессе имитацион-
ного моделирования с использованием вычислительной техники.
Если модель оказалась неадекватной, то это значит, что исходная
гипотеза о ее виде не подтвердилась и структуру модели необходимо
скорректировать (перейти от линейной модели к нелинейной, повы-
сить порядок модели и др.). После этого, естественно, процедура
идентификации должна быть повторена.
Построение математической модели — самая важная и ответ-
ственная часть исследования, однако она не исчерпывает всего со-
держания исследования. Далее начинается анализ, который теперь
часто бывает имитационным моделированием. При этом математи-
ческую модель превращают в машинную программу. Такие модели
можно «проигрывать» на ЭВМ в различных ситуациях, предполагая,
что они ведут себя подобно реальным объектам. Задача анализа
исследуемого объекта сводится к получению некоторой информации
о свойствах объекта в точке, которой соответствует определенная
совокупность значений параметров X объекта, или в окрестностях
этой точки. В первом случае обычно имеют дело с так называемым
382
одновариантным анализом, во втором — с многовариантным ана-
лизом.
Типичными задачами одновариантного анализа являются: ана-
лиз статического состояния; анализ переходного процесса; анализ
частотных характеристик; анализ устойчивости; анализ стационар-
ных режимов колебаний. К типичным задачам многовариантного
анализа относят, например, статистический анализ, когда определяют
вероятность выполнения условий работоспособности объекта вслед-
ствие случайного характера его параметров; анализ чувствитель-
ности, который позволяет определить степень влияния внутренних
н внешних параметров объекта на его выходные показатели; полу-
ченная информация может быть использована при оптимизации
объекта.
Наконец, если удалось формализовать понятия «наилучший»,
«оптимальный» объект, т. е. сформулировать задачу оптимизации,
имитационное моделирование может быть с успехом использовано
для решения задач поисковой оптимизации (см. гл. 11).
§ 2. ВЫДЕЛЕНИЕ СУЩЕСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ
На выходные показатели станка влияют следующие фак-
торы: геометрические размеры, инерционные, диссипативные и
жесткостные параметры упругой системы станка, параметры рабо-
чих процессов и внешних возмущающих воздействий. Начиная
исследование плохо изученной системы, следует в первую очередь
выявить из общего списка факторов наиболее существенные, а осталь-
ные рассматривать как некий шумовой фон.
В настоящее время существуют методы, которые позволяют
выделять существенные факторы с помощью сравнительно неболь-
шого числа экспериментов и при малых затратах времени счета на
ЭВМ. Методы можно разделить на две группы.
Первую группу образуют методы, основанные на объективной
обработке данных, полученных в результате опроса экспертов-спе-
циалистов (или собранных на основе опубликованных результатов
исследований). Вторую образуют экспериментально-статистические
методы — дисперсионный анализ, использование насыщенных пла-
нов факторного эксперимента, метод случайного баланса и др. Ниже
рассмотрены некоторые из этих методов. Алгоритмы и программы
обработки данных в соответствии с этими методами должны вклю-
чаться в состав программного обеспечения систем автоматизации
эксперимента.
Метод экспертных оценок основан на специальной обработке
информации, полученной в результате направленного опроса спе-
циалистов. Одни из методов — метод априорного ранжирования
факторов — состоит в следующем. Предлагают заполнить анкету т
специалистам, в анкету входят k факторов. Каждый /-й специалист
.(/ =1,2,. ..., т) должен приписать каждому фактору соответствую-
щий ранг ai} (i — 1, 2.. k). Ранг может принимать одно из зна-
чений множества чисел {1, 2, ..., £}. Наиболее существенный фак-
383
тор имеет ранг 1, следующий за ним — ранг 2 и т. д.Если специа-
лист не может четко проранжировать I рядом стоящих в ранжиро-
вочном ряду факторов, начиная с /-го, то всем этим факторам при-
писывается один и тот же ранг I + (/ — 1)/2. Так как мнение одного
эксперимента носит субъективный характер, для объективной оценки
информации о факторах необходимо объединить анкеты разных
экспертов в одну сводную анкету. После построения сводной анкеты
т
можно найти суммы рангов У, для каждого /-го фактора,
/=1
среднюю сумму рангов а, отклонения от средней суммы рангов
т k
Ai = У ai} — а, квадраты отклонений А, и их сумму S = У А/.
/=1 -i=i
По полученным данным о суммах рангов отдельных факторов
можно построить среднюю апприорную диаграмму рангов в коорди-
(т \
У i ] только при согласованности мнений всех экспер-
/=1 /
тов. Согласованность мнений оценивается коэффициентом конкор-
дации
W =-----------------------,
l/12m« (k3 — k) — m £ Tj
i=i
й
где Tj == 1/12 У (/у — it), ti—число повторений /-го ранга в /-м
1=1
ряду.
Коэффициент конкордации изменяется от 0 до 1, причем W = О
означает отсутствие какого-либо согласия в мнениях экспертов,
W — 1 — полное согласие.
Для оценки значимости коэффициента конкордации используют
^-распределение с числом степеней свободы (А — 1). Из таблицы
этого распределения для уровня значимости а можно найти таблич-
ное х?абл; затем найти расчетное значение
mk (&+ 1) — У Tji(k— 1)
/=1
Гипотеза о наличии согласия между экспертами не отвергается,
если Хр 2= %табл' Подтверждение гипотезы дает возможность исполь-
зования результатов ранжирования для априорного отсеивания
несущественных факторов.
Если эксперты затрудняются при ранжировании факторов (на-
пример, когда число факторов k велико), то для облегчения их за-
дачи можно предложить каждому из них заполнить таблицу парных
сравнений, когда приходится сопоставлять лишь каждую пару фак-
торов между собой. Таблица представляет собой квадрат размером
kxk. Единица в клетке с номерами строк / и столбцов j таблицы
означает, что эксперт считает фактор / более важным, чем фактор /,
384
соответственно в /-й строке и i-м столбце таблицы при этом записы-
вается ноль. Объединение т отдельных таблиц в одну обобщенную
таблицу с последующим суммированием чисел по клеткам, а затем
по строкам таблицы соответствует сортировке факторов. Строка
обобщенной таблицы с наибольшей суммой чисел соответствует са-
мому существенному фактору и т. д. Такой прием используют в дру-
гой разновидности метода экспертных оценок—методе парных
сравнений. Естественно, что доверять результатам опроса экспертов
можно, как и раньше, лишь после проверки согласованности их
мнений. Обе разновидности метода экспертных оценок находят
широкое применение в практике проведения исследований.
Дисперсионный анализ является одним из наиболее распростра-
ненных методов статистического анализа. Познакомимся с ним на
примере двухфакторного эксперимента. Пусть имеется два фактора А
и В, каждый из которых в эксперименте изменяется на р уровнях
(число уровней варьирования может быть и разным). Результаты
измерений целесообразно представить в виде табл. 19.1. Экспери-
ментально полученное значение выхода объекта, соответствующее
i-му уровню фактора А и /-му уровню фактора В, обозначим че-
рез уц. Если пренебречь эффектом взаимодействия факторов (что
часто можно сделать на практике), то линейная математическая
модель, описывающая результаты наблюдений, будет иметь вид
Уи = Н + ai + bt -f- вц,
где р. — общее среднее значение результатов измерений; а;, bt —
соответственно эффекты влияния /-го уровня фактора А и /-го уровня
19.1. Условия проведения дисперсионного анализа
Уровни i фактора А Уровни / фактора В Средние по стро- кам
1 2 3 4 р
1 Ум У12 4/13 У и У1р У1-
2 Уи Угг Угз У 24 Угр У г-
3 Утл .^32 !/зз У?Л Узр Уз-
4 Уи Ум. У43 Уи Улр Ум-
• •
р У pi У р2 Урз Урр Ур-
Средние по столб- . цам У-i у.г У •? У-t Общее среднее У-
Использование ортогональ-
ных латинских квадратов при
k = 4, р = 4
Уии У1222 У1233 1/1444
Угт 4/2213 4/2342 1/2431
Узш Узы1 Уззи Умгз
Ушв Уизл 4/4321 1/4412
13 П/р В. Э. Пуша
385
фактора 5; ei} — независимые и нормально распределенные погреш-
ности наблюдения.
Используя выборочные характеристики (см. табл. 15.1) у^,
У4 и У„, можно найти оценки параметров модели
р = у.л &i = yi.-y.:, ь} = у^ — у.А i(j)=± 1,2,..., p.
Задачей дисперсионного анализа является проверка гипотезы
О равенстве нулю эффектов ог и bit т. е. гипотезы о несуществен-
ности факторов А и В. Существенность фактора характеризуется
его вкладом в дисперсию выхода изучаемого объекта. Если через SS
обозначить сумму квадратов отклонений результатов изменений
от общего среднего
р р
SS= 2 %(уц- у..)\
<=1 /=1
то разложение SS можно представить в виде основного уравнения
дисперсионного анализа
SS = SS,4 + SSs4-SSe,
р
где SS^ = р У (yt — у у с числом степеней свободы vA — р — 1;
i=l
Р
SSB — р 2 (.У4 — У ,)а с числом степеней свободы vB = р — 1;
/=1
SSe = SS —SS^ — SSB с числом степеней свободы ve = (р — 1) (р — 1).
На основе каждой из сумм квадратов можно получить незави-
симые оценки дисперсий и найти отношения Fa = s&sl и Fb =
= Sb/s?, которые имеют F-распределение Фишера соответственно с
Vj = v4, v2 = ve и v1 = vB, v2 = ve степенями свободы.
Гипотеза о несущественности влияния фактора А на выход
объекта отвергается, если для заданного уровня значимости рассчи-
танное значение FA > Етабл; Етабл находится по таблицам /•'-рас-
пределения при числах степеней свободы Vj = v4 и = ve. В про-
тивном случае (РА < Етабл) фактор А признается несущественным.
Аналогично проверяют несущественность фактора В.
Рассмотренная для двухфакторного дисперсионного анализа
методика обработки результатов измерений легко обобщается при
произвольном числе факторов. Однако объем плана эксперимента
существенно возрастает — при варьировании fe-факторов на р уров-
нях для каждого требуется произвести pk измерений. Для сокра-
щения числа экспериментов используют дробные реплики (части)
полных факторных планов, построенные на основе использования
ортогональных латинских квадратов. Латинским называют квадрат,
состоящий из р строк и р столбцов. Каждая из его клеток содержит
одну из р латинских букв (или цифр), соответствующих уровням
факторов, причем каждая буква (цифра) встречается в каждой строке
и каждом столбце один и только один раз.
Два латинских квадрата называют ортогональными, если каж-
дая упорядоченная пара букв (цифр), полученная в клетках в ре-
зультате наложения одного квадрата на другой, встречается только
386
однажды. Для числа уровней р, в общем, возможно построение не
более (р — 1) попарно ортогональных латинских квадратов (кроме
Р = 6).
Наложив пару ортогональных латинских квадратов 4x4 (т. е.
р = 4) на таблицу измерений двухфакторного дисперсионного ана-
лиза (см. табл. 19.1), получим в клетках таблицы сочетания двух пар
индексов — первая относится к факторам А и В, вторая —к факто-
рам С и D. Эти индексы указывают условия проведения измерений
(уровни факторов) при 1 = 4. Соответственно модель, описыва-
ющая наблюдения, будет иметь вид
Уцтп ~ Н 4~ ®i 4“ 4~ 4“ dn 4“
где ст, d л— соответственно эффекты влияния m-го уровня фактора
С и n-го уровня^ фактора D.
Методика обработки результатов остается прежней; лишь для
определения новых сумм квадратов SSC и SSD используют выбороч-
ные средние по одинаковым индексам третьего и четвертого факто-
ров, обозначаемые через и
В общем случае наложения друг на друга (р — 1) ортогональ-
ных латинских квадратов образуется гиперквадрат рХр. С его
помощью можно провести исследование до (р 4- 1) фактора вклю-
чительно при относительно небольшом числе экспериментов. Для
проведения дисперсионного анализа широко применяют вычисли-
тельную технику.
Использование планов дробного факторного эксперимента для
выделения существенных факторов является, пожалуй, наиболее
эффективным средством. Особенно выгодными оказываются так
называемые насыщенные планы, у которых число опытов лишь на
единицу больше числа оцениваемых факторов. Планы факторного
эксперимента используют для построения эмпирических регрессион-
ных моделей. При отсеивании несущественных факторов может
быть использована, например, линейная модель
i
У = ьо 4- S Kxi,
i=l
где у — значение выхода, предсказанное моделью для заданных
значений факторов х, (i = 1, 2, ..., k); b6, bt—оценки коэффи-
циентов регрессии ро и рг.
После определения оценок коэффициентов регрессии нетрудно
провести их ранжирование по абсолютной величине и исключение
несущественных. Построение планов факторного эксперимента и
методика определения оценок коэффициентов уравнений регрессии
будут рассмотрены ниже.
§ з. идентификация статических объектов
Продолжая рассмотрение основных методов исследования,
остановимся на проблеме идентификации изучаемых объектов, когда
их входные и выходные сигналы не зависят от времени. Такого рода
13*
387
задачи могут встретиться при исследовании различных статических
характеристик станков (например, зависимости суммарной подат-
ливости или какого-либо характерного размера амплитудно-фазовой
частотной характеристики станка от его параметров), а также
при исследовании стационарных динамических режимов их работы
(например, зависимости амплитуды вынужденных колебаний от
условий работы и параметров станка). Математические модели,
которые получают при решении подобных задач, будем называть
статическими. Рассмотрим экспериментально-статистические методы
построения статических моделей. Эти методы обычно используют
в условиях неполного знания механизма явлений, происходящих
в объекте. Сам изучаемый объект в этом случае представляют в виде
кибернетической системы, выход у (выходы) которой зависит от k
независимых контролируемых переменных х2, .... xk и случай-
ных внешних воздействий е, аддитивно наложенных на выход си-
стемы. Задача идентификации объекта состоит в построении модели
Q = <р (х1э х2, ..., xh). Так как вид функции <р обычно бывает не-
известен, то при экспериментально-статистическом исследовании
объекта неизвестную действительную зависимость аппроксимируют
полиномом, коэффициенты которого определяют по данным экспери-
мента. Коэффициенты полинома можно интерпретировать как коэф-
фициенты ряда Тэйлора, т. е. как значения частных производных
искомой функции в точке, в окрестностях которой производится
исследование.
Полиномиальные модели весьма удобны для решения практиче-
ских задач, так как позволяют уточнять описание объекта за счет
повышения порядка полинома (увеличения членов отрезка ряда
Тэйлора). Вместе с тем такие модели ничего не проясняют в меха-
низме явлений, происходящих в объекте; они лишь формально
связывают выход и входы объекта.
Для идентификации изучаемого объекта с помощью полиноми-
альных моделей обычно используют активный эксперимент, т. е.
постановку опытов в определенных точках допустимой области
пространства входных переменных (факторов). Активный экспери-
мент всегда проводят по какому-либо плану. В настоящее время
общепризнана эффективность так называемого факторного (много-
факторного) эксперимента, разработанного Р. Фишером в 1935 г.
для исследования одновременного воздействия на изучаемый объект
нескольких факторов. При варьировании всех факторов сразу
эффект влияния каждого из них оценивается по всей совокупности
опытов, что обычно приводит к уменьшению дисперсии оценки по
сравнению со случаем, когда каждый фактор изучают.в отдельности.
В этом состоит концепция оптимального использования факторного
пространства, повышающая эффективность (в данном случае точность)
эксперимента.
Факторным (рис. 19.1) называют пространство, координаты ко-
торого соответствуют рассматриваемым факторам хг. Для проведе-
ния эксперимента внутри допустимой области факторного простран-
ства выбирают локальную подобласть, в которой строят план.
388
поверхности
Выбор этой подобласти сводится к выбору основного уровня xj0 и
интервалов варьирования kxt каждого фактора х, (i = 1, 2, .... k).
В качестве основного уровня обычно выбирают точку, соответству-
ющую имеющемуся базовому варианту изучаемого объекта (если
факторы — его конструктивные параметры) или наилучшим усло-
виям его функционирования, насколько это известно из априорной
информации.
Интервалы варьирования выбирают на основе априорной инфор-
мации о кривизне поверхности изучаемой функции <р. Чем меньше
кривизна поверхности, тем большими могут быть взяты интервалы
варьирования Дхг. Сведения о кривизне
чить из предварительных однофактор-
ных экспериментов или теоретических
предположений.
Таким образом, для каждого i-ro
фактора оказываются известны основ-
ной уровень xj0 и границы локальной
подобласти X; m)n = хго — Дх/, хг шах =
= х,о + Дхг.
Для обеспечения некоторых полез-
ных свойств планов эксперимента,
упрощения их записи и обработки ре-
зультатов эксперимента обычно пере-
ходят от натуральных переменных хг
к безразмерным х, (нормированным). Нормирование осуществляют
с помощью простой формулы
= • <191)
Xi
Р
Допустимая of пасть 7
Рис. 19 1. Факторное простран-
ство и поверхность отклика
*zo
и*1, ...д
Лопатная
подобласть
В нормированных переменных основному уровню каждого фак-
тора соответствует хг0 = 0, нижнему уровню хгт!п = —1, верхнему
уровню Xi шах = +1 • В новой системе координат хг локальная под-
область, в которой проводят эксперимент, представляет собой ^-мер-
ный куб с центром в начале координат. Если вокруг него описать
fe-мерную сферу, то ее радиус г = j/fe. Следовательно, переходя
от традиционного однофакторного эксперимента к многофакторному,
увеличивают радиус обследуемой сферы просто за счет свойств
многомерного пространства при постоянных интервалах варьиро-
вания. Это также повышает эффективность факторного эксперимента.
Для определения оценок неизвестных коэффициентов полиноми-
ального уравнения регрессии (математической модели)
k k k
О = bo -ф- biXi -ф- bijXiXj -ф- b aXi • • • (19.2)
i=l 1<<<; »=1
обычно используют метод наименьших квадратов.
Пусть имеется некоторая матрица плана эксперимента X, со-
держащая' N строк, соответствующих отдельным опытам в которых
независимые факторы достаточно точно поддерживаются на опре-
389
деленных уровнях xiu. Каждому опыту соответствует эксперимен-
тальное значение выхода объекта уи (и = 1, 2, Результаты
экспериментов во всех N точках образуют вектор Y. Тогда оценки
коэффициентов модели можно найти, минимизируя функционал
n _ _
Е = 2(уи-Уи)I 2=(Г-У)т(У-П (19.3)
и=1
где уи — расчетные значения выхода объекта в точках и, которые
образуют вектор Y; индекс «т» означает транспонирование. _
Из условий минимальности Е получим выражение для оценок В
вектора коэффициентов регрессии:
В = (ХТХ)-! ХТУ. (19.4)
Если план эксперимента обладает свойствами попарной ортого-
/ N \
нальности столбцов 2 = О I, то матрица (ХТХ)-1, называемая
\и=1 /
ковариационной, является диагональной, и все коэффициенты
регрессии определяют независимо друг от друга. Если план обладает
(N \
2 x2iu = АГ I, то все диагональные
и—1 /
элементы ковариационной матрицы равны 1/N. Следовательно,
оценки коэффициентов регрессии определяют по формуле
19.2. План ПФЭ типа 22
Номер оп ыта % X,
1 —1 —1
2 +1 —1
3 —1 -J-1
4 +1 +1
N
= (19.5)
и=1
с дисперсией
s2 \b\ = s2 (19.6)
где s2 {у} — дисперсия ошибки экспе-
римента.
Познакомимся теперь с некоторыми
из планов факторного эксперимента.
План полного факторного эксперимента (ПФЭ) используют для по-
строения линейной или неполной квадратичной модели
k k
О ~ Ьо + 2 bixt 4~ btjXiXj.
i=i l^ici
Чтобы построить линейную модель, достаточно варьировать
каждый фактор в процессе эксперимента на двух уровнях (—1 и +1).
Тогда для реализации всех возможных неповторяющихся комбина-
ций уровней в ПФЭ потребуется N = 2k опытов. Геометрически
экспериментальные точки с координатами +1 и —1 расположатся
в вершинах гиперкуба, симметрично расположенного относительно
точки основного уровня = 0 (i = 1, 2, ..., А). Таким образом,
план ПФЭ обладает еще и третьим свойством — симметричностью
I х(и = 0 1. В табл. 19.2 приведен план ПФЭтипа2s, а в табл. 19.3
\и=1 /
390
19.3. План ПФЭ типа 23 и его матрица
Номер опыта *0 XgXt
1 +1 —1 —1 —1 4-1 4-1 4-1 —1
2 +1 4-1 —1 —1 —1 —1 4-1 4-1
3 4-1 —1 4-1 —1 —1 4-1 —1 4-1
4 4-1 4-1 4-1 —1 4-1 —I —1 —1
5 4-1 —1 —1 4-1 4-1 —1 —1
6 4-1 4-1 —1 4-1 —1 4-1 —1 —1
7 4-1 —1 4-1 4-1 —1 —1 4-1 —1
8 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1
план ПФЭ типа 23. Хорошо виден принцип построения планов ПФЭ
типа 2* — частота смены знаков каждого последующего фактора вдвое
больше, чем предыдущего.
Полный факторный эксперимент позволяет найти оценки Ьо и bt
не только коэффициентов р0 и рг, но и оценки Ьц коэффициентов,
соответствующих эффектам взаимодействия. Для определения
оценки Ьо коэффициентов р0 (расчетного значения выхода в центре
плана) и оценок коэффициентов р0- план эксперимента допол-
няют единичным столбцом, соответствующим «фиктивной перемен-
ной» х0 = 1, и столбцами произведений факторов. Получается
матрица плана ПФЭ (см., например, табл. 19.3 для k = 3).
Недостатком планов ПФЭ является резкий рост числа N опытов
при увеличении числа k факторов. Например, при k ~ 6 ПФЭ со-
держит N — 26 — 64 опыта, по которым оценивают лишь 22 коэф-
фициента неполной квадратичной модели (линейных же эффектов,
включая свободный член модели, всего семь).
Значительно менее избыточны (в смысле N) так называемые дроб-
ные факторные эксперименты (ДФЭ), представляющие собой опре-
деленную часть (реплнку) полного факторного эксперимента. Рас-
смотрим, например, построение планов ДФЭ на базе плана ПФЭ
типа 23, матрица которого приведена в табл. 19.3. Если в этом плане
для трех факторов есть основания считать маловероятным тройное
взаимодействие х1х2х3 (т. е. априори полагать коэффициент регрес-
сии р123 = 0), то можно приравнять это взаимодействие к четвер-
тому фактору х4 и варьировать его при проведении эксперимента сог-
ласно уровням столбца хгх2х3. Получившийся план является 1/2-ре-
пликой ПФЭ или планом ДФЭ типа 24-1.
Если полагать маловероятным также взаимодействие х2х3 (т. е.
считать Ргз ~ 0), то появится возможность, приравняв это взаимо-
действие к пятому фактору х5, варьировать его согласно уровням
столбца х2х3. Такой план будет 1/4-репликой ПФЭ или планом ДФЭ
типа 2Р~*.
Если и остальные взаимодействия (ххх3 и х^) полагать незначи-
мыми и приравнять к новым факторам х6 и х7, то получим 1/16-реп-
•лику ПФЭ или план ДФЭ типа 2’~4. Последний план является насы-
щенным, у него N равно числу оцениваемых коэффициентов линей-
391
ной модели (включая Ьо). Выше было сказано о применении таких
планов для выделения существенных факторов.
Естественно, что уменьшение числа опытов в ДФЭ по сравнению
с ПФЭ связано с тем, что при применении дробных реплик линейные
эффекты смешиваются с эффектами взаимодействий. Это означает,
что если в действительности р123 =/= 0, то коэффициент модели bit
оцененный по плану ДФЭ типа 24-1, будет оценкой суммы (р4 + Рш).
Смешанными оказываются и другие линейные эффекты. Для опреде-
ления системы смешивания надо знать генерирующие соотношения
(ГС) и определяющие контрасты (ОК). Генерирующим соотношением
плана ДФЭ типа 24-1 является соотношение х4 — хгх2х3. Определя-
ющим контрастом называют символическое произведение столбцов
плана, равное +1. Умножим обе части ГС на х4; получим х4 =
= х1х2х3х4 или 1 = хгхгх3х^ —это и есть ОК- Умножив столбец,
соответствующий данному эффекту, на ОК, узнаем, с каким эффек-
том он смешан:
Xi — х\ОК = xfx2x3x4 = х2х3х4 (так как х? = 1))
*2 = Х>ОК = ХгХ2ХзХ4 = Х1Хз*-Ь
Хз = Х3ОК = Х1Х2Х3Х4 = Х1Х2Х4;
Х[Х2 — X|X2OT< = х?х2х3х4 = х3х4;
xix3 ~ х\х3ОК = Х1Х2Х3Х4 = х2х4;
Х2Х3 = Х2Х3ОК = Х(Х2Х3Х4 = Х1Х4.
Это значит, что коэффициенты модели, построенной по плану
ДФЭ типа 24"1, будут оценками
^1 “* Р1 4" р234> ^12 -*" Р12 4" Рз4>
^2 * Р2 4" Р134> Ь13 Р13 4" Рг4>
^3 Рз 4" Р124’, ^23 —* РгЗ 4" Р14-
^4 “Р4 4- Р123’,
Таким образом, применение ДФЭ всегда связано со смешиванием,
т. е. с совместным оцениванием нескольких теоретических коэф-
фициентов р регрессии одним коэффициентом математической мо-
дели. Следовательно, достаточно точная оценка эффекта влияния
фактора возможна лишь при относительной незначимости смеши-
ваемых с ним эффектов.
Дробные факторные эксперименты называют планами ДФЭ
типа где р — число факторов, для которых требуются генери-
рующие соотношения. Планирование ДФЭ предполагает наличие
у исследователя некоторых априорных сведений о влиянии взаимо-
действий факторов на выход модели (хотя бы на уровне допущений).
Рассмотрим теперь процедуру отыскания оценок коэффициентов
уравнения регрессии (19.2) по результатам опытов в N точках плана
ПФЭ или ДФЭ. Это является типичной задачей множественного
392
регрессионного анализа при выполнении следующих предпосылок:
результаты эксперимента уи (« = 1, .... N) являются независимыми,
нормально распределенными случайными величинами; оценки по-
строчных дисперсий s2 {//„} однородны, т. е. не зависят от номера
и строки плана; факторы х, при эксперименте измеряются достаточно
точно.
Обычно при реализации плана эксперимента в каждой его точке
проводят т параллельных опытов и результаты их усредняют:
т
- _ 1 V
Уи — т / । Уи?"
/=1
Параллельные опыты позволяют найти оценки построчных дис-
персий воспроизводимости эксперимента
т
1^1
и проверить предпосылку об их однородности. Для проверки исполь-
зуют критерий Кохрэна (при одинаковом т в каждой строке плана).
Согласно этому критерию вычисляют отношение максимальной
оценки дисперсии к сумме всех оценок дисперсий
п _ max s2 {j/u}
£ s2 {Уи}
и=1
Если для выбранного уровня значимости а (обычно а = 0,05)
эмпирическое G окажется меньше критического значения GHp, най-
денного по таблице критерия Кохрэна для Vj = т — 1 и v2 = N,
то гипотеза об однородности не отвергается. В этом случае можно
вычислить лучшую оценку дисперсии воспроизводимости экспе-
римента
S2 )у} = 4- jj S2
. и=1
с числом степеней свободы v —-N (т — 1). Далее по результатам
эксперимента и матрице планирования находят оценки коэффи-
циентов bn, bt и bjj модели и их дисперсии s2 {&}. Для этого исполь-
зуют формулы (19.5) и (19.6), внеся в них необходимые изменения,
что вызвано наличием параллельных ’опытов в точках плана. С уче-
том изменений указанные формулы принимают вид
N N N
^0 — "дГ ~ Xiuyu, ^ij = Xlu.Xju.yui
и— 1 tl—\
1 iA
' *>2 с числом степеней свободы v = N (tn — 1).
393
После определения оценок коэффициентов регрессии необходимо
проверить их значимость с помощью критерия Стьюдента. Если
эмпирическое значение отношения
t = |b|/s
превышает критическое значение /вр, найденное по таблице крите-
рия Стьюдента для v — N (т — 1) при заданном уровне значи-
мости а (обычно а = 0,05), то соответствующую оценку b коэффи-
циента признают значимой. Проверку проводят для каждого коэф-
фициента регрессии, незначимые оценки отбрасывают без пересчета
остальных.
Завершает обработку результатов эксперимента проверка адек-
ватности модели. Для этого средние значения Уи выхода изучаемого
объекта сравнивают с результатами расчета $и по полученному урав-
нению регрессии в тех же точках факторного пространства. Откло-
нения расчетных значений от эмпирических характеризует диспер-
сия адекватности
N
5»д ~ n__ц У (У а $и)
И=1
с числом степеней свободы тад = N —d, где d — число значимых
оценок коэффициентов регрессии.
Проверку адекватности осуществляют с помощью F-критеряи
Фишера. Если вычисленное значение критерия F = slfl/s2 {у}
меньше критического Евр, найденного по таблице критерия Фишера
для Vj = vas. = N — d и v2 = v = N {т — 1) при заданном уровне
значимости а, то гипотезу об адекватности модели не отвергают.
В противном случае модель признается неадекватной, и приходится,
как правило, переходить к более сложной (например, квадратичной)
форме уравнения регрессии (19.2).
Для построения квадратичных моделей используют планы вто-
рого порядка, в которых каждый фактор варьируется как минимум
на трех уровнях. Наибольшее распространение получили компо-
зиционные планы второго порядка, получаемые из линейных пла-
нов ПФЭ и ДФЭ добавлением новых точек — «звездных» и нулевых
(центральных). «Звездными» называют точки факторного простран-
ства, отстоящие от центра плана на расстояние «звездного плеча»,
нормированное значение которого равно а*. Таким образом, для
каждого фактора устанавливают пять уровней, нормированные зна-
чения которых —а*; —1; 0; 4-1; 4-а*. •
Рассмотрим один из планов второго порядка — ортогональный
центральный композиционный план (ОЦКП). План имеет N =
= (2k—p 4~ 2& 4- 1) точек. Обычно при k < 4 ядро его составляет
ПФЭ, и тогда р = 0. Кроме линейной части (ПФЭ или ДФЭ) план
содержит 2k экспериментов в «звездных» точках и один экспери-
мент в центре.
394
В общем случае вектор-столбцы х0 и х} планов второго порядка
Не ортогональны. Для их ортогонализации вводят преобразование
Квадратичных членов модели
N
(х;)! = й-4-Уй. = х;_ф,
и^1
N
где S xfu = (2А~Р-ф 2а2)—сумма значений уровней столбца х2
В=1
плана второго порядка в общем случае.
Уравнение регрессии после преобразования принимает вид
4 . 4 4
У = Ьо + S biXi -ф 2 bifXiXj+ 2 buffi — ф) =
i=I 1=С«</ Г=1
4 4 4
— bo ~ф S biX{-\- bijXiXj -ф 2 biiXif
i—1 !«</ i=l
4
где &o = — S Ьо-ф.
1=1
Из условия ортогональности преобразованных столбцов плана
N
И ffiu — ф) (Х/а — ф) = О
и=1
можно найти формулу для расчета «звездного плеча»
а* = ]A/W=2-2fe-1.
Ниже приведены значения а* для некоторых k, а в табл. 19.4
дана матрица планирования ОЦКП для k = 3 и ф = 0,73.
k.............................
Ядро плана................
26 4-1....................
N ........................
2 3 4 5
1,0 1,215 1,414 1,547
22 23 2S-1
5 7 9 11
9 15 25 27
Проведение эксперимента и обработка его результатов аналогичны
рассмотренным выше для линейной модели. Оценки коэффициентов
уравнения регрессии определяют по формуле
N
bi = fj Х1иУш
S *?« Я
и=1
для Ьв, bj} и Ьц формулы аналогичны; оценку дисперсии коэффи-
циентов bt — по формуле
s2 {/fy} = s2 |йо} 4~ S Vs2
395
19.4. Ортогональный центральный композиционный план дли к= 3
и его матрица
Номер 1 опыта ХО Xi Xt *3 м «И п «4* »4 & 1 C-lr- & 1 e- 1 fin
1 4-1 —1 —1 —1 +1 +1 4-1 —1 -0,27 r0,27 -0,27
2 + 1 +1 —1 —1 —1 —1 + 1 +1 k0,27 -0,27 r0,27
3 + 1 —1 4-1- —1 —1 4-1 —1 +1 1-0,27 1-0,27 -0,27
4 + 1 + 1 4-1 —1 +1 —1 —1 —1 1-0,27 k0,27 -0,27
5 + 1 —1 — 1 +1 4-1 — 1 —1 +1 1-0,27 1-0,27 -0,27
6 + 1 +1 —1 +1 —1 4-1 —1 —1 1-0,27 1-0,27 -0,27
7 + 1 —1 4-1 +1 —1 — 1 + 1 —1 [-0,27 1-0,27 -0,27
8 + 1 +1 + 1 +1 + 1 + 1 4-1 4-1 1-0,27 -0,27 r0,27
9 + 1 — 1,215 0 0 0 0 0 0 -0,75 -0,73 -0,73
10 + 1 4-1,215 0 0 0 0 0 0 -0,75 -0,73 -0,73
11 + 1 0 — 1,215 0 0 0 0 0 -0,73 +0,75 -0,73
12 + 1 0 + 1,215 0 0 0 0 0 -0,73 4-0,75 -0,73
13 + 1 0 0 —0,215 0 0 0 0 -0,73 -0,73 +0,75
14 + 1 0 0 + 1,215 0 0 0 0 -0,73 -0,73 4-0,75
15 + 1 0 0 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 -0,73
§ 4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Наибольшее распространение при идентификации динамических
систем станков как объекта типа «черный ящик», получили методы
экспериментального определения их частотных характеристик. Речь
идет об определении, в первую очередь, характеристик (Гэ. у. с (/®)
упругой системы по связи с процессом резания. Часто используют
метод определения W.,. у. с (/<о) с помощью возбуждения упругой
системы станка гармонически изменяющейся силой, имитирующей
силу резания.
Методика, разработанная в ЭНИМСе, предусматривает возбужде-
ние станка с помощью бесконтактного электромагнитного вибратора.
Этот вибратор представляет собой электромеханический преобразо-
ватель, входами которого являются напряжение переменного тока,
подаваемое на обмотку возбуждения, и напряжение постоянного
тока, подаваемое на обмотку подмагничивания, а выходом — сила.
Вибратор располагают на станке так, чтобы развиваемая им сила
совпадала с силой резания (рис. 19.2). При определении частотной
характеристики токарного станка оправку 1 вибратора, выполняю-
щую роль якоря, устанавливают в шпинделе. Сердечник 5 выпол-
нен из трансформаторного железа П-образной формы и установлен
под углом 30° к вертикали (что соответствует направлению равно-
действующей радиальных сил резания); этот угол можно изменять.
На сердечнике размещены обмотки подмагничивания 8, возбужде-
ния 7 и измерительная 6 (переменного тока). Корпус 3 крепят вин-
тами в резцедержателе станка. Для регулирования зазора между
якорем и сердечником предусмотрены винты 4.
Наличие обмоток возбуждения и подмагничивания позволяет
создать постоянную и переменную составляющие силы вибратора.
396
Постоянная составляющая создает предварительный натяг в системе
и как бы имитирует резание с постоянной глубиной. Амплитуда
переменной составляющей силы вибратора (имитация изменения
силы резания) оценивается по величине ЭДС, индуцируемой в изме-
рительной обмотке вибратора. Силу можно измерять также тензо-
Рис. 19.2. Электромагнитный бесконтактный вибратор
датчиками 9, наклеенными на корпус 3 вибратора. Датчик 2 относи-
тельных колебаний обычно устанавливают при этом так, чтобы
измерять колебания по нормали к обрабатываемой поверхности.
Упрощенная функциональная схема установки для определе-
ния Wa.y. с (/®) показана на рис. 19.3. Если на вход упругой си-
стемы станка подается синусоидальное воздействие (переменная
Рнс. 19.3. Функциональная схема для
определения АФЧХ станка:
ЗГ — задающий генератор напряжения
переменного тока; АР — авторегулятор;
УМ — усилитель мощности; ИПТ — ис-
точник постоянного тока подмагничива-
ния; ЭМ В — электромагнитный вибратор;
УС — упругая система станка; ИС и
ИП — измерители силы и перемещения;
У1 и У2 — усилители; ФВ — фазочув-
ствительный вольтметр; БУ — блок упра-
вления; ЗУ — записывающее устройство;
JIM — ламповый милливольтметр; КО —
катодный осциллограф
составляющая силы вибратора) Ро sin со/, то установившееся изме-
ренное значение выходного сигнала (относительное перемещение
исполнительных звеньев станка)
q (/) = | Wa. у. с (/со) | Ро sin [со/ + <р (го)],
где <р (со) = arct«
1де TR Re [«’'□.у. с (/«)] •
Частотную характеристику W3, у. с (/со) определяют следующим
образом: одновременно измеряют входной и выходной сигналы и
397
записывают их с помощью многоканального регистрирующего
устройства (осциллографа, магнитографа). Учитывают только пер-
вую гармонику. По записям входного и выходного сигналов опреде-
ляют отношение их амплитуд на частоте <о,: и получают модуль ха-
рактеристики | IF, у. с Фазовый сдвиг ф (<вг) получают,
сравнивая положение максимумов записей Р (f) и q (/). Для опреде-
ления характеристики IF, у.с(/<о) таким методом разработаны раз-
личные полуавтоматические и автоматические установки.
В одной из таких установок сигналы, пропорциональные ампли-
тудам силы и перемещения (вход и выход упругой системы станка),
поступают на фазочувствительный вольтметр, который непосред-
ственно показывает действительную Re (IF, у. е (/«J ] и мнимую
Jm [ Wa,у.с (fot) ] составляющие характеристики, соответствую-
щие частоте «в, = 2л/\.
Минимальное время измерения для одной точки частотной ха-
рактеристики определяется временем переходного процесса в иссле-
дуемой системе (пока колебания в системе не установятся). Учиты-
вая, что для получения частотной характеристики требуется после-
довательно проводить измерения во многих точках, соответствую-
щих частотам Д заданного диапазона, время эксперимента оказы-
вается значительным.
Преимущество метода гармонического возбуждения состоит в том,
что вся энергия сигнала концентрируется на одной частоте, поэтому
отношение полезного сигнала к шуму велико (повышается точность
оценки характеристики). Однако большое время снятия одной ха-
рактеристики заставляет искать иные подходы к проведению экспе-
римента. Одним из таких подходов является применение возбуждаю-
щего воздействия, имеющего вид стационарного случайного про-
цесса с нулевым средним. Стационарным называют случайный про-
цесс, характеристики которого (средние значения и корреляцион-
ные функции) не зависят от момента времени. Представление о та-
ком процессе дает одна выборочная функция, которую при конеч-
ном интервале времени Т называют реализацией (свойство эрго-
дичности стационарных случайных процессов).
В этом случае для определения частотной характеристики ли-
нейной динамической упругой системы станка обычно используют
следующие важные соотношения:
Gq (f) = I lF,y. c(f)|2G₽(Z); (19.7)
Gpq(f) = H7,y.c(f)Gp(f), (19.8)
где GP (f), Gg (/) — соответственно спектральные плотности слу-
чайных процессов Р (t) на входе и q (f) на выходе упругой системы
станка; GPq (f) — взаимная спектральная плотность этих же про-
цессов.
Выражение (19.7) действительное и содержит только амплитуд-
ную частотную характеристику | W3_ у. с (/) | системы; выражение
(19.8) комплексное и содержит АФЧХ IF, у. с (Л системы.
Спектральные и взаимно спектральные плотности являются важ-
ными характеристиками случайных процессов, описывающими рас-
398
Рйс. 19.4. Графики спектральной
плотности:
а — синусоиды; б узкополосного
случайного процесса; « — широкопо-
лосного случайного процесса; г —
белого шума
пределение их энергии по
частотам. На рис. 19.4 при-
ведены графики спектраль-
ной плотности некоторых
функций времени.
Спектральные плотности
обычно определяют с по-
мощью ЭВМ, применяя алгоритм так называемого быстрого преобра-
зования Фурье (БПФ) к реализациям случайных процессов на входе и
выходе системы. Причем если речь идет о стационарных эргодических
случайных процессах, то для оценки частотной характеристики ли-
нейной системы обычно достаточно одной пары реализаций входного
и выходного сигналов. Время записи такой пары составляет не-
сколько секунд. Естественно, продолжительность эксперимента
при этом значительно сокращается по сравнению с методом гармони-
ческого воздействия.
Обычно на практике случайное воздействие выбирают таким
образом, чтобы упростить получение частотной характеристики.
В частности, представляется очень подходящим входным сигналом
так называемый белый шум, несущий мощность на всех частотах
(т. е. его спектральная плотность постоянна на всех частотах).
Однако практическая реализация такого сигнала в чистом виде
затруднительна. Поэтому для возбуждения упругой системы станка
обычно используют различные псевдослучайные сигналы, генери-
руемые аппаратно или с помощью ЭВМ. Спектральная плотность та-
ких сигналов равномерна в ограниченной полосе частот.
Частотную характеристику станка можно сравнительно просто
получить, используя апериодическое силовое воздействие на его
упругую систему. Таким воздействием может быть импульсный или
ступенчатый сигнал. Для создания таких сигналов на входе упру-
гой системы станка можно использовать динамометрический моло-
ток или специальное устройство, называемое пульсатором. Роль
пульсатора может выполнять, например, бесконтактный электро-
динамический вибратор, на обмотку возбуждения которого через
цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности подают
импульсный сигнал, генерированный ЭВМ.
Преимущество использования стандартных апериодических сиг-
налов для получения частотной характеристики станка связано
с более простой процедурой ее вычисления в этом случае. Применяя
преобразование Фурье F к конечному входному Р (t) и соответству-
ющему ему выходному q (О сигналам, частотную характеристику
можно определить так:
0 = F \q (t)}/F {Р (0).
398
Учитывая, что преобразование Фурье импульса силы Р (I) равно
единице, получим частотную характеристику W (/) как преобразова-
ние Фурье реакции q (/) исследуемой системы на импульс (импульс-
ной переходной функции). Следовательно, записывать и обрабаты-
вать приходится в этом случае лишь один выходной сигнал системы,
что значительно сокращает вычисления.
Достоинством импульсного возбуждения является постоянство
спектра идеального импульса в бесконечно широком частотном диа-
пазоне, что позволяет возбудить в исследуемой системе не только
первую, но и высшие формы колебаний.
Реальные импульсы (удары)
импульсов и скачков
тем, что
т О X
“ 2. Z
Рнс. 19.5. Спектры реальных импульс-
ных воздействий
и скачки отличаются от идеальных •
происходят за конечный интервал
времени т, называемый посто-
янной времени. Это приводит ;
к тому, что их спектры не явля- |
ются столь же благоприятными 1
в достаточно широком диапазоне i
частот. На рис. 19.5 представ- 1
лены спектры для некоторых j
реальных апериодических воздей- 1
ствий; при этом составляющие ]
G (/) спектральной плотности .
отнесены к составляющим Go (/) j
спектральной плотности идеаль- j
ного скачка или удара. Для j
сигнала «половина синусной волны», например, несовпадение спек- |
тров не превышает 10 % при / < 0,3/т. Следовательно, действие 1
такого сигнала с т = 1 мс на систему можно приближенно рас- |
сматривать как действие идеального импульса равной площади 1
до частоты не выше 0,3/т — 300 Гц.
Рассматривая различные методы экспериментального определе- з
ния частотных характеристик станка, следует отметить, что жела- ।
тельно снимать их на работающем станке. Различие характеристик, i
снятых на работающем и неработающем станках, объясняется влия- .1
нием подвижных соединений и проявляется, главным образом не ]
в значениях частот собственных колебаний, а в значениях амплитуд |
и фаз на этих частотах. Использование вибратора часто.затрудняет 1
включение движения подачи, в результате чего характеристика I
станка получается не такой, как при его работе. Кроме того, 1
использование вибраторов затруднительно при исследовании тя- I
желых станков, где требуются значительные сигналы возбуж- 1
дения. I
Все это приводит к необходимости определения частотных ха- I
рактеристик и форм колебаний в процессе работы станка. В реаль- 1
ных условиях, т. е. при резании, станок находится под воздействием 1
большого числа источников возмущений различной интенсивности I
с широким частотным спектром. Суммарное воздействие на упругую 1
систему станка этих источников может быть отнесено к разряду I
случайных возмущений. Колебания узлов станка, вызванные этими I
400 1
возмущениями, можно отнести к категории стационарных случай-
ных процессов. Для исследования таких процессов можно исполь-
зовать спектрально-корреляционные методы теории стационарных
случайных процессов.
Таким образом, располагая одновременными реализациями вход-
ного и выходного сигналов достаточной интенсивности, можно
определить частотную характеристику станка в процессе его нор-
мального функционирования. Однако, используя для определения
характеристики формулы (19.7) и (19.8), следует помнить о том,
что они соответствуют случаю системы с одним входом и одним вы-
ходом (т. е. полному отсутствию помех).
В действительности, замкнутая динамическая система станка,
помимо входа, связанного с изменением настройки yt (t) (колебания
припуска, твердости заготовки и т. п.), подвержена внешним сило-
вым воздействиям и (t) на упругую систему, т. е. имеет другие входы.
Причем точки приложения и параметры внешних силовых воздей-
ствий неизвестны, и определить их в большинстве случаев невоз-
можно. В этом случае использование формул (19.7) и (19.8) для опре-
деления оценки Ц7Э. у. с (/) дает погрешность смещения, величина
которой зависит от свойств замкнутой динамической системы станка
и соотношения между мощностью колебаний вспомогательного хода
и мощностью колебаний сил резания. Чем меньше это соотношение,
тем меньше погрешность смещения (случаи фрезерования, протяги-
вания). При обработке, например, токарной, когда флуктуации
сил резания незначительны, погрешность смещения может ока-
заться слишком большой, особенно на частотах интенсивных воз-
мущений и собственных частотах системы станка.
Чтобы повысить точность определения Ц7Э. у. с (/), следует либо
выбрать соответствующий режим резания (ширина среза равна
0,7—0,9 от предельной по устойчивости), либо искусственно увели-
чить мощность колебаний сил резания (например, за счет обработки
специальной детали с пазами или за счет дополнительного возбуж-
дения системы пульсатором и т. п.).
Поскольку при определении частотных характеристик станка
спектральными методами приходится решать некоторые вспомога-
тельные задачи (исключение тренда, фильтрация реализаций и др.),
целесообразно автоматизировать обработку результатов экспери-
мента. Такой комплекс программ, разработанный в ЭНИМСе, позво-
ляет осуществлять ввод исходных данных, их предварительную обра-
ботку, расчет различных статистических характеристик (включая
частотные) и выводить на печать результаты расчета и графики.
Рассмотренные выше методы идентификации динамических
объектов, естественно, не исчерпывают разнообразных подходов к по-
строению их математических моделей, но дают достаточное представ-
ление об этом наиболее трудоемком и ответственном этапе в реше-
нии общей задачи анализа поведения объектов методами математи-
ческого моделирования. Рассмотрим далее некоторые вопросы, свя-
занные с проведением испытаний станков.
401
§ 5. ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
Если исследования станка (точнее, его прототипа) прово-
дят, как правило, до начала конструирования, то испытания завер-
шают процесс его изготовления. В настоящее время основными ви-
дами испытаний в СССР являются приемочные испытания опытных
образцов новых моделей станков и приемосдаточные испытания се-
рийно выпускаемых станков.
Первый вид испытаний предназначен для решения вопроса о це-
лесообразности постановки на производство данной модели станка
или передачи ее в эксплуатацию. Эти испытания обычно проводят
в лабораторных условиях, а материалы испытаний предъявляют
государственной приемочной комиссии.
Приемосдаточные испытания проводят контролеры ОТК завода
в цеховых условиях с целью проверки работоспособности готового
серийного станка и соответствия его заранее установленным техни-
ческим условиям.
В соответствии с существующими типовыми методиками испыта-
ний металлорежущих станков каждый вид испытаний включает три
группы проверок: в статическом состоянии; на холостом ходу; при
работе. Объем и содержание проверок могут сильно различаться
в зависимости от вида испытаний. Более полными н сложными яв-
ляются проверки, которым подвергают станок в ходе приемных
испытаний. В несколько упрощенном и сокращенном виде эти же
проверки составляют содержание приемосдаточных испытаний се-
рийных станков. С порядком проведения ‘испытаний позна-
комимся на примере приемных испытаний опытных образцов
станков.
Перед проведением испытании станок устанавливают на спе-
циальном фундаменте. Клиновыми башмаками, располагаемыми
так же, как при эксплуатации, станок выверяют по уровню в про-
дольном и поперечном направлениях в соответствии с требованиями
ГОСТ 8—82Е. Фундаментные болты не затягивают. В зависимости
от класса точности станка используют разные уровни с ценой деле-
ния 0,04 мм/м для станков классов точности Н и П; 0,02 нм/м —
для станков классов точности В, А и С.
После этого приступают к проверкам станка в статическом со-
стоянии. Вначале проверяют соответствие нормам точности, —это
одна из важнейших проверок. Проектирование станков в значитель-
ной степени подчиняется критерию точности. Для того чтобы про-
верить точность работы станка, надо знать характер и степень влия-
ния отдельных факторов, вызывающих погрешности обработки.
Пока практически не существует таких норм точности работы станка,
которые определяли бы ее однозначно. Это объясняется большим ко-
личеством факторов, влияющих на точность работы станка. Основ-
ными из них являются следующие: геометрическая, в том числе ки-
нематическая, точность станка, включая погрешности технологи-
ческой базы заготовки; температурные деформации станка; упругие
деформации станка под нагрузкой; устойчивость системы станка при
402
перемещениях узлов и обработке; вынужденные колебания; размер-
ный износ инструмента.
Все эти факторы, за исключением геометрической точности станка,
являются переменными и отчасти управляемыми; влияние их на
точность детали можно почти устранить, снижая или меняя режим
обработки и пр., так что в конечном итоге достижимая точность
будет определяться геометрической точностью станка. Последняя
характеризует качество изготовления и сборки станка и, хотя не
может количественно характеризовать точность детали, обработан-
ной на этом станке, является одной из важных характеристик воз-
можностей станка.
Точность нормируется ГОСТами «Нормы точности», построен-
ными на предположении, что геометрические погрешности данного
станка являются систематическими, которые полностью переносятся
на обрабатываемую деталь. Это позволяет не проводить анализ ре-
зультирующей погрешности на детали в целях выявления влияния
только геометрических погрешностей станка, что очень трудно, а
заменить проверку детали соответствующей геометрической про-
веркой станка. Путем сбора на большом числе станков статистиче-
ского материала о их геометрических погрешностях были состав-
лены действующие ГОСТы на нормы точности. В них для каждого
типа станков приведено определенное число инструментальных про-
верок геометрической точности, проводимых обычно в статическом
состоянии я при перемещениях отдельных частей станка, осуще-
ствляемых вручную или на самых малых скоростях.
При проведении испытаний большое значение имеют условия,
ври которых проводят измерения. Проверку нужно проводить при
температуре 20 °C; колебания температуры не должны превышать
±0,5 °C для станков класса точности С, ±1 °C для станков классов
А и В и ±2 °C для менее точных станков. Станок на точность про-
веряют после его обкатки. Объем испытаний определяется соответ-
ствующими нормами точности, предусмотренными ГОСТом. В каче-
стве типовых обычно указывают проверки точности геометрических
форм базирующих поверхностей (прямолинейность, плоскостность,
овальность, конусность и т. п.), взаимного расположения этих по-
верхностей (параллельность, перпендикулярность, соосность), формы
траектории движения исполнительных звеньев станка, взаимосвя-
занных движений (кинематической точности), координатных пере-
мещений (линейных и угловых). Все проверки проводят без внеш-
ней нагрузки. В ГОСТ 22267—76 приведены схемы и способы из-
мерения геометрической точности. Однако допускается замена ука-
занных способов другими, обеспечивающими не меньшую точность
измерений.
Другой, не менее важной и обязательной является проверка ста-
тической жесткости станка. Жесткость — один из основных крите-
риев работоспособности станка, определяющих точность станка под
нагрузкой в установившемся режиме работы.
Чтобы результаты проверки на жесткость были достаточно досто-
верны и объективны, необходимо при испытаниях по возможности
403
приблизиться к наиболее типичным реальным случаям обработки,
сохраняя для простоты испытаний статическое нагружение станка.
Направление и координаты точки приложения нагружающей силы
должны соответствовать направлению и точке приложения силы ре-
зания при типичном случае обработки. Нагружающая сила должна
быть достаточной для того, чтобы вызвать перемещения, которые
можно точно зафиксировать с помощью обычного индикатора с ценой
деления 0,01 мм, но она не должна превышать допустимой для испы-
туемого станка нагрузки. Рекомендуется определенное типичное рас-
положение перемещаемых узлов на станке. Для того чтобы можно
было судить о качестве регулирования стыков, должно быть соблю-
дено требование о первичности нагружения (о нагружении сразу же
после установки узлов станка в заданные положения).
Для проведения испытаний на жесткость используют специальные
приборы. Основными частями каждого такого прибора являются
нагрузочное устройство (домкрат и предварительно отградуирован-
ный динамометр с индикатором нагрузки) и индикаторы перемещений.
При проверке обычно измеряют суммарную податливость станка,
характеризуемую относительным смещением его узлов, несущих
инструмент и обрабатываемую заготовку, при заданной нагружаю-
щей силе. Нормируют наибольшее допустимое перемещение (т. е.
нижнюю границу жесткости).
Знание только суммарной податливости не всегда достаточно.
Поэтому при испытании опытного образца станка может быть со-
ставлен баланс упругих перемещений. Для этого при статическом
нагружении измеряют, а затем пересчитывают к точке приложения
силы перемещения элементов упругой системы станка. Баланс упру-
гих перемещений позволяет оценить долю отдельных элементов или
узлов станка в суммарном относительном смещении его испытатель-
ных звеньев, отыскать слабые (по жесткости) элементы, оценить ка-
чество их изготовления и сборки.
В значительной степени жесткость станка может зависеть от ре-
гулировки подшипников шпинделя, поэтому предусмотрена проверка
зазоров — натягов этих подшипников. Проверку проводят как в хо-
лодном, так и в разогретом до установившейся температуры состоя-
нии подшипников. В процессе проверки, например, радиального за-
зора — натяга переднего подшипника измеряют перемещение шпин-
деля (относительно корпуса шпиндельной бабки) при нагружении
его силой, действующей в направлении, перпендикулярном к оси
шпинделя. Нагружение осуществляется ступенчато до состояния, при
котором достигается линейная зависимость между силой и перемеще-
нием. Отрезок, отсекаемый на оси ординат касательной к линейной
части графика 6 = f (Р), может оказаться выше или ниже начала
координат (рис. 19.6). В первом случае он характеризует радиальный'
зазор, во втором — натяг проверяемого подшипника. Аналогично
проверяют величину осевого зазора — натяга подшипников.
Проверкам, рассмотренным выше, подвергают все станки, в том
числе и серийные. Для опытных образцов станков на этом этапе до-
полнительно проверяют работоспособность электрооборудования (в
404
основном, прочность и сопротивление изоляции силовых цепей), а
для опытных образцов соответствие органов ручного управления тре-
бованиям эргономики (ГОСТ 21752—76).
Вторую группу проверок (самую большую) составляют проверки
станка на холостом ходу. Испытания на холостом ходу начинают
с включения станка и проверок правильности функционирования ос-
новных его механизмов и систем. Проверяют электрооборудование
(работу путевых выключателей, защитных блокировок, нулевой,
тепловой и максимальной защиты, нагрев катушек аппаратов, ре-
зисторов и пр.), работу систем смазывания и охлаждения, системы
управления скоростями движения ра-
бочих органов станка, правильность
функционирования главного привода
и механизмов привода подачи. Главный
Рис. 19.6. Определение зазоров и натя-
гов подшипников
Рис. 19.7. Определение
линейных н угловых пе-
ремещений шпинделя
привод проверяют на всех частотах вращения, а также в режи-
мах частых пусков, остановов и реверсирования. На максималь-
ной частоте вращения шпинделя станок должен проработать до
момента стабилизации температуры шпиндельных подшипников,
обмоток электромагнитных муфт и электродвигателя, но не менее
30 мин. При этом температура поверхности шпиндельной бабки
в области переднего и заднего подшипников шпинделя не должна
превышать заранее установленных допустимых значений.
Теплообразование и связанные с ним температурные деформации
являются одним из факторов, обусловливающих погрешности меха-
нической обработки — отклонения размеров и искажения геометри-
ческой формы обрабатываемых деталей. В наибольшей степени на
точность обработки влияет изменение положения оси шпинделя от-
носительно суппорта (или стола) вследствие температурных деформа-
ций. Поэтому для опытных образцов станков наряду с проверкой
нагрева подшипников шпинделя, по ГОСТ 7599—82 предусмотрена
проверка их температурной стабильности.
При испытании, например, координатно-расточного станка про-
верку осуществляют следующим образом-. На столе станка перпенди-
кулярно к оси шпинделя устанавливают контрольный диск с точными
цилиндрической и торцовой поверхностями. На оправку, укреплен-
ную в шпинделе станка, надевают быстросъемную державку с двумя
микронными индикаторами (рис. 19.7). При ручном повороте шпин-
деля первый индикатор измеряет отклонение от перпендикулярности
405
оси шпинделя к плоскости диска (стола) на диаметре D, второй —
отклонение от соосности осей шпинделя и стола. Определив откло-
нения в двух диаметрально противоположных точках диска на хо-
лодном (у1хоп и угхоя) и нагретом до установившейся температуры
(уг нагР и р2нагр) станке, можно найти нормируемые линейное Ат. я
и угловое Ат. у температурные смещения осей шпинделя и стола
в плоскости YOZ:
Ат. л — [ (У1 на гр Уч хол) {У% натр Уъ хол)1/2,
Ат. у — [(Р1 нагр Уч хол) (Ргпагр У2 xon)]/1000D,
где z/j нагр> Уч хол> Уг нагр, У% хол отклонения, мкм; D диаметр
контрольного диска, мм.
Аналогично определяют температурные деформации в плоскости
XOZ.
Одним из критериев качества изготовления и сборки станка яв-
ляется шум, возникающий при его работе. Для обеспечения нормаль-
ных условий работы людей в производственных помещениях шум
каждого станка регламентирован. Цель проверки шумовых характе-
ристик — установить, не превышает ли уровень шума станка допу-
стимого значения. Допустимые значения устанавливаются в зависи-
мости от чувствительности человеческого уха к шумам в различных
частотных диапазонах (до 90 дБ — для частот менее 350 Гц, до 75 дБ —
для частот выше 4 кГц). Для оценки шума используют шумомеры,
реагирующие на звук подобно человеческому уху. В состав шумо-
мера входят микрофон, усилители, корректирующие контуры (А, В
и С), набор полосовых фильтров и стрелочный измерительный
прибор.
Шум измеряют обычно при наибольшей частоте вращения шпин-
деля. Три переключаемых корректирующих контура могут изменять
частотную характеристику шумомера в зависимости от уровня шума,
что позволяет более объективно оценить шум проверяемого станка.
Для опытных образцов проводят частотный анализ шума с помощью
включения полосовых фильтров, позволяющих определить уровень
шума в узких полосах частот. Для точного анализа используют ок-
тавные (отношение средних частот соседних полос 1 : 2) и третьок-
тавные (отношение 1 : 1,26) фильтры. Результаты анализа представ-
ляют в виде спектра шума, показывающего уровни шума на разных
частотах исследуемого диапазона.
Ярким показателем качества изготовления и сборки станка яв-
ляется уровень его колебаний на холостом ходу. Наибольший ин-
терес представляют измерения относительных колебаний инстру-
мента и заготовки, как непосредственно влияющих на точность об-
работки. При испытании опытных образцов станков относительные
колебания измеряют во всем диапазоне частот вращения шпинделя.
В конусное отверстие шпинделя устанавливают регулируемую оп-
равку с биением измерительной шейки менее 3 мкм.
Датчиком (емкостным или индуктивным), установленным на суп-
порте станка, измеряют относительные колебания и подвергают их
406
частотному анализу в диапазоне частот до 1 кГц. Частотный спектр
колебаний холостого хода определяется в основном наиболее мощ-
ными возбудителями колебаний (неуравновешенные вращающиеся
детали привода главного движения станка, погрешности зубчатых
и ременных передач, муфт, подшипников качения и др.) и собствен-
ными колебаниями элементов упругой системы станка. Колебания
холостого хода нормируют по частотным диапазонам: нормы на со-
ставляющие спектра, частоты которых лежат ближе к частоте потен-
циально неустойчивой формы колебаний станка (частота возможных
в системе автоколебаний), должны быть более жесткими, чем для
других частотных диапазонов.
Для серийных станков эту проверку проводят на частоте враще-
ния шпинделя, соответствующей чистовой обработке.
В программу испытаний опытных образцов станка включены также
энергетические испытания — проверка мощности, потребляемой глав-
ным приводом и приводом подач при работе станка на холостом ходу.
Эти показатели характеризуют потери на трение в приводе, которые
зависят от конструкции привода, а также правильности сборки и ре-
гулирования основных его элементов (натяжение ремня, предвари-
тельный натяг подшипников и др.), работы системы смазывания, про-
должительности обкатки станка.
Проверка мощности Ne <х. Х), потребляемой главным приводом на
холостом ходу, проводится после разогрева станка, при условии,
что значение мощности остается неизменным по крайней мере в те-
чение 10—15 мин. Испытания проводят на минимальных, средних
и максимальных частотах вращения шпинделя с помощью комплекта
приборов для измерения мощности, подключаемых к входным клем-
мам электродвигателя. По результатам измерений мощности NC(x.x)
строят графики Nc(x. х) = f (п), на которые наносят кривые или се-
мейства кривых, полученные при испытании.
Для станков с ЧПУ, по сравнению с обычными станками, преду-
смотрены дополнительные проверки.
Проверка точности позиционирования подвижных исполнитель-
ных узлов станка (столов, суппортов, салазок, стоек) является одной
из основных проверок его точности. Точность позиционирования ха-
рактеризуют следующие статистические показатели: .
а) накопленная погрешность А позиционирования, равная ал-
гебраической разности наибольшего б1Иах и наименьшего 6mln (на
аттестуемой длине /) среднеарифметических значений погрешностей
позиционирования (отклонений фактического положения узла от
заданного программой):
п
А — ^max ^mlni ~
i=l
где bri — погрешность позиционирования в /-й контрольной точке
(/ = 1, ..., т) при i-м испытании (г = 1, ..., п);при проверке опыт-
ных образцов станков п = 10, серийных п = 5; — среднеарифме-
тическое значение погрешности в /-й точке;
407
б) среднее квадратическое отклонение S/ погрешности позицио-
нирования в /-й контрольной точке при многократных подходах
подвижного узла к запрограммированному положению (п = 5ч-10):
Sj =
где Rj = (6; max — 6ym!n) — размах варьирования погрешностей по-
зиционирования в j-й точке при повторных испытаниях (подходах);
dn — коэффициент, зависящий от значения п; при п = 5 dn — 2,326,
при п = 10 dn = 3,078.
Первый из показателей характеризует систематическую погреш-
ность позиционирования на аттестуемой длине I перемещения, вто-
рой — случайную погрешность, которая в данном случае является
функцией положения позиционируемого узла.
Статистические показатели определяют на основании результа-
тов измерений погрешностей 6;-; позиционирования в т контрольных
точках на аттестуемой длине I перемещения узла. Число точек, в
которых выполняют измерения, обычно равно 10—20. Проверку
осуществляют на скорости быстрого перемещения с запрограммиро-
ванными остановками в контрольных точках. Измерения проводят
с помощью штриховой меры, установленной на перемещающемся
узле, и микроскопа, закрепленного на специальной оправке в шпин-
деле станка. Для измерения погрешностей позиционирования можно
использовать лазерный интерферометр с цифровым выходом.
Среднеарифметическая погрешность б,- на длине I (при / = 1, ...,
т) может иметь явно выраженный периодический характер с шагом,
например, равным шагу ходового винта станка. Другими источниками
(кроме ходового винта) этой циклической погрешности могут быть
шаговый двигатель, зубчатые передачи в приводе подачи, не охва-
ченные датчиками обратной связи. Периодическое отклонение при
позиционировании проверяют теми же средствами на длине рав-
ной двум шагам этой погрешности с интервалами в 0,1 шага.
Периодическое отклонение представляет собой составляющую
систематической погрешности позиционирования, текущее значение
которой повторяется через одинаковые интервалы (шаг). Периоди-
ческое отклонение характеризует размах В, равный алгебраической
разности наибольшей бтах и наименьшей бт1п среднеарифметических
ошибок позиционирования на длине т. е.
В = бщах 6ra[U.
Средние значения погрешностей позиционирования 6,- в /- й точке
могут оказаться разными при подходе подвижного узла в эту точку
с двух противоположных направлений — справа (6JCBp) и слева
(б; сл)- Разность =| буспр — бусл | определяет зону нечувствитель-
ности при позиционировании. При испытании станка с ЧПУ значе-
ние щ определяют в трех контрольных точках, расположенных
на длине, равной 1/5,' 1/2 и 4/5 длины рабочего перемещения узла.
Из трех полученных значений й,- определяют наибольшее йП1ах, ко-
торое характеризует зону нечувствительности проверяемого станка.
408 .
0 X
Рис. 19.8. Отклонение фактиче-
ских траекторий перемещения
стола от эталона
Для станков с контурными системами ЧПУ предусмотрена про-
верка отработки прямолинейной траектории под углом к осям коор-
динат. Проверку выполняют для трех углов а = 5; 26,5; 45°. В ка-
честве базовой плоскости используют рабочую поверхность синусной
линейки, закрепленной на столе станка. Измерения проводят с по-
мощью какого-либо датчика относительных перемещений, установ-
ленного на шпинделе станка. При перемещении стола с линейкой
из точки 1 в точку 2 под углом а к оси X (рис. 19.8) и обратно откло-
нение фактической траектории от базовой плоскости линейки непре-
рывно фиксируется датчиком перемещений и записывается. Повторе-
ние испытания несколько раз позволяет найти среднеарифметические
значения f} отклонений фактиче-
ской траектории от идеальной.
Алгебраическая разность Af —
= /max — /mln ЯВЛЯеТСЯ ОцеНКОЙ
проверяемого показателя станка.
Следующая проверка связана
с контролем отработки системой при-
вода подач станка единичных им-
пульсов программы. Проверяемому
узлу сообщают движение единич-
ными импульсами сначала в прямом,
а потом в обратном направлении.
Число импульсов не менее 20. С помощью многооборотного стре-
лочного индикатора или какого-либо другого датчика перемещения
фиксируют отклонения фактического перемещения узла от номи-
нального значения импульса (дискреты). Наибольшая величина этого
отклонения является оценкой точности отработки системой единич-
ного импульса.
В число дополнительных проверок станков с ЧПУ на холостом
ходу входит также проверка времени смены инструмента с помощью
имеющегося на станке манипулятора.
Третью группу проверок составляют проверки стайка при его
работе. Прежде всего следует указать на проверки работоспособности
станка при максимальных рёжимах резания: при работе с максималь-
ной силой резания, при резании с наибольшей мощностью, при ре-
зании с наибольшим крутящим моментом. Контроль силы резания
осуществляется по величине (Ус (рез) — Ус <х. х>) при постоянной
частоте вращения шпинделя. На режимах, обеспечивающих получе-
ние наибольшей мощности, одновременно контролируется падение
частоты вращения шпинделя (не более 3 %).
Оценку результатов испытаний проводят по внешнему виду об-
работанной поверхности, которая не должна иметь следов вибра-
ций. Наблюдая за мощностью УС(₽ез), потребляемой электродвига-
телем главного привода станка (которая должна быть не менее уста-
новленной), проверяют работу всех механизмов и систем станка на,
безотказность.
Станки с ЧПУ проверяют на безотказность при обработке по спе-
циальной программе типичной детали в течение 2 ч для серийных
409 '
станков и 4 я для опытных образцов. Программа должна быть со-
ставлена с максимальным учетом возможностей станка, и она обычно
сложнее программ, используемых при эксплуатации станка. Отказы
при работе станка не допускаются, а обрабатываемая заготовка долж-
на соответствовать требованиям чертежа.
Одним из важнейших критериев работоспособности станка яв-
ляется его виброустойчивость, которую можно понимать как способ-
ность станка сопротивляться возникновению автоколебаний при ре-
зании. Программой испытаний станков при работе предусмотрена
оценка границ устойчивости про-
0 20 М) 60 SO 100 v, м]мип
ЛИ
12
8
Ч
О
Рис. 19.9. График границ устойчиво-
сти токарного станка при обработке
консольной заготовки
цесса резания.
Испытание сводится к опреде-
лению так называемой предельной
стружки /пр. Под предельной
стружкой понимают максималь-
ную глубину резания, снимаемую
при работе без вибраций. Для
опытных образцов станка опреде-
ляют зависимость предельной
стружки от частоты вращения
шпинделя для всех характерных
видов обработки и нескольких по-
дач. Например, характерными
видами обработки для токарных
станков являются продольное точение вала в центрах, обработка
вала, закрепленного консольно, и торцовая обработка кольца.
Определение предельной стружки является довольно трудной
задачей, так как предельный режим работы станка по своей природе
весьма неустойчив. Признаком предельной стружки обычно служит
появление характерного звука при работе станка и довольно резкое
увеличение амплитуды относительных колебаний инструмента и
заготовки, на которой при этом появляются следы вибраций. Па-
раллельно с определением предельной стружки желательно фиксиро-
вать частоту возникающих при этом на станке вибраций (так назы-
ваемую частоту потенциально неустойчивой формы колебаний).
Полученные данные позволяют построить графики зависимости
tap от частоты вращения для каждого вида обработки и не менее чем
при трех подачах. Это так называемые графики границ устойчивости
(рис. 19.9). Границы устойчивости оценивают путем сравнения с луч-
шими образцами аналогичных станков или по производственной
характеристике станка (сопоставляя границу устойчивости с дру-
гими границами использования станка).
Испытание серийных станков проводят по сокращенной програм-
ме; их цель — проверка виброустойчивости как критерия качества
изготовления и сборки каждого станка. Для испытаний выбирают
вид обработки, дающий наименьшую виброустойчивость. Подачу ре-
комендуется брать среднюю, но вызывающую резкое увеличение ам-
плитуды колебаний при увеличении глубины резания. Частоту вра-
щения шинделя принимают равной п в зоне наименьшего значения /пр
410
по графику границы устойчивости для выбранной ранее подачи.
Глубину резания, соответствующую принятым п, S и виду обработки,
при которой еще не наступает потеря станком устойчивости, норми-
руют. Норму устанавливают статистически по результатам испыта-
ний 30—50 станков данной модели.
Проверка геометрической точности, которой подвергается станок
в начале испытаний, дает лишь косвенную гарантию точности обра-
ботки на станке. Поэтому для оценки непосредственно точности об-
работки и шероховатости обработанной поверхности программой
испытаний станка при его работе предусмотрена обработка контроль-
ного образца (для станков с ЧПУ — партии образцов). Вид образца,
его материал, характер и режим обработки, крепление инструмента
и т. п. назначают с таким расчетом, чтобы свести к минимуму влия-
ние факторов, не имеющих прямого отношения к качеству изготовле-
ния станка, и получить наивысшую точность обработки. Отклонения
фактических размеров и формы образца, а также параметров микро-
геометрии его поверхности не должны превышать величин, указан-
ных в соответствующем ГОСТе.
При проверке постоянства размеров в партии образцов, обрабо-
танных на станке с ЧПУ, определяют среднее значение J и размах R
отклонений полученных размеров. Границы р допускаемых отклоне-
ний рекомендуется определять для каждого контролируемого раз-
мера по формулам:
ря = (Г,, — Ло5) — для верхней границы среднего отклонения;
р„ = (Т’н + Ао6) — для нижней границы среднего отклонения;
Рвя — kn8 — для верхней границы размаха,
где Тв, Тв — границы допуска измеряемого размера; б — половина
допуска на размер; Аа и kn — коэффициенты, определяемые в зави-
симости от числа п однотипных размеров в проверяемой партии:
п
ka
кп
5 6
0,553 0,592
1,63 1,68
7 8 9 10
0,622 0,646 0,667 0,684
1,72 1,75 1,78 1,81
В третью группу проверок включают также проверку шумовых
характеристик станка под нагрузкой, которую осуществляют по-
добно описанной выше.
ГЛАВА 20
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ СТАНКОВ
§ 1. ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАНКОВ
Эксплуатация станков представляет собой систему меро-
приятий, включающую транспортирование и монтаж станков, на-
стройку и наладку оборудования, контроль геометрической и техно-
логической точности, уход и обслуживание.
Транспортирование станков необходимо осуществлять строго по
инструкции, указанной в руководстве по эксплуатации. Перемещать
411
станки по цеху можно лишь волоком на листе или на специальной
тележке. Тяжелые станки для удобства ремонта располагают в зоне
действия подъемно-транспортных средств.
Станки нормальной точности, легкие и средние, устанавливают
на общее бетонное полотно цеха с тщательной выверкой положения
уровнем и регулировкой с помощью клиньев. Надежное крепление
осуществляется посредством фундаментных болтов и заливкой осно-
вания станка бетоном.
Точные и тяжелые станки устанавливают на индивидуальные
фундаменты. Также на индивидуальные виброизолирующие фунда-
менты ставят станки с большими динамическими нагрузками и повы-
шенной вибрацией при работе, для того чтобы изолировать станок от
другого оборудования и воспрепятствовать передаче колебаний через
грунт. С той же целью станки устанавливают на виброизолирующие
опоры.
Если станки транспортируют в частично разобранном состоянии,
то после установки их монтируют. Выполняют заземление, подводят
электропитание и, если необходимо, соединяют коммуникации цен-
тральной подачи смазывающе-охлаждающей жидкости, стружкоуда-
ления, сети сжатого воздуха.
Наладку и настройку станков производят также в строгом соот-
ветствии с руководством по эксплуатации. Наладка — это сово-
купность операций по подготовке и регулированию станка, включа-
ющих настройку кинематических цепей, установку и регулирование
приспособлений, инструментов, а также другие работы, необходи-
мые для обработки деталей.
Настройка — это регулирование параметров машины в связи с
изменением режима работы в период эксплуатации. Со временем на-
стройка станка частично нарушается, и периодически требуется ее
восстановление (подналадка).
На универсальных станках настройку режимов резания произво-
дит станочник непосредственно перед или во время обработки, уста-
навливая рукоятками частоту вращения шпинделя, подачу и глу-
бину резания. На специальных и специализированных станках ре-
жимы резания устанавливаются заранее согласно карте наладки пу-
тем установки сменных колес в цепях главного движения и подач.
Наладку завершают регулировкой инструментов на размер и проб-
ными работами.
Геометрическую точность станков проверяют в соответствии
с ГОСТами. Суть проверки заключается в контроле точности и взаим-
ного расположения базовых поверхностей, формы тректории движе-
ния исполнительных органов (например, биение шпинделя), в про-
верке соответствия фактических перемещений исполнительного ор-
гана номиналу (например, точность позиционирования, кинематиче-
ская точность).
Технологическую точность, которая относится в большей сте-
пени к специальным и специализированным станкам и станочным
системам, контролируют перед началом эксплуатации оборудования.
Для этого на станке обрабатывают партию деталей, измеряют их и
412
с использованием методов математической статистики оценивают рас-
сеяние размеров, вероятность выпадения размеров за пределы за-
данного допуска и другие показатели технологической точности.
Уход и обслуживание включает чистку и смазывание, осмотр
и контроль состояния механизмов и деталей, уход за гидросистемой,
системами смазывания и подачи СОЖ, регулировку и устранение
мелких неисправностей. При эксплуатации автоматизированных
станков применяют смешанную форму обслуживания: наладку про-
изводит наладчик, а подналадку — оператор. При этом функции опе-
ратора разнообразны: приемка заготовок и их установка, снятие го-
товых деталей, оперативное управление, периодический контроль
деталей, смена или регулирование режущего инструмента, регулиро-
вание подачи СОЖ, контроль удаления стружки и др.
Уход за гидросистемой предусматривает контроль температуры
масла, которая обычно не должна превышать 4-50 °C. Первую за-
мену масла в гидросистеме, как правило, производят через 0,5—1
месяца работы, чтобы удалить продукты притирки механизмов. В
дальнейшем замену масла производят через 4—6 месяцев. Необхо-
димо систематически контролировать и поддерживать уровень масла,
следить за состоянием трубопроводов, чтобы не было утечек и не
попал воздух в гидросистему, регулярно проводить чистку фильтров.
Уход за электрооборудованием включает ежемесячную очистку
аппаратов от пыли и грязи, подтягивание винтовых соединений,
контроль плавности перемещений и надежность возврата подвижных
частей электроаппаратов в исходное положение. Периодически сма-
зывают приводы аппаратов тонким слоем смазочного материала, не
допуская попадания его на контакты. Раз в полгода меняют поляр-
ность рабочих контактов у кнопок и выключателей, работающих
в цепях постоянного тока, проверяют состояние контактов. При
появлении пригара или капель металла на поверхности контактов их
слегка зачищают бархатным надфилем (зачистка абразивными ма-
териалами недопустима).
Особенности эксплуатации станков обязательно указывают в ин-
струкциях по использованию. Соблюдение инструкций обеспечит
длительную, бесперебойную работу оборудования.
§ 2. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Вопросы рациональной эксплуатации автоматических ли-
ний из металлорежущих станков имеют особое значение, поскольку
выход из строя только части оборудования ведет к простою всей
линии и резкому снижению ее эффективности. Рациональная эксплу-
атация автоматических линий требует комплексного решения вопро-
сов обслуживания, ремонта, контроля качества, управления и т. п.
Техническим обслуживанием автоматической линии называют все
работы по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии,
которые включают выполнение следующих мероприятий: снабжение
линии заготовками, инструментом, оснасткой, маслами, СОЖ и т. д.;
413
уход за оборудованием; своевременное выявление и предупреждение
неисправностей; устранение простейших отказов путем замены или
восстановления отказавших деталей и сборочных единиц. Техниче-
ское обслуживание должно быть плановым, в противном случае резко
возрастают отказы оборудования, снижается долговечность, растут
производственные затраты. Основным документом, определяющим
объем и последовательность работ технического обслуживания обо-
рудования автоматических линий, является план-регламент.
Заготовки доставляются на линию в количестве, исключающем
возможность простоя из-за их нехватки, в унифицированной оборот-
ной таре, обеспечивающей использование погрузчиков и многоярус-
ное хранение в штабелях и стеллажах.
Важную роль играет подготовка оснастки. Элементы оснастки,
имеющие сравнительно небольшой срок службы (кондукторные втул-
ки, фиксаторные пальцы, базовые планки и др.), проверяют еже-
дневно перед пуском линии; обычно они подлежат замене в плановом
порядке. Для сокращения времени на настройку быстроизнашивае-
мых элементов применяют специальные наладочные приспособления
вне линии.
Особую специфику имеет обеспечение автоматической линии ин-
струментом, которая заключается в многочисленности типов и видов
инструмента, одновременности работы большого числа единиц, зна-
чительном колебании и укорененности, чем у остального оборудова-
ния, периодов стойкости, ритмичностью и повторяемостью операций
смены. Для сокращения простоев оборудования подналадку положе-
ния инструмента, как правило, производят в специальных приспособ-
лениях, которые разрабатывают параллельно с проектированием ин-
струментальной оснастки. Вне станка можно настраивать лишь бы-
стросменный и взаимозаменяемый инструмент. Форма контакти-
рующих с режущей кромкой поверхностей при настройке должна
соответствовать форме обрабатываемой поверхности, а твердость
должна быть равной или лишь на две-три единицы HRC ниже твер-
дости режущей части настраиваемого инструмента.
Замену изношенного инструмента на новый производят по сле-
дующим основным признакам (критериям): подход фактического раз-
мера изделий к заданной границе поля допуска; силы резания или
крутящий момент, которые регистрируются специальными встроен-
ными датчиками, превышают норму; поломка инструмента; число вы-
полненных инструментов циклов достигло нормы или необходимость
его замены согласно графикам принудительной замены. Другие кри-
терии затуплении (например, цвет сходящей стружки, скрип илисвист,
вид обработанной поверхности) в условиях автоматизированного про-
изводства имеют второстепенное значение и помогают наладчику
судить о необходимости замены инструмента лишь в дополнение к ос-
новным.
Для перетачиваемого инструмента автоматической линии в целях
повышения надежности и размерной стойкости нормы износа не-
сколько меньше, чем для инструмента, применяемого на универсаль-
ном оборудовании. Принудительная замена инструмента вводится
414
после установления периодов стойкости и исходя из периодичности
доставки инструмента к рабочим местам.
Автоматическую линию делят на зоны обслуживания между на-
ладчиками. Для каждой зоны корректируют значения периодов стой-
кости отдельных инструментов исходя из конкретных условий экс-
плуатации и устанавливают их средние значения; инструмент делят
на группы по периодам стойкости и составляют графики принуди-
тельной замены. По уточненным периодам стойкости устанавливают
нормы расхода инструмента и нормы запаса в инструментальной
кладовой.
Обслуживание гидросистемы и системы смазывания оборудова-
ния автоматических линий заключается в замене отработанных ма-
сел, пополнении масла в резервуарах, проверке и чистке систем
и пр. Новейшие автоматические линии имеют централизованные
проточные системы смазывания различных конструкций с активным
контролем процесса смазывания, подачей регламентированного коли-
чества смазочного материала и регулированием периодичности по-
дачи. В автоматическом режиме работы системы смазывания интер-
вал времени между двумя очередными импульсами подачи масла
выбирается таким, чтобы к моменту последующего импульса на тру-
щихся поверхностях сохранилась смазка.
Обслуживание автоматической линии предусматривает также
уход за системой подачи СОЖ, уборку стружки, чистку оборудова-
ния, уборку территории вокруг автоматической линии и др.
Во время работы автоматической линии обслуживающий персо-
нал осуществляет активное наблюдение за состоянием оборудования,
получая информацию о состоянии линии и принимая меры к недо-
пущению отказа, а при его возникновении — остановке оборудова-
ния. Наладчик обязан постоянно следить за сигналами ламп, пуль-
тов и т. п., за состоянием механизмов станков и транспортных уст-
ройств, проверяя их нормальное функционирование; периодически
контролировать состояние рабочих кромок инструментов и качество
обрабатываемых изделий; следить за работой гидросистемы, перио-
дически проверяя давление и температуру жидкости, отсутствие
утечек; постоянно наблюдать за правильностью отвода стружки;
следить за подачей СОЖ, особенно за направлением струи;'периоди-
чески контролировать заполнение накопителей и длительность цик-
ла оборудования.
Для облегчения контроля за состоянием оборудования в автома-
тических линиях широко применяют различные методы диагностиро-
вания. В качестве информационных диагностических устройств ис-
пользуют устройства, фиксирующие фактическое состояние контро-
лируемого элемента и передающие информацию на табло.
Эффективная эксплуатация линии требует повышения надежности
и точности информации, на основании которой принимают решения
по управлению работой и эксплуатацией. Увеличение численности
обслуживающего персонала не улучшает качество решения задач
управления линий, поэтому для сбора и переработки информации об
эксплуатации линии и управления ею возникает необходимость ис-
415
пользования вычислительной техники, которая позволяет оперативно"
приспосабливать систему эксплуатации в зависимости от фактиче-
ского состояния оборудования даже при условии недостаточно пред-
ставительной статистики об интенсивности отказов, о стоимости и
продолжительности работ по техническому обслуживанию.
Автоматизированная система управления эксплуатацией автома-
тической линии с использованием ЭВМ решает следующие задачи:
управление циклами работы оборудования; учет простоев; контроль
за временем цикла работы и определение неисправностей оборудова-
ния; учет выпуска годной и бракованной продукции по линии и от-
дельным машинам; формирование и выдача информации по управле-
нию запасами заготовок, инструмента, масел и т. д.; контроль состоя-
ния и смены инструмента; формирование долговременной информа-
ции для проведения обслуживания, производства и ремонта обору-
дования; подготовка, передача и обмен информацией с автоматизи-
рованной системой управления производством (АСУП).
§ 3. ОРГАНИЗАЦИЯ РЕМОНТА
Постепенное изнашивание металлорежущих станков в про-
цессе эксплуатации проявляется в снижении точности обработки,
появлении повышенного шума, возникновении неполадок и отказов.
Поддержать станки в работоспособном состоянии и восстановить
утраченные в процессе эксплуатации технические показатели можно
только при периодическом осмотре и ремонте.
Ремонт по потребности (т. е. ремонт при остановках, обусловлен-
ных поломкой какой-либо из деталей механизмов) — устаревшая
форма обслуживания. Недостатки ее: внезапность выхода оборудова-
ния из строя, приводящая к нарушению нормального хода произ-
водства и наносящая большой ущерб производству; чрезмерный из-
нос оборудования повышает стоимость ремонта и снижает его ка-
чество.
На всех промышленных предприятиях нашей страны действует
система планово-предупредительного ремонта. Эта система разра-
ботана в нашей стране и получила признание за рубежом. Сущность
системы планово-предупредительного ремонта оборудования заклю-
чается в том, что через определенное число отработанных часов каж-
дого агрегата производят профилактические осмотры и различные
виды плановых ремонтов этого агрегата. Основной задачей системы,
является удлинение межремонтного срока службы оборудования,
снижение расходов на ремонт и повышение качества ремонта.
Существует три разновидности планово-предупредительного ре-
монта.
1. Метод послеосмотровых ремонтов — планируют не ремонты,
а лишь периодические осмотры. Если при очередном осмотре выяс-
няется, что станок не проработает нормально до следующего осмотра,
то назначают ремонт к определенному сроку. Это дает возможность
подготовиться к ремонту, выполнить его быстрее и качественнее.^
Недостаток метода — отсутствие планирования, что может привести)
416 )
к-нерегрузке работников ремонтной службы в одни периоды и не-
занятости — в другие.
2. Метод периодических ремонтов — для каждого станка состав-
ляют план с указанием сроков и объема ремонтных работ. Допускает-
ся корректировка плана с учетом фактических результатов осмотров,
что делает систему ремонтов гибкой, обеспечивая наиболее рен-
табельное использование технологического оборудования за срок
его службы. Это наиболее распространенный вид планово-предупре-
дительного ремонта.
3. Метод принудительных ремонтов — обязательный ремонт
оборудования в установленные сроки. Ремонт производят по заранее
разработанной технологии с обязательной заменой или восстановле-
нием всех намеченных деталей и узлов. Метод целесообразен только
на участках с однотипным оборудованием и стабильным режимом
работы (поточные линии, энергетическое оборудование).
Периодические осмотры проводят слесари-ремонтники согласно
плану ремонта. При этом проверяют работу всех механизмов, про-
изводят их регулировку, выявляют состояние и степень износа узлов.
Станки, работающие в условиях сильного загрязнения, промывают
при частичной разборке. Станки повышенной точности проверяют
на точность. При осмотре выявляют все дефекты и неисправности
оборудования, но устраняют только такие, наличие которых не поз-
воляет нормально эксплуатировать оборудование до ближайшего
планового ремонта. Остальные дефекты подлежат устранению при
ближайшем плановом ремонте. Осмотры производят, как правило,
в нерабочее время.
Периодический ремонт может быть текущим средним и капиталь-
ным. Текущий ремонт — это минимальный по объему вид планового
ремонта, при котором заменой или восстановлением небольшого
числа изношенных деталей, срок службы которых равен межремонт-
ному периоду или меньше его, и регулированием механизмов обеспе-
чивается нормальная эксплуатация станка до очередного планового
ремонта. При текущем ремонте производят очистку гидросистемы и
смену масла.
Средний ремонт — это плановый ремонт, включающий операции
текущего ремонта и дополнительные мероприятия по восстановлению
предусмотренных ГОСТами или техническими условиями точности,
мощности и производительности оборудования на срок до очеред-
ного среднего или капитального ремонта. При среднем ремонте за-
меняют изношенные детали, срок службы которых равен или
меньше межремонтного периода или периода между двумя сред-
ними ремонтами. При этом обязательно проводят проверку на точ-
ность.
Капитальный ремонт — это наибольший по объему вид планового
ремонта, при котором производят полную разборку станка, ремонт
базовых деталей (станин, кареток и т. д.), замену и восстановление
всех изношенных деталей и узлов в целях возвращения агрегату пер-
воначальных точности, мощности и производительности. При капи-
тальном ремонте, как правило, производят модернизацию оборудова-
14 П/р В. Э. Пуш
417
ния. Из капитального и среднего ремонта оборудование принимает
представитель ОТ К-
В настоящее время в связи с повышением долговечности станков
намечается переход к двухвидовой системе ремонта, включающей
текущий и капитальный ремонты.
Кроме периодических плановых ремонтов может быть неплано-
вый ремонт, .который не предусмотрен графиком и вызван аварией
оборудования. При хорошо орг анизованной на предприятиях системе
планово-предупредительного ремонта внеплановые ремонты', как
правило, не должны иметь места.
Период между двумя капитальными ремонтами (или от' ввода в
эксплуатацию до первого капитального ремонта) называют ремонт-
ным циклом, а период времени между двумя очередными плановыми
ремонтами — ремонтным периодом. Структура ремонтного цикла,
т. е. порядок расположения и чередования ремонтов и осмотров,
может быть разной в зависимости от культуры производства и состоя-
ния оборудования. Для металлорежущих станков легких и средних
(массой до 10 т) рекомендуется следующая структура ремонтного
цикла:
К—О—М—О—М—О—С—О—М—О—М—О—С—
о—м—о—м—о— к,
где К — капитальный ремонт; С — средний ремонт; М — текущий
ремонт; О — осмотр.
Автоматические линии нуждаются в более частых профилактиче-
ских осмотрах, поэтому их число в структуре ремонтного цикла
удваивается. Для крупных станков массой от 10 до 100 т рекомен-
дуются еще более частые профилактические мероприятия, преду-
преждающие преждевременный выход оборудования из строя. Число
осмотров равно 27.
Продолжительность ремонтного цикла определяется классом точ-
ности станка, условиями работы (запыленность воздуха, твердость
обрабатываемого материала, наличие абр'азивного материала и пр.),
характером производства и, наконец, сроком службы тех основных
механизмов и деталей станка, замена или ремонт которых могут
быть выполнены во время его полной разборки. Средняя продолжи-
тельность ремонтного цикла для легких и средних станков состав-
ляет, по данным ЭНИМСа, около 30 000 рабочих часов. При этом
ремонтный цикл для двухсменной работы будет 90 месяцев, период
между промежуточными ремонтами (ремонтный период) — 10 меся-
цев, между осмотрами — 5 месяцев.
Трудоемкость и степень сложности ремонта станков, которые за-
висят от конструктивных (компоновка, кинематическая схема, уст-
ройство механизмов, масса и пр.) и технологических (точностные
параметры, ремонтопригодность) особенностей, оцениваются катего-
рией сложности ремонта. Чем сложнее станок, тем выше категория
сложности ремонта. За эталон принят токарно-винторезный станок
16К20 с высотой центров 200 мм и межцентровым расстоянием
1000 мм. Ему присвоена 11-я категория сложности.
418
Номер категории сложности ремонта равен числу единиц ре-
монтной сложности, которые характеризуют объем работ при ка-
питальном ремонте. Одна единица ремонтной сложности для меха-
нической части станков составляет 35 ч, из которых 23 ч выделяется
на слесарные работы, 10 ч — на станочные и 2 ч — на прочие работы
(сварочные, малярные и т. п.). Единица ремонтной сложности элек-
тротехнического оборудования станков составляет 15 ч (11 ч — элек-
трослесарные работы, 2 ч — станочные, 2 ч — прочие).
В зависимости от категории ремонтной сложности определяется
время простоя оборудования в ремонте, которое исчисляется с мо-
мента остановки станка на ремонт до момента приемки его из ремонта
контролером ОТК. Так, время на капитальный ремонт оборудова-
ния составляет I рабочий день на 1 единицу ремонтной сложности;
Рис. 20.1. Съемники:
а — для демонтажа штифтов с резьбой; б — для демонтажа подшипников, колец, втулок*
/ — штифт; 2 — груз; 3 — упор; 4 — деталь, расположенная за подшипником (втулка)*
5 — захват; 6 — винт
на средний ремонт 0,6 рабочего дня; на мелкий — 0,25. Эти нормы
составлены исходя из односменной работы ремонтных бригад и не
зависят от сменности работы станка до его остановки на ремонт.
Рекомендуемый состав ремонтной бригады: для оборудования 1—6
категории сложности — два слесаря; 7—15 категории сложности —
три слесаря; 15—25 категории сложности — четыре слесаря.
Перед разборкой необходимо проверить станок на геометриче-
скую точность и записать все отклонения. Разборку производят по
узлам. Если нет кинематической схемы станка, в процессе работы
составляют такую схему, кроме того, составляют список обнару-
женных дефектов. ''
Детали, положение которых в узле должно быть строго опреде-
ленным (кулачки, муфты, гидрораспределители и пр.), необходимо
маркировать. Для этого применяют электрограф, ударное и кислот-
ное клеймо.
Удаление штифтов с резьбовым концом производят навертыва-
нием гайки на резьбу, а штифты с резьбовым отверстием выбивают
с помощью ударного приспособления (рис. 20.1, а). Тугие соедине-
ния разбирают под прессом или с помощью съемника. Применяют
для разборки и молотки с медными ударными частями, или же удары
наносят через медный стержень. При демонтаже иногда применяют
подогрев охватывающей детали, например горячим маслом. Для
лучшей разборки соединенные детали полезно поместить на 8—10 ч
в керосин. При демонтаже подшипников силу прикладывают к коль-
14* 419
цу, посаженному с натягом. Чаще всего применяют съемники сйа-
жимом на детали, расположенные за подшипником (рис. 20.1, б).
Детали после разборки промывают в керосине или бензине.
Промытые детали вытирают насухо. Для экономии керосина при-
меняют ванну, заполненную снизу водой, а сверху керосином.
Грязь, оставшаяся после промывки, удаляется с водой, а керосин
загрязняется меньше. Для горячей промывки используют ванны
с паровым антикоррозионным раствором. Их преимущество — пожар-
ная безопасность.
§ 4. ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ
Срок службы станков в основном определяется изнашива-
нием, при котором происходит утрата механизмом первоначальных
эксплуатационных качеств. Изнашивание — процесс разрушения и
отделения материала с поверхности твердого тела, необратимый
процесс изменения деталей во время эксплуатации. При этом, как
правило, изменяется форма, размеры и состояние рабочих поверх-
ностей деталей. В зависимости от условий работы одни детали изна-
шиваются быстрее, другие медленнее. Различают следующие основ-
ные виды .изнашивания: механическое, при заедании и окислитель-
ное.
Механическое изнашивание — изнашивание в результате меха-
нических воздействий. При этом происходит истирание (срезание)
поверхностного слоя металла у совместно работающих деталей. Ме-
ханическое изнашивание часто усугубляется наличием абразивной
пыли, твердых частиц, стружки, продуктов изнашивания; при этом
трущиеся поверхности дополнительно разрушаются за счет царапа-
ния.
Износ и характер изнашивания деталей зависят от физико-меха-
нических свойств верхних слоев металла, условий работы сопрягае-
мых поверхностей, давления, относительной скорости перемещения,
условий смазывания, параметров шероховатости трущихся поверх-
ностей и др. Если взаимодействие деталей происходит без относитель-
ного перемещения, то возможно смятие металла, что характерно для
шлицевых, шпоночных, резьбовых и других соединений.
Во время работы многие детали станков, например, валы, зубья
зубчатых колес, шатуны, подшипники, пружины и т. д., подвергаются
длительному воздействию переменных нагрузок, которые гораздо
сильнее снижают прочность деталей, чем статические нагрузки.
Циклические нагрузки вызывают усталостное изнашивание и раз-
рушение деталей. При этом получается характерный вид изнашива-
ния с двумя зонами — зоной развивавшихся трещин и зоной, по ко-
торой произошел излом. Поверхность первой зоны гладкая, а по-
верхность второй — с раковинами или зернистая. Такой излом го-
ворит о том, что причиной поломки является усталость. Для предот-
вращения разрушения от усталости необходимо правильно выбрать
размеры поперечного сечения вновь изготавливаемой или ремонти-
руемой детали, выполнять ее по возможности так, чтобы не было рез-
420
ких переходов от одного размера к другому. Следует учитывать, что
грубо обработанная поверхность, наличие рисок и царапин могут
стать причинами возникновения усталостных трещин.
Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания
одной поверхности с другой, глубинного вырывания материала.
Происходит это при недостаточной смазке и значительном удельном
давлении, когда две поверхности сближаются настолько плотно,
что начинают действовать молекулярные силы. Схватывание проис-
ходит также при высоких скоростях скольжения и высоком давлении,
когда температура трущихся поверхностей высока.
Окислительное изнашивание проявляется обычно у деталей стан-
ков, испытывающих непосредственное действие воды, воздуха, хи-
мических веществ и температуры. Непостоянство температуры воз-
духа в производственном помещении приводит к тому, что при ее
повышении содержащиеся в воздухе водяные пары, соприкасаясь
с более холодными металлическими деталями, осаждаются на них
в виде конденсата. Это вызывает коррозию металла, т. е. соединение
металла с кислородом воздуха. Под влиянием коррозии в металличе-
ских деталях образуются глубокие разрушения, материал теряет
механическую прочность. Эти явления наблюдаются, в частности,
у деталей шлифовальных, электрохимических и других станков, ра-
ботающих с водоэмульсионными охлаждающими жидкостями.
Обычно коррозионный износ сопровождается механическим воз-
действием из-за сопряжения одной детали с другой. В этом случае
происходит так называемое коррозионно-механическое изнашивание.
Об изнашивании деталей станка можно судить по характеру их
работы. Например, повышенный шум в зубчатых передачах — приз-
нак изнашивания профиля зубьев. Изнашивание шлицевых и шпо-
ночных соединений проявляется в виде глухих и резких толчков
каждый раз, когда изменяется направление вращения или прямоли-
нейного движения. По шуму можно оценить и состояние узлов с под-
шипниками качения. Диагностирование проводят с помощью спе-
циального прибора — стетоскопа. При его отсутствии можно вос-
пользоваться металлическим прутком, который прикладывают за-
кругленным концом к уху, а заостренным — к месту, где находится
подшипник. При нормальной работе слышен слабый шум, равномер-
ное тонкое жужжание. Резкий (звенящий) шум или свист указывают
на то, что в подшипнике нет смазки, шарики или ролики защемлены
между беговыми дорожками внутреннего и наружного колец. Гре-
мящий шум (частные звонкие стуки) свидетельствует о том, что на
телах качения или кольцах появились «язвины» или в подшипник
попала абразивная пыль или грязь. Глухие удары говорят об ослаб-
лении посадки подшипника на валу и в корпусе.
Изнашивание в сборочных единицах станка можно установить не
только на слух, но и по виду поверхностей, обработанных на этом
станке. Например, появление на детали, обрабатываемой на токар-
ном-станке, кольцевых выступов или впадин через равные промежут-
ки свидетельствует об износе зубьев реечного колеса и рейки; дви-
жение суппорта вместо плавного становится прерывистым. Этот де-
421
фект часто вызывается также изнашиванием направляющих станины
и каретки суппорта, нарушающим соосность отверстии фартука’и
коробки подач, через которые проходит ходовой нал, и изменяющим,
кроме того:, зазор в реечной передаче.
Увеличенный «мертвый» ход рукояток винтов свидетельствует
об. изнашивании резьбы винтов и гаек. В данном случае под. мертвым
ходом понимают некоторый свободный угол поворота рукоятки, пре-
жде чем начнет двигаться соединенная с ней деталь.
Для оценки износа поверхностей трения базовых деталей стан-
ков рекомендуется метод «искусственных баз». Этот метод заклю-
чается в том, что на изнашиваемые поверхности заранее наносят
Рис. 20.2. Схемы нанесе-
ния отпечатка (а) и лунки
(б) для определения из-
носа направляющих.:
1 — алмазная пирамида;
2 — отпечаток; 3 — резец;
4 — лунка
лунки определенной формы (рис. 2Q.2). На изменение режима тре-
ния они практически влияния не оказывают, поскольку их размеры
таковы: глубина 50—75 мкм, длина 1,7—2 мм, расстояние между
лунками 100—200 мм. Лунки на поверхности трения, делают либо
вдавливанием алмазной пирамиды (способ отпечатков), либо вра-
щающимся твердосплавным роликом (способ «вытирания»). Второй
способ^ лучше, так как по сторонам лунки не происходит вспучивания
металла и это позволяет производить измерения более точно. По
изменению размера лунки, т. е, по уменьвению ее глубины за время
работы станка между измерениями, судят о величине износа. Глу-
бина лунки
h = Z2/8r,
где I — длина лунки; г — радиус кривизны углубления,
Лунки по способу «вытирания» можно наносить с помощью при-
бора ПВЛ-2 конструкции ЭНИМСа (рис. 20.3). Его включают в ос-
ветительную сеть станка и устанавливают на изнашиваемую поверх-
ность базовой детали таким образом, чтобы ролик 1, закрепленный
на оправке 2, являющейся продолжением вала электродвигателя 3,
соприкасался с участком поверхности, на которую должна быть на-
несена лунка. Одним из выключателей 9 включают лампу освети-
теля 7 и электромагнит 8, который жестко фиксирует положение
422
прибора на поверхности. Затем наносят две-три капли окислителя
(1 %-ного раствора К/>04 в воде). Вторым выключателем 9 вклю-
чают электродвигатель 3. Рукояткой 6 приближают ролик / к по-
верхности базовой детали и подают его при «вытирании» лунки.
Длину I лунок измеряют прибором МИБ-2 конструкции ЭНИМСа,
представляющим собой отсчетный микроскоп с микрометрическим
винтом.
На направляющие лунки наносят посередине, в направлении,
перпендикулярном движению по ним, чтобы при изнашивании по-
верхности концы лунок оставались четкими.
Допустимый износ направляющих станин токарно-винторезных и
консольно-фрезерных станков нормируют в зависимости от требуе-
мой точности обработки и размеров детали. Если износ направляю-
Рис. 20.3. Прибор для нанесения
лунок на направляющие Стан-
ко®:
j — рэл»к из 'порошкового мате-
риала; 2 — оправка; 3 — ^электро-
двигатель; 4 — ось; 5 — кронштейн;
6 — рукоятка; 7 — осветитель; 8 —
электромагнит; 9 — выключатель
щих превышает 0,2 мм, циброустойчивость станка значительно сни-
жается, и, хотя по условиям обеспечения заданной точности деталей
допустимо продолжение эксплуатации станка, приходится останав-
ливать его на капитальный ремонт в связи с ухудшением качества
поверхности обработанных деталей (следы вибрации) или с потерей
производительности.
Допустимый износ направляющих продольно-строгальных и про-
дольно-фрезерных станков
= 6 Ш,
где 6 — погрешность обработки на станке (допуск на деталь), мм;
Lo — длина направляющих станины, мм; — длина обрабатывае-
мой детали, мм.
Для плоских направляющих износ равен расстоянию от некото-
рой условной прямой, проходящей через точки на неизношенных кон-
цах направляющих, до изношенной поверхности. Для станков с
V-образными или треугольными направляющими с углом основания
а допустимый износ
= -ё cos а (L0/Lj)2.
В автоматических линиях, наряду с методом «искусственных
баз», из-за большого количества контролируемого оборудования и
ограниченного доступа к трущимся поверхностям для оценки из-
носа применяют метод поверхностной активации. Рабочие участки
направляющих станков, шпиндельных узлов, зубчатых и червячных
передач,- винтовых передач и других ответственных механизмов под-
вергают поверхностной активации в циклотронах пучком ускорен-
423
ных заряженных частиц (протонов, дейтронов, альфа-частиц). Глу-
бина активированного слоя должна соответствовать предполагаемой
величине линейного износа детали. Для крупногабаритных деталей
используют предварительно активированные специальные вставки.
О величине износа активированных поверхностей судят, периоди-
чески измеряя энергию излучения.
Одна из основных мер борьбы с изнашиванием деталей станков —
смазывание трущихся поверхностей. При этом поверхности во время
работы разделяются смазкой, и мельчайшие неровности (шерохова-
тости), коТорые имеются на этих поверхностях, -не соприкасаются
между собой. Циркуляционное смазывание хорошо отводит тепло
и уносит частицы металла, а также предохраняет детали от коррозии.
§ 5. СПОСОБЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Дефекты, возникающие в процессе эксплуатации обору-
дования, можно разделить на три группы: изнашивание, сюда же
относятся царапины, риски, надиры; механические повреждения
(трещины, выкрашивание зубьев, поломки, изгибы и скручивания);
химико-тепловые повреждения (коробление, раковины, коррозия).
Большинство крупных и средних механических дефектов обна-
руживают при внешнем осмотре. В некоторых случаях проверку
осуществляют с помощью молотка. Дребезжащий звук при обсту-
кивании детали молотком свидетельствует о наличии в ней значитель-
ных трещин.
Для обнаружения мелких трещин можно использовать различные
методы дефектоскопии. Наиболее простые капиллярные методы.
Если, например, опустить деталь на 15—30 мин в керосин, то при
наличии трещин жидкость проникает в них. После тщательной
протирки, поверхности детали покрывают тонким слоем мела; мел
поглощает керосин из трещин, в результате чего на поверхности
появляются темные полосы, указывающие местонахождение де-
фекта. Для более точного обнаружения трещин применяют жидко-
сти, которые светятся при облучении ультрафиолетовыми лучами
(капиллярный люминесцентный метод). Такой жидкостью является,
например, смесь из 5 частей керосина, 2,5 частей трансформаторного
масла и 2,5 частей бензина. Деталь погружают на 10—15 мин в
жидкость, затем промывают и просушивают, после чего облучают
ультрафиолетовыми лучами (ртутно-кварцевой лампой). В местах
трещин появляется светло-зеленое свечение.
Трещины обнаруживают также методами магнитной дефектоско-
пии. Деталь намагничивают и смачивают магнитной суспензией (по-
рошок окиси железа, размешанный в масле, керосине или водно-
мыльном растворе). В местах трещин образуются скопления порошка
(рис. 20.4, а). Продольные трещины обнаруживают при прохожде-
нии магнитных линий по окружности детали (рис. 20.4, б), а по-
перечные трещины — при продольном намагничивании, когда маг-
нитные линии проходят вдоль оси детали (рис. 20.4, в).
424
'Дефекты, расположенные внутри материала, обнаруживают рент-
геноскопическим методом. Рентгеновские лучи, проходя через про-
веряемую деталь, попадают на чувствительную пленку, на которой
пустоты проявляются как более темные пятна, а плотные инород-
ные включения — как более светлые пятна.
В настоящее время распространен ультразвуковой метод обнаруже-
ния трещин и других скрытых дефектов. К исследуемой детали
прикладывают ультразвуковой зонд, основной частью которого яв-
ляется кристаллический генератор механических колебаний высо-
кой частоты (0,5—10 МГц). Эти колебания, проходя через материал
детали, отражаются от внутренних границ (внутренних трещин,
поверхностей разрыва, раковин и т. д.) и. попадают обратно в зонд.
Прибор регистрирует время запаздывания отраженных волн относи-
тельно излученных. Чем больше это время, тем больше глубина,
Рис. 20.4. Магнитная дефектоскопия:
а — скопление магнитного порошка у трещины; б — схема ротационного намагничивания;
в —• схема продольного намагничивания
на которой расположен дефект. Для лучшей передачи колебаний
от зонда к исследуемой детали последнюю обычно помещают в жид-
кость (воду, масло и т. п.).
Многократное использование изношенных деталей станков может
быть осуществлено такими методами, как восстановление первона-
чальных размеров, перевод их в очередной ремонтный размер и
с помощью деталей-компенсаторов.
Восстановление деталей и механизмов станков осуществляют
следующими методами. Обработка резанием — метод ремонтных раз-
меров — применяют для восстановления точности направляющих
станков, изношенных отверстий или шеек различных деталей, резьбы
ходовых винтов и др. Из двух, как минимум, сопряженных деталей
ремонтируют более дорогую, трудоемкую и металлоемкую деталь,
а заменяют более дешевую. Изношенные места деталей переводят
при соответствующей.обработке (токарной, строгальной, шлифоваль-
ной и т. д.) в следующий ремонтный размер.
Ремонтным называют размер, до которого обрабатывают изно-
шенную поверхность при восстановлении детали. Различают свобод-
ные и регламентированные размеры. Свободные ремонтные размеры —
это такие размеры, величина которых не устанавливается заранее,
а получается непосредственно в процессе обработки, когда будут
удалены следы изнашивания и восстановлена форма детали, К полу-
ченному размеру подгоняют соответствующий размер сопряженной
425
детали методом индивидуальной пригонки. При этом невозможно
заранее изготовить запасные части в окончательно обработанном виде,
что является недостатком системы свободных ремонтных размеров.
Регламентированный ремонтный размер — это заранее установлен-
ный размер, до которого ведут обработку изношенной поверхности
при ее исправлении. При этом запасные части можно изготовлять за-
ранее, появляются условия для применения метода взаимозаменяе-
мости при ремонте и ускоряется ремонт. Основными данными при
расчете регламентированных ремонтных размеров являются износ
за межремонтный период и припуск на обработку. Конечный ремонт-
ный размер устанавливают из условий прочности, долговечности и
конструктивных особенностей сопрягаемых деталей.
При ремонте направляющих станков путем перевода в новый
ремонтный размер нарушенную размерную цепь с каретками суп-
портов или другими сборочными единицами восстанавливают поста-
новкой деталей-компенсаторов.
Сваркой исправляют детали с изломами, трещинами, сколами.
Наплавка является разновидностью сварки и заключается в том,
что на изношенный участок наплавляют присадочный материал.
Применение для наплавки металлов более износостойких, чем ос-
новной материал деталей, а также твердых сплавов дает возмож-
ность не только многократно использовать детали, но и резко повы-
шать срок их службы. Однако при восстановлении деталей сваркой
и наплавкой необходимо учитывать возможность возникновения де-
формаций (коробления) и внутренних напряжений в деталях из-за
неравномерного нагрева.
Для'ремонта стальных деталей чаще применяют дуговую сварку
металлическими электродами. Свариваемость стали зависит от ее
химического состава, т. е. содержания углерода и легирующих
элементов, таких, как хром, марганец, никель и др. С увеличением
их количества свариваемость ухудшается. Хорошо свариваемые
стали можно наплавлять или сваривать в обычных производствен-
ных условиях без предварительного нагрева и без последующей
термической обработки. Стали с ограниченной и тем более плохой
свариваемостью могут давать трещиЦы в зоне сварки, поэтому ре-
комендуется детали из них перед сваркой отжигать при температуре
500—600 °C, а по окончании сварки подвергать закалке и отпуску.
При восстановлении деталей из чугуна, а также из углеродистых
сталей толщиной менее 3 мм, используют в основном газовую сварку.
Сварку чугуна ведут кислородно-ацетиленовым пламенем с некото-
рым избытком ацетилена (пламя получается восстановительное).
При этом используют чугунный присадочный материал в виде прут-
ков с повышенным содержанием углерода и кремния, так как эти
элементы в процессе сварки частично выгорают. Для предохранения
расплавленного материала от окисления применяют флюсы, а если
есть условия, то сварку ведут в среде инертного газа. ;
Детали из серого чугуна можно сваривать с предварительным об- i
щим нагревом, с местным подогревом или без подогрева. Сварку J
с предварительным подогревом до 500—700 °C условно называют 1
426
горячей, с нагревом до 250—450 °C — полугорячей, а без подогрева —
холодной. Лучшие результаты дает горячая сварка.
Широкое распространение получил способ восстановления дета-
лей из,чугуна методом сварка — пайка латунной проволокой и
прутками из медно-цинковых оловянных сплавов. Этот способ не
требует нагрева свариваемых кромок до расплавления, а лишь до
температуры плавления припоя.
Ковкий чугун плохо поддается сварке обычными методами, поэ-
тому детали из него восстанавливают с применением латунных элек-
тродов или электродов из монель-металла, т. е. сплава никеля с медью,
железом и марганцем. Монель-металл обладает высокой коррозион-
ной стойкостью и механической прочностью.
Для высококачественной сварки необходима соответствующая
подготовка свариваемых поверхностей и режим охлаждения. Круп-
ные детали охлаждают вместе с печью, мелкие помещают в сухой
горячий песок или золу, так как при быстром охлаждении образуется
твердый и хрупкий отбеленный чугун. Неравномерное охлаждение
приводит к возникновению внутренних напряжений и появлению
трещин.
Металлизация заключается, в расплавлении металла и распыле-
нии его струей сжатого воздуха на мелкие частицы, которые внед-
ряются в неровности поверхности, сцепляясь с ними. Металлизации
могут быть подвергнуты детали из различных материалов, работаю-
щих при спокойной нагрузке. Отсутствие нагрева металлизуемой
детали предупреждает появление каких-либо внутренних напряже-
ний и короблений. Металлизацией может быть наращен слой от 0,03
до 10 мм и выше.
Металлизационные установки могут быть газовые (металл пла-
вится в пламени газовой горелки) и дуговые. Схема дугового метал-
лизатора показана на рис. 20.5. В его корпусе установлены катушки
с проволокой 3, которая подается медленно вращающимися роли-
ками 5. Электрический ток подводится к проволоке по проводам 6.
В зоне сближения обеих проволок возникает электрическая дуга,
427
Рис. 20.6. Хромирование крупных де- 1
талей с помощью переносных ванн: |
1 — деталь; 2 — электролит; 3 — свин- 1
Цовые аноды; 4 — защитная жидкость; j
5 — целлулоид; 6 — клей |
расплавленный металл выбра- 1
сывается на деталь 1. струей I
сжатого воздуха, поступающего I
по трубе 4. I
Поверхность под металли- |
зацию предварительно обезжи- j
ривают; она должна быть ше- |
роховатой, что достигается пе- I
скоструйной обработкой, на- I
сечкой зубилом, нарезкой ]
мелкой резьбы (для круглых 1
деталей) и пр. Нанесенный слой 2 является пористым, прочность 1
сцепления его достаточна для обработки резанием, но недостаточна |
при динамических и ударных нагрузках. Пористость нанесенного |
слоя повышает износостойкость металлизированной поверхности за 1
счет лучшего удержания смазочного материала и понижения коэф-
фициента трения.
Хромирование представляет собой процесс восстановления изно-
шенной поверхности детали осаждением хрома электролитическим
Цутем. Хромированные поверхности детали обладают повышенной
твердостью и износостойкостью, но плохо переносят динамические
нагрузки. Хромирование является менее универсальным процессом
по сравнению с металлизацией из-за небольшой толщины (до 0,1 мм)
наращиваемого слоя хрома (при увеличении толщины слоя качество
его ухудшается), а также из-за плохого покрытия хромом деталей
сложной конфигурации. Но оно имеет бесспорное преимущество
перед другими методами восстановления размеров деталей.
Наращенный слой хрома после частичного изнашивания может
быть легко удален гальваническим путем (дехромированием), и, таким
образом, детали могут быть многократно восстановлены без измене-
ния размеров. Применение размерного хромирования позволяет
упростить процесс обработки за счет устранения окончательного
шлифования. И, наконец, процесс происходит при низких темпера-
турах, поэтому не нарушается структура основного металла. 1
Хромирование успешно применяют для восстановления крупных j
деталей, которые не могут быть помещены в хромировочные ванны j
или когда из-за больших площадей требуется слишком большая |
сила тока. Применение в таких случаях переносных ванн, непосред- 1
ственно охватывающих хромируемые поверхности детали (рис. 20..6), !
или последовательное хромирование поверхности крупных деталей |
отдельными поясами успешно разрешают эту проблему. 1
Прочие методы ремонта. Все многообразие методов ремонта не- 1
возможно рассмотреть в объеме учебника, поэтому рассмотрим!
только некоторые из них. Сломанный вал (рис. 20.7, а) можно вое- Я
428
стднавливать путем запрессовки новой части на старую с установкой
штифта (рис. 20.7, б) или методом сварки с последующим обтачива-
нием сварочного шва (рис. 20.7, в).
Изношенную резьбу в корпусной детали (рис. 20.7, г) рассвер-
ливают и развертывают, в полученное отверстие запрессовывают
резьбовую втулку, которую при необходимости фиксируют стопор-
ным винтом (рис. 20.7, д). Аналогичным образом поступают при ре-
монте гладких отверстий.
Рис. 20.7. Методы восстановления деталей
Точную посадку по боковым сторонам изношенного шлицевого
вала (рис. 20.7, е) можно восстановить, если после отжига вала
расширить шпонки ударами керна с последующей закалкой и шли-
фованием боковых сторон.
Внутренний диаметр бронзовой втулки (рис. 20.7, ж) можно
уменьшить с размера до d2 путем осадки, т. е. уменьшить ее вы-
соту при неизменном наружном диаметре. Осадку производят под
прессом. ' '
Применение того или иного метода ремонта диктуется техниче-
скими требованиями на деталь и обусловлено экономической целе-
сообразностью, зависит от конкретных условий на производстве, от
наличия необходимого оборудования и сроков ремонта.
Завершающим этапом ремонта металлорежущего оборудования
является его сборка, регулировка и испытание. Собирают станок из
сборочных единиц и механизмов, причем наиболее рациональным
является метод параллельной сборки нескольких сборочных единиц
станка группой слесарей, что значительно сокращает время простоя
оборудования в ремонте. Например, общую сборку токарного станка
целесообразно начать с установки каретки суппорта на восстанов-
ленные направляющие станины. Прикрепив к ней прижимные план-
ки, добиваются плавного перемещения каретки по направляющим.
429
После этого параллельно монтируют переднюю бабку, коробку подач,
фартук, ходовой винт и валы. Переднюю бабку необходимо устано-
вить так, чтобы ось шпинделя была параллельна направляющим ста-
нины. Контролируют это с помощью контрольной оправки, установ-
ленной в шпинделе, и индикатора, закрепленного на суппорте. Пе-
ремещая суппорт, наблюдают за отклонениями стрелки индикатора.
Проверку производят в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
При отклонениях выше нормы опорные поверхности подшабривают.
Выверяют также соосность осей ходового винта и отверстий, через
которые он проходит. Отклонение от соосности устраняют поста-
новкой накладок-компенсаторов на направляющие каретки либо
водшабриванием поверхностей. Аналогично поступают и с ходовым
валом.
После установки и выверки упомянутых сборочных единиц уста-
навливают главный электродвигатель и регулируют ременную пере-
дачу, монтируют двигатель быстрых перемещений суппорта, зали-
вают в резервуары коробки передач масло, устанавливают кожухи и
т. д. После этого можно включать станок и производить предвари-
тельную обкатку. Цель обкатки — выявить возможные дефекты
сборки и дать приработаться сопрягаемым поверхностям трения.
Обкатку вначале ведут на холостом ходу и на самых малых ско-
ростях, контролируя поступление масла к трущимся поверхностям.
Контролируют работу всех блокирующих устройств. Затем включают
все рабочие скорости вплоть до наибольшей. На максимальной ско-
рости станок должен работать не менее 1 ч без перерыва. Аналогичным
образом проверяют работу механизма подач. В процессе обкатки
контролируют избыточную температуру нагрева подшипников, ко-
торая в станках не должна быть выше окружающей более чем на
40—50'“С. Все механизмы должны работать плавно, без толчков и
вибраций. Безотказной должна быть и работа электрооборудования.
Не допускаются даже малейшие неисправности.
Под нагрузкой станок испытывают путем обработки деталей-об-
разцов на различных скоростях в соответствии с техническими дан-
ными паспорта станка. Испытание ведут с нагружением станка до
номинальной мощности привода, увеличивая глубину резания и по-
дачу. Допускается кратковременная перегрузка станка, но не более
чем на 25 % номинальной мощности. Все механизмы станка под на-
грузкой должны работать исправно и надежно.
Затем проверяют точность станка и шероховатость обработки
детали точением образца при определенных режимах резания. На
обработанных поверхностях не должно быть следов дробления, а
точность должна соответствовать техническим данным, указанным
в паспорте станка.
Приемку станка после капитального ремонта проводят по нор-
мам точности, установленным для приемки новых станков. Кроме
точностных проверок станок подвергается испытаниям на жесткость.
Для .этого нагружают шпиндель и суппорт определенной силой с по-
мощью динамометра и измеряют их деформации индикатором. При
несоответствии станка нормам жесткости производят регулировку
430
xogamxoug я дшзяи!<
шзбхпншптвс migoHDiiiBfi
? & Й ** Sjt 1 ийнИпадзо
s.’5 5 **§ оаоншзаи ондоношод
•5 S 8 DXMDUio imiognd пш
43 -зояиНшзад апнзьаиээдо
D3oncn nnhDa
- -нзииав tfj/g g^agodiua^
xnTnojfidnufizad эпиадэдд
дэявшзд
- вохтЛтыодогппн£Т104шэ1чд
nufsouhagoiffifg зтюэпнчдеу
(чыйомы пнидяшвв)
ввшвд^до азззйо4& д дз¥
—лш9д пшоонхйадои nnuiogodgn
HUKHiionh п godauoBd кпиэйзнся
чяЬвЕпшвыошдр п впввсяавхзу
ВЯЯЗЪВИЫИ
озонзэьпаоионхзш ага
оп»зяаит сад nTthsdauo
лоиоаьл2£шоиуэш волнам
-sgaduo ипнэуиоипд nj/g
dwwiuo anuatfgooouontitj '
впнэл
•DHEDH огонзэьпгованхэш
МЭПНЭНЭиСП О тн&яйэио
поюэьлгоиомхэш поннэи
-agaduo впизяноопд tn/g
ВЫОШЭ ЭЛНЭидВЗООЭПйЦ
ниамэйд ого-мчизт
-огоиоиэд зпнэ'тойхоэ
oudjasdg
огомнптои anHSfnotixDQ
(dg п х!чнчвзднпитп) nutooHhoui гмншэлмчдон дохпниптдои оидоношзд
(д шп xnDnuBugnd -ипн ‘хпппраПаи'хпиппг шнпвшпи д ) gado tnt вп пап nd шэр вид guiaged шор п дшэпоПшэР и/чн -nonnxaddox пданашзд
пхнпшз доисК пшэоишозж апнапнчдац
(anungednudagad •апиам/пиваш
‘дапши ‘ialfa J nnnangodufi
goHaado апнпдодии>нэпх1эдоэц
(if n nOBafi ‘ofvagadatafi an и
-wihouio) godaueod впнаприои
впппспшомшдв n вчтвепипхэу
довей ппн
aTnauadav мшэтлох
вопотааио^в п «пй&спнвхзц
hDQou ngawaodono t№H9honfn9^i
(яИюыжзиотдя n ивПест/охзу
леошад tmffavoadu
-oc/ttsouo^go л untiocnuBKau
gofevMtais в anted
-э ио ппппРшнаПиоу
; ПЬПдпШ ЗПНЭППиЗдц\~
xnHooad
niuoodoK) anuahnuagfi
= *
6
Э
Sr
e>
t
яа&ршад мчизодтчшодой
-go godsuood xiiuwagadu
unHadrunood wg алявшз
g tsnuandLion эмндпш
-}i fid шан on aiWhOwaDb
gnoodaun fiua
хпниадшэподззн впнан
-иоинд вид пиЬпнавдозои
-ondu DHHDU13 апнзтпонэо
лхсййг/чд п
пнсййгоо йппоспшпиошду
DHHDiiio nuiogod оинпп
" огот/оу вппрепшоиошду
вонпшэ
- он DHHDO30 оз паиошэд
nhogadaif вппоопшоиошду
3'jnnuin пн паипшад пншод
-ndgo пихпп впнпгпшпыошду
ончиэдшо xnfriowuiogod ‘доиношэ
xiiHii/oadagnufi n gouinuouign
. -ft 1/01/ 'gouiDuomgo-gouunuia
ЕП ППИП1/ ЭПХОЭЬПШйМОШду
£? Рис. 20.8. Основные направления модернизации станков
подшипников, подтягивание болтов, клиньев, планок и других дет
талей. При этом не должно быть перетяжки подшипников, так как
это повлечет их перегрев в работе, и не должна нарушаться плав-
ность перемещения узлов, а силы, необходимые для этого, не должны
превышать нормированных.
§ 6. МОДЕРНИЗАЦИЯ СТАНКОВ
При капитальном ремонте желательно осуществлять модерниза-
цию станков с учетом условий эксплуатации и последних достиже-
ний науки и техники. Под модернизацией станков понимают внесе-
ние в конструкцию частичных изменений и усовершенствований в це-
лях повышения их технического уровня до уровня современных мо-
делей аналогичного назначения (общетехническая модернизация)
или для решения конкретных технологических задач производства
путем приспособления оборудования к более качественному выпол-
нению определенного вида работ (технологическая модернизация).
В результате модернизации повышается производительность обо-
рудования, уменьшаются эксплуатационные расходы, снижается
брак, а в ряде случаев увеличивается длительность межремонтного
периода. Представление об основных направлениях модернизации
металлорежущих станков дает схема, приведенная на рис. 20.8.
Модернизация в целях сокращения машинного времени осуществ-
ляется путем повышения технических характеристик: увеличения
мощности привода, расширения диапазона скоростей резания и по-
дач. Это обычно сопровождается повышением жесткости и виброустой-
чивости отдельных узлов станка, повышением жесткости крепления
инструмента и т. д.
Модернизацию для сокращения вспомогательного времени прово-
дят по пути оснащения различными зажимными, загрузочно-разгру-
зочными устройствами, устройствами активного контроля размеров,
устройствами и механизмами для работы по программе и т. д.
Повышение точности модернизируемых станков получают в ре-
зультате повышения кинематической точности (усовершенствование
отсчетных устройств, корректирующих устройств и т. д.), геометри-
ческой точности (совершенствование конструкций опор шпинделей,
установка подшипников более высокой точности, повышение жестко-
сти узлов и т. д.), уменьшения температурных деформаций (приме-
нение циркуляционного смазывания, температурных компенсаторов
и т. д.).
Вместе с тем модернизацию оборудования целесообразно осуществ-
лять только при условии ее экономической эффективности. Прежде-
временная модернизация так же, как и запоздалая, наносит ущерб
производству.
РАЗДЕЛ 3
УПРАВЛЕНИЕ СТАНКАМИ
ГЛАВА 21
ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ»
КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
По своему использованию металлорежущие станки общего
назначения укрупненно можно разделить на станки, обрабатываю-
щие корпусные детали и детали типа тел вращения, а также выделить
еще своеобразную группу станков со сложной кинематической струк-
турой — станки для обработки поверхностей зубьев колес, червяков,
шлицевых валов, реек и других подобных деталей.
Каждый станок состоит из устройств, которые, взаимодействуя,
выполняют или способствуют выполнению той работы, для которой
предназначен данный станок, а именно работы, заданной програм-
мой обработки изделия. В каждой группе станочного оборудования
находится большое число разнообразных по своей конструкции и
компоновке станков, состоящих из еще большего числа исполни-
тельных устройств. Однако можно найти для них общие функцио-
нальные черты (это относится к шпиндельным бабкам, крестовым
салазкам, резцовым головкам и т. п.).
По назначению, характеристикам и принципам работы, а значит,
и по управлению можно выделить следующие группы исполнитель-
ных устройств.
1. Формообразующие устройства; рабочие органы станка связаны
с формообразованием изделий и процессами позиционирования, т. е.
передвигают заготовку (или инструмент) по программируемым коор-
динатам во время обработки или перед обработкой. Они образуют
либо простые движения (вращательные или поступательные), либо
при их совместной работе, сложные движения, как результат сум-
мирования простых. К этой же группе частично относятся некоторые
движения манипулирования, а именно те, которые обеспечивают по-
иск объекта при смене режущего инструмента или заготовки. Отли-
чительным свойством данной группы является то, что траекторию
и путь движения можно изменять в зависимости от вводимой про-
граммы.
2. Манипулирующие устройства предназначены для выполнения
постоянных команд, связанных с автоматическим циклом работы
оборудования. Они изменяют режимы резания, направления и ско-
рости перемещения механизмов станка, управляют охлаждением,
сменяют режущий инструмент или заготовку, закрепляют их (па-
троны, механизмы зажима), транспортируют и складируют и т. п.
Такие устройства имеют чаще всего неизменяемую (стационарную)
433
систему управления, однако момент ввода в действие и последователь-
ность их работы могут быть различными. Это определяется програм-
мой цикловой автоматики.
3. Вспомогательные (исполнительные устройства) обслуживают
процесс обработки, например, обеспечивают автоматическую уборку
отходов, смазывание станка, отсос тумана и пыли, работу гидро- и
пневмосистемы и др. Обычно они имеют автономную систему управле-
ния. Наиболее важными и сложными по своему управлению являются
первая и частично вторая группы устройств, и при дальнейшем рас-
смотрении наибольшее внимание будет уделено управлению именно
этими устройствами. Характерным для них является управление
траекторией движения, длиной пути и командами сложных циклов.
Позиционированием называют движения в заранее программируе-
мые точки (позиции), происходящие обычно без обработки (кроме
прямоугольного цикла обработки), т. е. все установочные и делитель-
ные движения, осуществляемые перед формообразованием, а также
движения манипулирующих устройств, сменяющих инструменты и
заготовки и выполняющие другие подобные действия.
Под автоматическим циклом работы станка, самостоятельного
станочного оборудования (например, магазина инструментов или
промышленного робота), участка станочных модулей или гибкого
автоматизированного производства понимают программируемую по-
следовательность движений основных органов станка, а также по-
следовательность всех действий, необходимых для нормального функ-
ционирования оборудования при изготовлении единицы продукции.
Стандартный (постоянный) цикл связан с работой определенного
инструмента и выбранной операцией обработки (например, сверле-
ние, нарезание резьбы метчиком и др.); обычно он является составной
частью общего цикла работы оборудования.
К прямоугольному циклу обработки относят позиционное управ-
ление, во время которого с помощью простых движений исполнитель-
ных устройств, действующих попеременно, происходит обработка
деталей (например, точение ступенчатых валиков или фрезерование
плоскостей по периметру заготовки). При этом в качестве программо-
носителей путевых команд используют либо упоры, либо это осуще-
ствляется с помощью числовой информации. В обоих случаях про-
граммируются лишь конечные точки пути, а все промежуточные поло-
жения траектории движения образуются копированием направляю-
щих исполнительных устройств. Цикловые команды определяются
стационарной релейной схемой управления или соответствующими
алгоритмами, вводимыми в действие числовой программой.
В расставленных определенным образом упорах (рис. 21.1) за-
ключена информация о размерах детали; примем эту информацию
за исходный или первый поток. Эти же упоры определяют получение
информации о фактическом положении исполнительных устройств
при их воздействии на различные датчики (в данном случае на конеч-
ные выключатели BKJ и ВК2). Тем самым обеспечивается появление
второго потока информаций, что определяет систему управления как
замкнутую. Цикл работы зависит от составленной заранее схемы
434
сведения. Единицей информации яв-
Рис. 21.1. Схема системы управления зам-
кнутого типа с механическим программо-
носителем
взаимодействия управляющей аппаратуры, воздействующей на дви-
гатели Ml и М2.
Замкнутые системы управления механического типа могут рабо-
тать не только в функции пути, пройденного исполнительным устрой-
ством. Распространены также системы, работающие в функции ско-
рости, температуры, времени и других изменяющихся в процессе
работы станка параметров.
В общем случае под информацией подразумевают различные со-
общения, несущие полезные
ляется 1 бит.
Алгоритмом обозначают
точное предписание, зада-
ющее процесс переработки
исходных данных в одно-
значный результат. Алго-
ритм управления — предпи-
сание о последовательности
выполнения операций управ-
ления.
Цикловым (программным)
управлением называют управ-
ление оборудованием, обла-
дающее возможностью опе-
ративного ввода цикловой
информации и ее перепро-
граммирования; цикловая ин-
формация задавалась обычно
с помощью коммутаторных
панелей, а размерная—меха-
ническим программоносителем (чаще всего с помощью упоров и ко-
нечных выключателей).
Любое формообразование на станках определяется прежде всего
направляющими (соответствующими координатам движения), по ко-
торым перемещаются основные и исполнительные устройства станка
с закрепленными на них режущими инструментами и заготовками
или с помощью которых происходит вращение инструментов (заго-
товок). Для сложного формообразования также необходимо учиты-
вать программируемые кинематические связи между участвующими
в формообразовании движениями.
Можно считать, что направляющие основных исполнительных
устройств (рабочих органов) несут внутреннюю часть передаваемой
станком информации о формообразовании детали, в то время как
настраиваемые кинематические связи характеризуют внешнюю ин-
формацию, зависящую от вводимой программы обработки, т. е. от
программоносителя.
При простом формообразовании и позиционировании движения
осуществляются поочередно или одновременно, но при этом кинема-
тически не взаимосвязаны. Так, обработка ступенчатого валика на
токарном станке по прямоугольному циклу происходит при поочеред-
435
ных движения^ продольной и поперечной кареток суппорта с одно-
временным, но не обязательно взаимосвязанным вращением заготовки.
Продольная подача на один оборот изделия в данном случае не яв-
ляется законом формообразования. Увязка этих движений необхо-
дима только для получения оптимальных режимов резания и задан-
ной шероховатости обрабатываемой поверхности. Точность формы
изготовления валика зависит от качества изготовления и монтажа
опор шпинделя изделия (его радиального и осевого биения) и точ-
ности изготовления продольных и поперечных направляющих суп-
порта (их перпендикулярности и параллельности оси центров станка).
Рис. 21.2. Формообразование сложной по-
верхности
отношений
органами
перемеща-
определяе-
При сложном движении
форма детали зависит от
формы направляющих (внут-
ренний поток информации) и
передаточных
между рабочими
станка, которые
ются на размеры,
мне командами управления
(внешний поток информации).
Можно утверждать, что
модель обработки образуется
из траекторий простых дви-
жений (неизменной для каж- j
дого станка пассивной инфор- d
мации), передаточных отно- 1
шений между перемещав- 3
мыми исполнительными уст- (
ройствами и путевых команд управления (ак тивной программируе- .1
мой информации). |
Позиционирование заготовок или инструментов обычно происхо- 1
дит не одновременно с процессом обработки, но точность вывода в за- а
программированную позицию определяется также параметрами на- |
правляющих и точностью останова. Запрещающая команда о вели- |
чине перемещения подается при достижении всеми устройствами за- ।
программированной точки. Перемещение заготовки или инстру- |
мента в рабочую позицию для последующей обработки, например, для .1
сверления очередного отверстия, можно осуществить как последова- 1
тельными движениями, участвующими в процессе позиционирова- Я
ния, так и одновременными, но кинематически не взаимосвязанными Я
движениями. Последнее делается лишь для сокращения времени I
позиционирования. Я
Рассмотрим произвольный профиль обрабатываемой поверхности Я
(рис. 21.2); предположим, что это плоский профиль или осевое сече- Я
ние детали типа тела вращения. Такой профиль может быть обрабо- Я
тан различным режущим инструментом: резцом / с точечной режу- Я
щей кромкой (если это тело вращения); цилиндрической фрезой 2 Я
с осью, расположенной перпендикулярно плоскости заготовки; Я
пальцевой фрезой 3 с осью, расположенной в плоскости заготовки, "я
436 1
или другим инструментом (профильный инструмент не рассматри-
ваем). Однако разнообразие вариантов обработки и возможность
использования различного инструмента могут быть получены ограни-
ченным числом формообразующих движений. Возможны лишь три
варианта: движение заготовки относительно неподвижного инстру-
мента, инструмента относительно заготовки и совместное их движе-
ние. Выбор варианта происходит при проектировании станка и влияет
на разработку его системы управления.
Рассмотрим движение инструмента относительно вращающейся
заготовки, как это происходит в обычных токарных станках, когда
резец закреплен на суппорте. Разложим траекторию сложного про-
филя обработки на составляющие так, чтобы они были направлены
вдоль направляющих. Рассматривая сложное формообразование,
его можно представить состоящим из простых движений, каждое по
своим направляющим (координатным перемещениям). Обработка
элемента сложной траектории (участок А—Б) произойдет при одно-
временном перемещении в продольном направлении на расстояние Sz
и поперечном на расстояние В общем случае пути, проходимые
за единицу времени, будут непрерывно изменяться в зависимости
от меняющегося профиля обработки. При этом способы изменения
кинематических передаточных отношений или методы суммирования
движений различаются в зависимости от применяемой системы уп-
равления. При нарезании резьбы резцом на токарном станке сумма
продольного движения резца и вращательного движения заготовки
составляет неизменную для каждой наладки величину. Она опреде-
ляется постоянным шагом резьбы, что позволяет использовать меха-
ническую систему управления, программируемую с помощью ше-
стеренчатых гитар и суммирующих движения механизмов. Точность
резьбы точно так же, как и точность обработки любого сложного кон-
тура, зависит не только от качества направляющих, но и от точности
передачи, участвующей в суммировании формообразующих движе-
ний. Системы управления сложным формообразованием называют
контурными (непрерывными или функциональными).
§ 2. ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Станок можно рассматривать как технологический комп-
лект механизмов, действующих автономно и связанных между собой
лишь управлением. При проектировании систем автоматического
управления в первую очередь решаются наиболее важные задачи
обработки, связанные с формообразованием и вопросами позицио-
нирования.
1. Управление траекторией при использовании простых движе-
ний в качестве внутреннего источника информации станка. Ре-
шается задача программирования взаимосвязи этих движений, соз-
дания и ввода внешней информации и воспроизведения сложного
движения путем суммирования простых движений.
2. Программирование и контроль перемещений основных рабочих
органов станка.
437
3. Задание и отработка исходных (основных и промежуточных)
положений рабочих органов станка.
4. Получение информации, корректирующей по каким-либо пара-
метрам исходную информацию управления.
Не менее важны задачи, связанные с выполнением цикловых
команд, таких, как:
программирование и осуществление оптимальной скорости дви-
Рис. 21.3. Кулачковая система упра-
вления
жения;
задание нужного направления и последовательности движений;
программирование и выполнение самостоятельных (в том числе
и стандартных) циклов работы оборудования.
При управлении оборудованием также имеют место и вспомога-
тельные задачи, например, включение и выключение отдельных меха-
низмов, выдержки времени, счет
чего-либо (времени или числа об-
работанных деталей). Рассмотрим
более подробно основные задачи
управления.
При управлении траекторией
движения используют форму на-
правляющих, которые являются
внутренним источником информа-
ции простого формообразования
для любого станка, а простая тра-
ектория движения (поступатель-
ного или вращательного) является
результатом копирования формы
направляющих. Вид источника движения и абсолютная величина
скорости не влияют на траекторию движения (это движение вклю-
чается во внешнюю кинематическую св-язь, не оказывающую влия-
ния на формообразование).
Простые движения определяет (при выборе управляемых коорди-
нат) при проектировании; они является неизменной частью получае-
мой на станке информации о траектории движения. Менять ее, не
переделывая станок, нельзя.
Сложная траектория движения образуется в результате сложения
нескольких простых движений и зависит от соотношения долей этих
слагаемых простых движений, от кинематической точности и пере-
даточного- отношения между складываемыми движениями. Последнее
является управляемой частью информации станка, так как про-
граммирование сложной траектории движения заключается в изме-
нении соотношения скоростей (точнее, путей, а не самих скоростей),
участвующих в формообразовании.
В кулачковых системах управления (рис. 21.3) в качестве про-
граммоносителя используются модели-аналоги обработки в виде за-
ранее запрограммированных профилей кулачков 1. Суммирование
или синхронизация движений происходят за счет установки и за-
крепления кулачков на общем распределительном валу РВ. При
вращении этого вала движения от рабочих профилей кулачков бара-
4Э8
банного и дискового типа через рычаг и толкатель 2 передаются на
исполнительные устройства 3, осуществляющие сложное формообра-
зование (в данном случае продольное движение заготовки и попереч-
ное — резва).
Кулачковые системы, являющиеся простейшими по схеме авто-
матики контурными системами (со сложным движением), относят
к незамкнутым системам управления механического типа из-за отсут-
ствия активного потока информации о фактическом местонахожде-
нии исполнительных устройств. Работоспособность системы опреде-
ляется применением в качестве программоносителей кулачков /
(рис. 21.4) с участками профиля а, б, в, г, моделирующими все движе-
ния рабочего органа 3, т. е. содержащими априорную информацию
Рис. 21.4. Управление с кулачковым приводом:
а — участок быстрого подвода суппорта; б — кривая рабочей подачи (спираль Артвмеда);
в — участок выстой; г — участок быстрого отвода
о величине перемещения. Такая система управления не нуждается
во втором потоке информации о фактическом положении рабочих
органов станка. Движение от дискового кулачка передается толка-
телем 2, который поджимается к рабочему профилю кулачка пружи-
ной 4 (силовая связь); при использовании кулачков барабанного
типа движение передается двусторонним профилем канавки (кинема-
тическая связь).
За один оборот распределительного вала совершается полный
цикл обработки. Изменяя профиль кулачков, можно получить лю-
бой закон изменения пути движения рабочих органов. Однако про-
филь должен учитывать как динамические свойства механизма пере-
дачи движения, так и возможное заклинивание толкателя (угол на-
клона профиля ограничивается углом трения толкателя и кулачка).
Учитываются также ограничения по скорости вращения кулачка.
Кулачок обеспечивает строго дозированные прямое и возвратное
перемещения, являясь одновременно программоносителем и тяговым
механизмом (частью привода). Он осуществляет не только управление
перемещением, но выполняет некоторые цикловые команды.
Профилирование (программирование) кулачков ведут по заранее
разработанным циклограммам обработки деталей, для чего полное
время обработки (один оборот распределительного вала) распреде-
ляют между отдельными элементами цикла, а кулачок разбивают на
100 частей (секторов) для токарных автоматов или на 360° для дру-
439
того оборудования. Размеры кулачков ограничиваются габаритами
станка, и поэтому величина хода рабочего органа при его перемещении
дисковым (плоским) кулачком не превышает 120—200 мм, а при ис-
пользовании кулачков барабанного типа — 300 мм. В определенных
пределах можно регулировать величину хода рабочего органа во
время наладки станка чаще всего за счет изменения длины плеч ры-
чагов, передающих движение от кулачка к исполнительному узлу.
Дисковые кулачки с силовой связью применяют в небольших
станках с малой массой суппорта во избежание сильных ударов,
происходящих при отводе рабочего органа. Угол подъема профиля
кулачка с кинематической связью на участках быстрого перемещения
рабочего органа из-за возможного заклинивания толкателя следует
выбирать в пределах 45—55°.
В зависимости от времени цикла обработки и сложности деталей,
требующих использования инструментальных револьверных голо-
вок, системы управления кулачковыми автоматами выполняют по
трем основным структурам.
1. С постоянной скоростью вращения распределительного вала;
доля времени вспомогательных ходов в цикле обработки является
постоянной. Структуру используют в простых автоматах для изго-
товления мелких и несложных деталей со временем цикла обработки
не более 20—30 с. Такая продолжительность цикла достигается вра-
щением распределительного вала с частотой не менее 1,5—2 мин-1.
2. С двумя частотами вращения распределительного вала (для’
рабочих подач и вспомогательных ходов). При увеличении времени
цикла обработки-продолжительность вспомогательных ходов возрас-
тает (уменьшить ее изменением угла наклона профиля кулачка
нельзя из-за возможного заклинивания толкателя), поэтому на участ-
ке профиля вспомогательных ходов делают ускоренное вращение
распределительного вала. Частота его ускоренного вращения в раз-
ных автоматах составляет от 6 до 30 мин-1. В приводе распредели-
тельного вала применяют обгонную муфту, позволяющую переда-
вать ускоренное вращение без выключения привода рабочей скорости
вала. Такую структуру используют, например, на токарных много-
шпиндельных автоматах с циклом обработки 20 с. Время вспомога-
тельных ходов в них постоянно и не зависит от настраиваемого вре-
мени цикла.
3. С двумя распределительными валами (основным и вспомога-
тельным). Если в течение цикла обработки необходимо неоднократное
включение какого-либо исполнительного устройства (например, ше-
стипозиционной револьверной головки), используют вспомогатель-
ный распределительный вал, включаемый от кулачка распределитель-
ного вала нужное число раз за время цикла. Выполнить необходимый
профиль кулачка для его установа на основном валу не представля-
ется возможным.
Чтобы не было кинематического рассогласования в работе двух
управляющих валов, выключение и включение вспомогательного
вала производится при одном и том же угловом положении вала
с помощью однооборотной муфты. Частота вращения вспомога-
440
тедьного вала достигает 300 мин-1. Структуру применяют для об-
работки сравнительно небольших деталей со сложной последова-
тельностью обработки. В этих автоматах одна часть вспомогательных
ходов (от кулачков основного распределительного вала) изменяется
пропорционально длительности рабочих ходов, вторая сохраняется
постоянной по времени для данного автомата.
Кулачковые системы с распределительным валом являются очень
надежными механическими системами с контурным управлением
(со сложным формообразованием); станки имеют жесткую конструк-
цию и обеспечивают высокую точность повторения размеров. Они
стабильно поддерживают постоянную во времени синхронизацию
цикла. Система управления широко распространена и сохранится
в дальнейшем в автоматах для
массового и крупносерийного про-
изводства относительно небольших
изделий типа тел вращения с устой-
чивой номенклатурой (так как
время переналадки кулачковых
автоматов значительно).
Другой системой контурного
управления механического типа
является копировальная система
(рис. 21.5), в которой копир можно
рассматривать как кулачок, раз-
вернутый на плоскость. Вместо Рис. 21.5. Копировальная система
распределительного вала применен управления
крестовый суппорт, обеспечиваю-
щий синхронизацию ведущего движения 5вед от гидроцилиндра 1
(при продольном движении каретки -2) со следящим движением 5СЛ
щупа 3, получаемым от копира 4 (движение поперечной каретки 5).
Резец 6 совершает одновременное (суммарное) движение в продоль-
ном и поперечном направлениях. В этой системе программоносителем
является профиль копира, а траектории простых движений определя-
ются направляющими суппорта (внутренним источником информации
станка). В копировальных системах управления отсутствует актив-
ный поток информации о фактическом положении исполнительного
устройства, поэтому их относят к системам управления незамкну-
того типа.
Описанную схему управления прямого действия используют ред-
ко. Для уменьшения сил, возникающих на копире и щупе, между
щупом и инструментом устанавливают усилитель (гидравлический
или электрический). Работоспособность любого усилителя со следящей
схемой действия обеспечивается наличием обратной связи. Однако
такая связь имеет лишь местное значение и не изменяет общего вида
незамкнутой копировальной системы управления станком; ее дей-
ствие ограничено только блоком усиления сигнала управления.
Недостатком копировальной системы управления является не-
зависимость ведущей и следящей подач, что приводит к различной
подаче вдоль контура и, значит, к неодинаковому качеству обрабаты-
441
ваемой поверхности. Для улучшения условии резания направляю-
щие поперечной каретки располагают под углом 60°, а иногда и
45°, но при этом ухудшаются условия обработки обратных конусов
и ступенек (для углов профиля детали ±30° рекомендуют сохранять
положение поперечной каретки под углом 90° к направлению движе-
ния продольной каретки). Можно использовать специальную схему,
обеспечивающую получение зависимых скоростей подач в продоль-
ном и поперечном направлениях.
На рис. 21.6 приведена схема тидрокопировалъной системы
управления с усилителем и устройством получения зависимых
подач. При продольном движении влево каретки суппорта от гидро-
цилиндра 1 щуп с гидрораспределителем начинает подниматься по
Рис. 21.6. Схема гидрокошфо-
вальиой системы с зависимыми
подачами:
7 — привод продольного переме-
щения ^ведущей подачи 5вед);
2 — автоматический гидрораспре-
делитель; J — привод поперечного
перемещения (следящей подачи
Sxjji); 5 — регулируемые дрос-
сели; 6 — следящий гидроволпт-
иик усилителя со щупом; 7 —
копир; 8 — обрабатываемая заго-
товка
профилю копира 7, открывая доступ масла в нижнюю полость ци-
линдра 3. Под давлением масла поршень цилиндра 3 начинает пере-
мещать поперечную каретку суппорта вместе с резцом вверх с пода- ]
чей '5СЛ. Шток поршня, жестко связанный с корпусом гидрораспреде- ;
лителя б, поднимает его, стараясь ликвидировать образовавшуюся \
щель для прохода масла между проточками распределителя и кор-
пуса. Эта жесткая обратная связь необходима при работе усилителя.
При этом растет давление масла, выходящего из цилиндра 3 и следя-
щего гидрораспределителя б (давление регулируется дросселем 5). j
Давление масла воздействует на золотник автоматического гидро-
распределителя 2, который,
опускаясь,
дросселирует масло на
ходе из цилиндра
поршня, т. е. $вед,
/, уменьшая тем самым скорость перемещения
которую можно дополнительно отрегулировать
дросселем 4. Устройство обеспечивает получение примерно постоян-
ной подачи вдоль контура заготовки 8 (подача 5вед изменяется;
в функции подачи 5СЛ). Настройкой. дросселей 4 и 5 добиваются
получения возможно большего постоянства результирующей по-
дачи вдоль контура обработки.
Часто в станках можно встретить сочетания различных систем
управления формообразованием и позиционированием. На токарном
станке с механической системой управления при объединении траек-
торий вращения заготовки с поступательным движением резца
может ‘быть обработана винтовая поверхность. При сложении двух?
вы-1
442
поступательных движений суппорта, (продольного и поперечного)
получается коническая поверхность на заготовке.. При совмещении
всех трех движений (трех потоков внутренней информации) образу-
ется профиль конической резьбы. При этом параметры детали (шаг
и размер конуса резьбы) зависят от передаточного отношения кине-
матических связей между участвующими в формообразовании ис-
полнительными устройствами.
Программоносителями размеров основной формообразующей ча-
сти управления являются шестеренчатые гитары шага и угла конуса,
в то время как другая часть управления, представлена программо-
носителем в виде упоров и конечных выключателей, а также ручного
установочного движения резца, определяющих недостающую раз-
мерную информацию процесса обработки (диаметр и длину).
При использовании системы числового, управления сложное дви-
жение (суммирование простых движений), осуществляет интерполя-
тор, который по вводимой программе может устанавливать любые
передаточные отношения между движениями.
Управление величиной пути движения в системах путевого управ-
ления осуществляется в процессе изготовления программоносителей,
например во время профилирования кулачков (определение участ-
ков подвода, отвода и рабочей подачи, см. рис.. 21.4); величина пере-
мещения толкателя соответствует подъему кривой кулачков или
копиров (в незамкнутых системах), а также расстановке вдоль пути
движения, упоров, воздействующих на путевые выключатели. Поло-
жение упора относительно выключателя определяется программой
обработки (первый поток информации.) и устанавливает длину пути.
Сигнал, подаваемый выключателем в конечной точке программиру-
емого пути при наезде на него упора, характеризует выполнение за-
данного программой перемещения^ это второй поток информации.
Более сложные системы управления, снабжают датчиками пути..
Датчики могут постоянно контролировать перемещение или поло-
жение рабочего органа и выдавать соответствующую информацию
непрерывно или дискретно.. Датчики характеризуются дискретностью
отработки, которая обычно соответствует величине перемещения
исполнительного устройства от одного сигнала-импульса управляю-
щей программы.. Датчики с непрерывным (аналоговым) сигналом,
чаще всего фазового типа (сельсины, вращающиеся трансформаторы
или резольверы и индуктосины), оцениваются, углом, поворота фазы
(это их гарантируемая чувствительность). Получают распространение
датчики, обеспечивающие точность и дискретность выше 1 мкм, со
шкалой, образуемой лазерным лучом..
Автоматическое управление при наличии потока информации
о фактическом поведении объекта,, исходящей от датчика, относится
к замкнутой системе управления. При этом в управляющей системе
происходит непрерывное сравнение сигналов программы с сигналами
датчика о фактическом положении рабочего органа. Принято считать,,
что такая система имеет полноценную обратную связь при условии
использования этой информации в качестве сигналов, корректирую-
щих процесс управления, т. е. когда система становится следят
443
щей. Такую систему управления применяют в большинстве станков
с ЧПУ со сложным формообразованием.
В системах позиционного типа активное сравнение сигналов про-
граммы и фактического положения обычно начинается ближе к концу
программируемого перемещения (например, на участке торможе-
ния) путем сопоставления двух потоков информации и выработки
окончательного сигнала в момент отработки перемещения.
В незамкнутых системах управления отсутствует поток информа-
ции о фактическом перемещении или положении. Благодаря приме-
нению специальных приводов дозированного перемещения с апри-
орной информацией о величине перемещения имеется возможность
достаточно точно отрабатывать задаваемый путь, устанавливая зара-
нее величину доз (дискрет) и программируя их количество. Приме-
рами механизмов с дозированным перемещением являются: храпо-
вые механизмы с регулированием числа захватываемых собачкой
зубьев, мальтийские механизмы с изменением числа срабатываний
водила или угла поворота креста, кулачковые приводы с различными
профилями кулачка и регулируемой величиной хода толкателя, ко-
пиры и, наконец, шаговые двигатели, отрабатывающие разное коли-
чество программируемых импульсов.
В некоторых случаях сложного формообразования (в механиче-
ских системах) контроль пути движения может происходить только
для одного исполнительного устройства, совершающего простое дви-
жение, и лишь в его запрограммированном конечном положении.
В замкнутых системах с ЧПУ со сложным формообразованием (с кон-
турным управлением) датчики выдают постоянную информацию
о положении всех рабочих органов, участвующих в формообразова-
нии.
Иногда исполнительные устройства осуществляют движения деле-
ния (например, при изготовлении многозаходных резьб и червяков),
являющиеся частным случаем позиционирования.
Программирование (управление) исходных положений может
осуществляться переставными или постоянными жесткими упорами,
положение которых обычно определяется конструкцией станка
(в частности, они могут располагаться на команд оаппара-
тах, кинематически связанных с движением исполнительного уст-
ройства). При этом устройство поджимается к упору под действием
привода (например, гидравлического) или привод каким-либо обра-
зом отключается (электродвигатель может выключаться с помощью
реле максимального тока). Для этих целей можно также исполь-
зовать те же конечные выключатели и датчики, что и для контроля
пути.
В некоторых случаях с помощью датчиков приходится програм-
мировать и отрабатывать несколько исходных положений для од-
ного и того же исполнительного устройства. Так, токарные станки
с ЧПУ имеют три исходных положения суппорта: положение инстру-
мента перед обработкой конкретной заготовки, исходное проме-
жуточное положение при смене инструмента и предельное (крайнее)
положение суппорта, определяемое характеристикой станка.
444
'^Управление исходным положением по принципу действия ничем
не отличается от управления длиной пути при простом формообразо-
вании или позиционировании.
Уже при использовании простейших систем управления меха-
нического типа наблюдается управление с вводом коррекции. Дей-
ствительно, все такие системы нуждаются в предварительной нала-
дке, когда по результатам пробных обработок вводят поправки (кор-
рекцию), часто отклонясь от теоретического программирования
размеров, не учитывающего особенности (точность) работы конкрет-
ного станка. При наладке автоматических станков вводят дополни-
тельную информацию, иногда отклоняющуюся от расчетных вели-
чин. Для этого уточняют положение упоров, изменяют плечи рычагов
толкателей в кулачковых механизмах или пригоняют копиры по
месту. Наладка учитывает возможные отжимы и перебеги, деформа-
цию отдельных звеньев механизмов станков под воздействием сил,
возникающих в процессе обработки, и изменения температуры, из-
нос инструмента, момент срабатывания конечных выключателей,
время запаздывания работы аппаратуры управления (например,
путем введения упреждающих сигналов) и другие отклонения от
идеальных условий работы оборудования.
Если станок имеет предельную технически выполнимую точность,
дальнейшее повышение ее может быть достигнуто путем использова-
ния дополнительных потоков информации, корректирующих основ-
ной поток управления (какое-либо из простых движений или про-
грамму). Например, при недостаточной точности передачи винт—
гайка иЛи значительном влиянии температуры на деформацию винта
можно применить механическую систему коррекции с дополнитель-
ными доворотами гайки от рычага, перемещающегося по коррекци-
онной линейке, располагаемой вдоль движения салазок. В более
совершенных системах управления, особенно при использовании
ЧПУ, вместо подачи постоянно действующих для данной наладки
станка корректирующих сигналов возможна организация изменяю-
щегося во времени процесса корректирования (адаптивное управ-
ление). Он может распространяться как на отдельные участки про-
граммы (кадры), так и зависеть от информации, поступающей от
разных датчиков (например, температуры), управляющих процес-
сом корректировки, т. е. процесс может приспосабливаться к пере-
менным условиям обработки по определенным критериям.
Во всех случаях управления происходит алгебраическое сумми-
рование программируемых и корректирующих движений с помощью
механических или электронных устройств. В последнем случае кор-
ректирующая информация может вводиться заранее в память или
вычисляться оперативно, вызываться командами управления и
суммироваться с программируемыми перемещениями; так, напри-
мер, осуществляется коррекция шага ходовых винтов или автомати-
ческая компенсация зазора в передачах при изменении направления
движения.
Управление скоростью движения не влияет на траекторию фор-
мообразования, а связано с технологическими требованиями (режи-
445
мами резания) я вопросами производительности оборудования. Про-
грамма вводится схемой коммутации управляющих аппаратов (с за-
ранее согласованным и неизменным порядком их действия) или изме-
нением частоты вращения вала многоскоростного приводного дви-
гателя, изменением частоты вращения распределительного вала ку-
лачков или заменой их профилей, регулированием скорости веду-
щего движения копира.
Наиболее часто используют бесступенчатое управление, в том
числе управление воздействием вводимой информации на регулируе-
мый или работающий в следящем режиме привод в станках с ЧПУ.
При этом можно проводить корректировку (адаптивное управление
режимами резания) или отрабатывать некоторые автоматические по-
стоянные циклы (например, разгон — торможение, подход к точке
позиционирования).
В настоящее время диапазон изменения скоростей движения
исполнительных устройств, работающих с постоянным крутящим
моментом, достигает величины 1 : 30 000 и, по-видимому, будет
расти. Для этого применяют электрические (тиристорные) приводы
с очень широким диапазоном регулирования скорости, снабженные
большим числом обратных связей. В приводах подач все большее
распространение получают высокомоментные двигатели постоянного
тока, которые соединяются непосредственно с ходовыми винтами без
дополнительной редукции или через одноступенчатую зубчатую
передачу, повышающую равномерность вращения винта при малых
частотах. Высокомоментные двигатели достаточно устойчиво могут
работать при частоте вращения менее I мин-1 и допускать 10-кратную
перегрузку по моменту при малых частотах вращения.
Отметим, что использование механических редукторов в при-
водах главного движения непрерывно сокращается, а сохраняющиеся
коробки передач упрощаются за счет уменьшения числа ступеней
механических передач и установки регулируемых двигателей.
Управление направлением и последовательностью движений,
самостоятельными циклами и вспомогательными командами. Направ-
ление и последовательность движений относятся к цикловым коман-
дам. В системах управления механического типа с контролем по
пути направление и последовательность движений программируются
как неизменяемая часть информации при разработке и монтаже
собственно схемы автоматики (электро-, гидро- или пневмоавтома-
тики), определяются профилем и направлением движения кулачка
или копира. Всякие изменения цикловых команд связаны с пере-
делкой схемы управления или изготовлением новых кулачков или
копиров.
При числовом управлении программа зависит от вводимой в сим-
волическом виде информации и поэтому может легко и быстро изме-
няться. В таких системах достаточно просто автоматизируются
отдельные элементы цикла, например, поиск кратчайшего расстояния
до сменяемого инструмента, находящегося в инструментальном ма-
газине (выбор направления его поворота), автоматический выбор
направления движения при позиционировании в зависимости от ин-
446
фармации, поступающей от программы и датчика пути.
' Системы числового управления могут фиксировать (запоминать)
цикловые команды с соответствующими алгоритмами управления,
которые в некоторых случаях можно перепрограммировать с помощью
изменения программного (математического) обеспечения, применяе-
мого в системах с мини-ЭВМ.
§ 3. ПРОГРАММОНОСИТЕЛИ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
С достаточно большой уверенностью можно полагать,
что с развитием систем автоматического проектирования (САПР)
в машиностроении источником информации об обработке для систем
числового управления станет не только графическое изображение
изделия, но и различные формы сообщений (записи) параметров де-
тали с помощью символов.
При ручном управлении рабочий, пользуясь исходной информа-
цией, по чертежу создает программу обработки и передает информа-
цию о необходимых действиях на соответствующие органы управле-
ния станка.
В станках с автоматическим управлением механического типа
на стадиях подготовки производства (в-инструментальных цехах)
и при наладке оборудования исходная информация преобразуется
в новый вид, пригодный для ее непосредственного восприятия стан-
ками. Программоносителями такой информации становятся различ-
ные аналоги перемещений: упоры и конечные выключатели, расставг
ленные на расстояниях, соответствующих размерам обработки, ку-
лачки, устанавливаемые на распределительный вал, или копиры
с профилями, обеспечивающими перемещения на точные величины,
т. е. информация о размерах обработки преобразуется в физическую
модель (аналог), которая копируется в процессе работы станка.
Такого рода программоносители называют механическими или ана-
логовыми.
Программоносителями могут являться различные по своей кон-
струкции командоаппараты. Для программирования пути перемеще-
ния их необходимо кинематически связывать с устройствами станка,
путь которых программируется. В тех случаях, когда командоаппа-
рат выполнен в виде коммутаторного пульта, он, снабженный спе-
циальной схемой управления, может быть использован для ввода
цикловой информации.
Своеобразно выглядит программоноситель в механических систе-
мах, когда программирование сложного формообразования осущест-
вляется в результате установления передаточного отношения кине-
матических связей между рабочими органами станка. Информация
о передаточных отношениях (программа) вводится с помощью на-
страиваемых гитар.
Другим способом преобразования исходной информации в вид,
доступный для управления станком, является перевод ее в символы
(кодирование) и создание при этом числовой модели обработки.
447
При использовании современных электронных систем управления |
оператор может вводить исходную информацию непосредственно 1
в память запоминающего устройства. В этом случае память стано- - ‘
сится программоносителем. Программа также может быть записана .
на внешнем программоносителе заранее. Такая информация считы-
вается и затем преобразуется в управляющие команды, воздейству-
ющие в заключение на различные исполнительные приводы объектов ]
управления.
Сопоставим информацию о перемещениях, извлекаемую из перво-
источника (например, чертежа) об обработке или считываемую с про-
граммоносителя, с информацией, поступающей от датчиков о факти-
ческих действиях (перемещениях), а в итоге о косвенных результа-
тах обработки готового изделия. В идеальном случае указанные два
потока информации -(прямой и обратный) должны полностью сов-
падать. В действительности этого не бывает, но величина рассогласо- ।
вания, от которой управляется следящий привод, при пересчете на я
перемещение должна укладываться в допуск, задаваемый на обра- fl
ботку.
В электронных системах имеется устройство управления, назна-
чение которого кроме интерполяции (если система контурная) ра- --
ботать с сигналами прямого и обратного потоков информации, ’
а именно заниматься чтением, запоминанием, передачей информации, j
различными вычислениями и управлением приводами. В незамкну- 1
тых системах назначение устройства управления ограничивается Я
переработкой прямого потока информации и выработкой сигналов, я
управляющих приводами дозированных перемещений (с априорной J
информацией о величине перемещения, связанной с подаваемым Я
числом импульсов); обычно это шаговые двигатели. I
Можно указать и другие потоки информации, перерабатываемые I
устройством управления, например, связанные с цикловыми коман- fl
дами, коррекцией и адаптивным управлением, цифровой индикацией I
перемещений и др. В системах управления могут быть также потоки fl
информации локального значения, не влияющие на общую структуру fl
управления, как, например, местная обратная связь в различных fl
усилителях приводов исполнительных устройств. fl
При использовании перфолент в качестве программоносителей Я
и выборе кодов для записи информации об обработке применяют
восьмидорожковую ленту шириной 25,4 мм (1 дюйм) и код ISO-7 bit, fl
в основу которого положена двоичная система счисления (1 бит fl
соответствует одной единице информации). В некоторых случаях fl
программоносителями могут быть магнитные ленты, гибкие магнит-fl
ные диски или блоки памяти с клавишным вводом информации, fl
Наличие сигнала записывается иа программоносителе пробивкой fl
отверстия, магнитным «штрихом» или состоянием ячейки памяти fl
и соответствует единице кодовой информации. Пропуск записи fl
соответствует нулю кодовой комбинации или отсутствию сигнала, fl
Минимальный объем информации, занимающий несколько попе- fl
речных строк на ленте (например, скорость, номер кадра или инфор-fl
мация, определяющая одно перемещение), составляет слово. Не-fl
448 fl
сколько слов, содержащих полную информацию любого законченного
технологического перехода (например, обработка участка детали
каким-либо инструментом с определенными режимами резания),
обозначается кадром. Условная запись структуры (длины сЛов)
и расположения слов в кадре управляющей программы с максималь-
ным числом слов устанавливается форматом кадра.
Для кодирования цифр, знаков и заглавных букв всего латин-
екого алфавита, а также признаков всех составляющих частей кода
ISO-7 bit использованы семь двоичных разрядов (7 бит): Запись
числовой части информации производится в двоично-десятичной
системе счисления (каждый разряд десятичного числа представлен
двоичным числом). Признаками записи чисел или букв являются
пробивки отверстий на 5, 6 и 7-й дорожках. При записи информации
на.ленту применяется адресный способ и запись производится уча-
стками переменной длины вдоль ленты — кадрами, при котором
числовому значению информации предшествует знак адреса, опреде-
ляющий принадлежность этой информации, соответствующей команде
управления. В каждом кадре программы записывается только та
информация, которая изменяется по отношению к предыдущему
кадру.
Для проверки правильности информации каждая строка ленты
(одна кодовая комбинация, располагаемая поперек ленты) автома-
тически и на многих стадиях передачи информации контролируется
на четность числа единиц (пробивок на ленте). Для контроля чет-
ности используется восьмая дорожка ленты, на которой в случае
«нечетной» кодовой комбинации автоматически пробивается допол-
нительное отверстие. Между третьей и четвертой дорожками при
перфорировании ленты пробиваются отверстия меньшего диаметра.
Эту дорожку называют транспортной или дорожкой синхросигнала
(тактирующей), обеспечивающего более четкое чтение информации.
В коде ISO даны следующие рекомендации по применению букв,
сокращенных слов и знаков: А, В или С — вращение вокруг осей X,
Y или Z или осей, параллельных им; F — подача; G — подгото-
вительная функция, определяющая режимы работы устройства
ЧПУ; I, J, К — начальные координаты (соответственно по осям X,
Y, Z) дуги окружности относительно ее центра; М — вспомогатель-
ная функция, осуществляющая специальные технологические
команды; N — номер кадра; Р, Q или R — функции перемещения
(третичного) или ускоренный ход параллельно осям X, Y или Z;
S — скорость главного движения; Т — номер инструмента; U, V
или W — функции перемещения (вторичного) параллельно осям X,
Y или Z; X, Y или Z — перемещения по осям X, Y или Z; —|— на-
правление перемещения; % — начало программы; (— отключение
управления (информация на ленте не воспринимается устройством
ЧПУ); ) — включение управления; NUL (пус) —- пусто, используют
для заполнения перфоленты; BS (ВШ) — возврат на шаг, вызывает
перемещение позиции печати текста на один шаг назад вдоль строки;
НТ (ГТ) — горизонтальная табуляция, перемещение позиции печати
к следующей позиции вдоль строки; LF (ПС) — конец кадра, пере-
15 П/р В. Э. Пуша 449
Рис. 21.7. Направления дви-
жений инструмента и заго-
товки
вод строки, перемещение позиции печати текста к следующей строке;
CR (ВК) — возврат каретки, возврат позиции печати к началу той
же строки; SP (пробел) — сдвиг каретки на шаг; DEL (ЗБ) — забой,
строка не читается.
Международная организация ISO также рекомендует выбор на-
правлений осей координат и поворотов вокруг них (рис. 21.7).
Соответствующие движения инструмента на станке обозначают бук-
вами X, Y, Z, А, В, С. При перемещении заготовки направления
изменяют на противоположные и обозначают буквами X', Y', Z',
А', В', С'. Ось X располагают всегда горизонтально, а ось Z сов-
вмещают с осью шпинделя.
Считанная с первоисточника информа-
ция по мере ее продвижения по каналам
связи и блокам устройства управления
претерпевает ряд превращений: считыва-
ние информации с чертежа и ввод ее опе-
ратором в блок записи программы; при
оперативных системах управления ввод
непосредственно в устройство управления
осуществляется в привычной для человека
десятичной системе счисления. Далее
используется чаще всего двоичная система
счисления, как наиболее экономичная для
записи в память и удобная при различ-
ных действиях с числами. Затем информа-
ция преобразуется в унитарный код, как наиболее простой для
управления двигателями.
Унитарный код представляет собой единичную систему счисления.
Он удобен тем, что любому числу, характеризующему перемещение,
соответствует эквивалентное число единичных сигналов (импульс-
ных посылок). Преобразование кодированной информации в уни-
тарный код обычно осуществляется интерполяторами.
Если управление приводами ведется непрерывным (аналоговым)
сигналом, например, напряжением, то дискретная (числовая) ин-
формация преобразуется в соответствующую форму сигнала, необ-
ходимую для управления. В зависимости от вида применяемого дат-
чика пути (дискретного или аналогового) форма информации, посту-
пающей от него, изменяется так, чтобы ее можно было сравнивать
с сигналами, поступающими от программы, или наоборот. Для этого
предназначены блоки-преобразователи «цифра—аналог» и «аналог-
цифра». Вся перекодировка сигналов совершается автоматически на
разных стадиях движения потоков информации управления.
§ 4. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКОГО ТИПА
Наиболее распространенными системами такого класса
> являются рефлексные системы, работающие с контролем по пути
(или с активным контролем) или другими меняющимися параметрами
450
{по скорости, времени, току, давлению, мощности), т. е. действующие
в функции технологической готовности. Это замкнутые системы
с потоком информации о фактическом состоянии исполнительных
устройств. Также большое распространение, но для сравнительно
мелких деталей типа тел вращения имеют кулачковые (незамкнутые
системы) с распределительным валом, синхронизирующим (суммиру-
ющим) движения узлов.
Кулачковые системы с распределительным валом являются са-
мыми надежными из систем механического типа. Копировальные си-
стемы получили распространение для обработки средних по размеру
деталей с плоским и объемным криволинейным профилем с управ-
лением по одной (вторая независимая), двум или трем координатам.
Системы применяют при автоматизации серийного производства.
Для повышения производительности иногда изготовляют станки,
обрабатывающие параллельно несколько одинаковых деталей от
общего программоносителя. Для сложных копировальных систем
наиболее важным звеном является усилитель сигнала управления,
от которого во многом зависит точность обработки. Недостатками
таких систем являются невысокая надежность, сложность и большая
трудоемкость изготовления программоносителя (копира).
Системы с контролем по пути имеют развитую автоматику, вы-
полняющую цикловые команды. Такие системы широко распростра-
нены среди агрегатных станков и автоматических механизмов с не-
изменяемым циклом работы (например, манипулирующие устрой-
ства). При разработке цикла пользуются циклограммой, являющейся
частью программы, на которой указывают во времени все моменты
изменения состояния системы управления и проставляют индексы
участвующих в работе аппаратов. Управление циклом кроме испол-
нения со стационарной схемой может быть построено как универсаль-
ное цикловое управление.
Системы управления с контролем по пути конструктивно доста-
точно просты, обеспечивают дистанционное управление и сравнитель-
но простую переналадку станка, могут иметь неограниченные по
расстоянию перемещения. Однако время переналадки значительное,
значит, и стоимость ее высока, усложнен контроль ввода информации
о величине перемещения (необходимы пробные обработки), а главное,
невозможно получение сложного формообразования. Обработка кри-
волинейных поверхностей невозможна, так как система управления
позиционная. (Отсутствие управления исполнительными устройст-
вами непосредственно в процессе их движения затрудняет синхрониза-
цию их работы.) Два потока информации увеличивают количество
управляющей аппаратуры, что может снизить надежность, а иногда
и точность. На точность обработки может влиять время срабатыва-
ния управляющей аппаратуры и свободный выбег исполнительного
устройства.
Для повышения точности практикуют снижение скорости испол-
нительного узла при его подходе к запрограммированной точке ос-
танова (обычно применяют при позиционировании, т. е. при уста-
новочных перемещениях). Применяют также снижение кинетической
15* 451
энергии движущихся масс и сокращение пути перемещения по инер-
ции исполнительных узлов, это достигается отсоединением от ис-
полнительного узла с помощью муфты ротора приводного двига-
теля, обладающего значительным маховым моментом, и торможением
исполнительного узла. Наибольшая точность установки может быть
достигнута при использовании жестких упоров, механически пре-
кращающих движение, например, такая схема: контроль по пут^,
а в конце хода движение до жесткого упора с затухающей скоростью
или движение к жесткому упору со сниженной скоростью (место
снижения скорости определяется контролем по пути) и отключение
привода при достижении упора с контролем по нагрузке.
В децентрализованных системах управления команды выдаются
последовательно по мере отработки программы движений исполни-
тельными устройствами, что обеспечивает большую надежность син-
хронизации такой системы управления.
Управление циклом при централизованной системе сосредоточи-
вается в командоаппарате, и приходится следить за синхронизацией
управления, которая может нарушаться при изменении скоростей
движения исполнительных узлов.
Общим сходством и недостатком всех разобранных систем управ-
ления, особенно если они предназначены для программирования тра-
екторий движения, позиционирования или управления циклом стан-
ка, является недостаточная их мобильность. Действительно, при из-
менении программы необходимо заново выполнить ее в виде физиче-
ской модели, для чего следует изготовить новые кулачок, шаблон,
копир, осуществить новую наладку станка, переставив упоры или
конечные выключатели, или изменить положение управляющих
элементов командоаппарата. Станки с такими системами иногда
недостаточно универсальны даже для серийного производства, если
речь идет о частой сменяемости объектов этого производства, где
при низкой мобильности оборудования будут наблюдаться еще
большие простои при переналадке. Поэтому необходимо уже на ста-
дии проектирования системы управления предусмотреть конструк-
тивные меры, повышающие не только степень автоматизации, но
и степень универсальности оборудования.
§ 5. ЧИСЛОВОЕ ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Как было отмечено, особенностью систем числового про-
граммного управления является то, что с помощью символов (зна-
ков, чисел и букв) в них создаются информационные потоки и стро-
ятся информационные модели. Эти модели характеризуют формообра-
зование и весь процесс обработки изделий на станках, а также воп-
росы позиционирования и организационного состояния любых объек-
тов производственного участка (промышленного робота, станочного
модуля, магазина инструментов, гибкого автоматизированного
участка и т. п.).Необходимая информация сосредотачивается и перера-
батывается в устройстве системы числового управления. Если раньше
устройства управления строились так, что переработка всей инфор-
452
мации производилась специализированными электронными блоками
с фиксированными взаимосвязями, т. е. аппаратным способом, то
теперь используют устройства, построенные по структуре ЭВМ.
Такую структуру характеризует универсальность блоков, про-
граммируемые связи и последовательное выполнение программным
путем всех необходимых операций. Для этого необходимо специаль-
ное программное (математическое) обеспечение, вводимое в устрой-
ство заранее в виде алгоритмов переработки поступающей информа-
ции об управлении объектами. Устройства управления такого рода
более универсальны, так как достаточно просто могут приспосабли-
ваться к различным функциональным изменениям только за счет
дополнений программного обеспечения или его замены.
В станках с ЧПУ можно выделить следующие основные части
информации.
1. Внешний поток, состоящий из исходных данных (размерных,
технологических и т. п.) и всех программируемых команд из числа
применяемых на данном оборудовании.
2. Внутреннюю для каждого устройства управления информацию,
содержащую заранее введенные в него алгоритмы (общие программы
управления данным оборудованием), например, способы преобразо-
вания и запоминания информации или поведение системы управления
при различном виде интерполяции, режимы автоматического раз-
гона — торможения исполнительных узлов или подхода к точке по-
зиционирования, выполнение каких-либо стандартных циклов об-
работки и др.
В зависимости от сложности (возможностей) устройства управле-
ния в него закладывается при проектировании и изготовлении или
вводится программным обеспечением различное число алгоритмов,
в том числе предусмотренных командами кода ISO-7 bit (главным
образом функциями G и М). Некоторые возможные режимы работы
устройства управления, задаваемые адресами G и М, приведены
в табл. 21.1 и 21.2.
3. Внутренний неизменяемый для данной модели станка или
оборудования пассивный поток формообразующей информации, пред-
ставляющий собой траекторию движений исполнительных устройств
по своим направляющим (простые движения).
4. Поток информации непосредственного управления, связываю-
щий устройство управления (чаще всего тиристорный преобразо-
ватель) с приводом каждого исполнительного устройства. (В станках
с ЧПУ движение любого исполнительного узла, участвующего в фор-
мообразовании, обеспечивается индивидуальным приводом.)
Для замкнутых систем характерен еще активный поток внутренней
информации, поступающей от датчиков пути, непрерывно контроли-
рующих положение исполнительных устройств. Эта информация
постоянно корректирует процесс управления позиционированием
и формообразованием, устраняя незначительные расхождения ме-
жду программой и ее исполнением.
Перечисленная информация необходима для автоматической ра-
боты оборудования по заданной программе,
453
к
21.1. Значения подготовительных функций G
Подгото- витель- ная функция Наименование Значение
G00 Позиционирование Перемещение на бь^тром ходу в заданную точку. Предварительно запрограммированная скорость, перемещения игнорируется, но не от- меняется. Перемещения по осям могут быть некоординирова иы
G01 1 Линейная интер- поляция Перемещение с запрограммированной ско- ростью по прямой от исходной точки к точке, заданной координатами в данном кадре
G02 Круговая интер- Вид контурного управления для получения
G03 поляция дуги окружности
G02 При . движении по часовой стрелке Круговая интерполяция, при которой дви- жение исполнительного органа направлено по часовой стрелке, если смотреть со стороны по- ложительного направления оси, перпендику- лярной к обрабатываемой поверхности
G03 При движении против часовой стрелки Круговая интерполяция, при которой движе- ние исполнительного органа направлено против часовой стрелки, если смотреть со стороны по- ложительного направления оси, перпендику- лярной к обрабатываемой поверхности
G04 Выдержка н отра- ботке на определен- ное время (пауза) Задержка в отработке программы на опреде- ленное время, заданное с пульта управления или от программы. Применяется без выполне- ния тех или иных операций, протекающих за известное время и ие требующих ответа о вы- полнении
G0S Приближенная интерполяция Вид контурного управления Для получения дуги параболы. Скорость перемещения по осям при образовании этой дуги изменяется устрой- ством управления
G08 Разгон Автоматическое увеличение скорости переме- щения до запрограммированной в начале дви- жения
G09 Торможение в кон- це кадра Автоматическое уменьшение скорости отно- сительно запрограммированной при приближе- нии к запрограммированной точке
От G17 до G19 Выбор плоскости Используется для задания плоскости таких функций, как круговая интерполяция, коррек- ция режущего инструмента п других (при не- обходимости)
G33 Нарезание резьбы с постоянным шагом Выбор режима работы на станке, предназна- ченном для нарезания резьбы
G34 Нарезание резьбы с увеличивающимся шагом То же
G35 Нарезание резьбы с уменьшающимся шагом »
G40 Отмена коррекции режущего инстру- мента Функция, которая отменяет любую коррек- цию инструмента
454
Продолжение табл. 21.1
Подгото- витель- ная функция Наименование Значение
G41 G42 G43 G44 От G45 до G52 От G54 до G59 G60 G61 G62 G63 G80 От G81 до G89 G90 1 G91 Коррекции ин- струмента — левая Коррекция ин- струмента — правая Коррекция ин- струмента — поло- жительная Коррекция ин- струмента — отрица- тельная Коррекция ин- струмента Линейный сдвиг Точное позицио- нирование 1 (высо- коточное) Точное позицио- нирование 2 (сред- нее) Быстрое позицио- нирование (грубое) Нарезание резьбы метчиком Отмена постоян- ного цикла Постоянные цик- лы Абсолютный раз- мер Размер в прира- щениях Коррекция на диаметр или радиус инстру- мента при контурном управлении. Использует- ся, когда инструмент находится слева от обра- батываемой поверхности, если смотреть от ре- жущего инструмента в направлении его движе- ния относительно изделия Коррекция на диаметр или радиус инстру- мента при контурном управлении. Использует- ся, когда инструмент находится справа от обра- батываемой поверхности, если смотреть от ре- жущего инструмента в направлении его движе- ния относительно изделия Используется для указания, что величину коррекции инструмента (предварительно уста- новленную на пульте управления) необходимо сложить с координатой, заданной в соответ- ствующем кадре или кадрах Используется для указания, что величину коррекции инструмента (предварительно уста- новленную на пульте управления) необходимо вычесть из координаты, заданной в соответ- ствующем кадре или кадрах Используется для указания, следует ли вы- честь (или сложить) величину коррекции ин- струмента (предварительно установленную на пульте управления) из заданной координаты (координат) соответствующего кадра (или кад- ров) или эта величина равна нулю Используется для выполнения коррекции на длину или положение инструмента на вели- чину, предварительно установленную на пуль- те управления или в памяти ЧПУ Используется для позиционирования в пре- делах одной или двух определенных зон допу- сков. Если необходимо, может применяться как признак подхода с одной стороны Используется для позиционирования в пре- делах увеличенной зоны Допуска в целях эко- номии времени Позиционирование с остановкой вращения шпинделя после достижения заданного поло- жения Функция, которая отменяет любой заданный цикл Значения функций G81—G89 приведены в [311 Отсчет перемещения производится от нуле- вой точки Отсчет перемещения производится относи- тельно предыдущей запрограммированной точки »
455
Продолжение табл. 21.1
Подгото- витель- ная функция Наименование Значение
G92 Установка абсо- лютных накопителей положения Используется для изменения состояния абсо- лютных накопителей положения. При этом движение исполнительных органов станка не происходит
G93 Скорость подачн в функции, обрат- ной времени Данные, следующие за адресом скорости по- дачи, равны обратной величине времени в ми- нутах
G96 Постоянная ско- рость резания Функция, указывающая, что число, следу- ющее за адресом в слове «скорость шпинделя», равцо скорости резания в метрах в минуту. Скорость шпинделя регулируется автоматиче- ски в целях поддержания постоянной (запро- граммированной) скорости резания
G97 Частота вращения (шпиндель) Отменяет G96
21.2. Значения вспомогательных функций М
Вспомо- гатель- ная функция Наименование Значение
моо Программируемый останов Останов без потери информации по оконча- нии отработки соответствующего кадра. После выполнения команд происходит останов шпин- деля, охлаждения, подачи. Работа по про- грамме возобновляется нажатием кнопки
М01 Останов с под- тверждением Функция аналогична МОО, но выполняется только прн предварительном подтверждении с пульта управления
М02 Конец программы Функция указывает на завершение отра- ботки программы детали и приводит к останову шпинделя, подачи и выключению охлаждения после выполнения всех команд в кадре. Исполь- зуется для приведения в исходное положение управляющего устройства и (или) исполнитель- ных органов станка. Возвращение в исходное положение может включать перемотку ленты до символа «начало программы» или протяги- вание ленты, склеенной в кольцо
МОЗ Вращение шпин- деля по часовой стрелке Включает шпиндель в направлении, при ко- тором винт с правой резьбой входит в заго- товку
М04 Вращение шпин- деля против часовой стрелки Включает шпиндель в направлении, при ко- тором винт с правой резьбой выходит из за- готовки
М05 Останов шпинделя Останов шпинделя наиболее эффективным способом, выключение охлаждения
456
Продолжение табл. 21.2
Вспомо- гатель- ная функция Наименование Значение
М06 Смена инструмен- та Команда на смену инструмента вручную или автоматически, не осуществляет поиск инстру- мента. Может автоматически отключить шпин- дель и охлаждение
М07 Включение охла- ждения 2 Включение охлаждения № 2 (например, мас- ляным туманом)
М08 Включение охла- ждения 1 Включение охлаждения № 1 (например, жид- костью)
М09 Отключение охла- ждения Отменяет М07, М08
М10 Зажим Относится к зажимным приспособленном по- движных органов станка
МП Разжим То же
М15 Перемещение + Используется при выборе направления бы-
М16 Перемещение — строго хода или подачи
М19 Останов шпинделя в заданной позиции Вызывает останов шпинделя при достиже- нии определенного угла поворота
МЗО Конец ленты Выключает шпиндель и охлаждение после выполнения всех команд в данном кадре. Используется для установки в исходное поло- жение управляющего устройства и (или) испол- нительных органов станка. Установка в исход- ное положение включает в себя перемотку лен- ты До символа «начало программы»; при записи на ленте нескольких программ управления — до символа «%%», протягивание лентн, склеен- ной в кольцо, или обращение ко второму счи- тывателю
М31 Отмена блокиров- ки Команда на временную отмену блокировки
М36 Диапазон подачи 1 Задание диапазона подачи путем переключе- ния кинематической связи
М37 Диапазон подачи 2 То же
М38 Диапазон оборо- тов шпинделя 1 Задание диапазона оборотов шпинделя путем переключения кинематической связи
М39 Диапазон оборо- тов шпинделя 2 То же
М55 Линейное смеще- ние инструмента в положение 1 Линейное смещение инструмента в положе- ние, определенное жесткими механическими нлн другими (Видами упоров
М56 Линейное смеще- ние инструмента в положение 2 То же
М60 Смена заготовки Смена заготовки
М61 Линейное смеще- ние заготовки в по- ложение 1 Линейное смещение заготовки в положение, определяемое электрическими, механическими или другими видами упоров
М62- Линейное смеще- ние заготовки в по- ложение 2 То же
457
Продолжение табл. 21.2
Вспомо- гатель- ная функция Наименование Значение
М71 М72 Угловое смещение заготовки в положе- ние 1 Угловое смещение заготовки в положе- ние 2 Угловое смещение заготовки в положение, определяемое электрическими, механическими или другими видами упоров То же
Своеобразна непрерывно изменяющаяся модель (картина) состоя-
ния запаса инструментов (или заготовок), участвующих, например,
в гибком автоматическом производстве. В ячейках памяти устрой-
ства управления постоянно сохраняется информация о местонахож-
дении каждого инструмента (заготовки) на данном автоматическом
производстве. По мере перемещения инструментов (заготовок) с ав-
томатического склада по конвейеру в магазин инструментов или
при подаче их на рабочие позиции (в шпиндели илн на каретки стан-
ков) в устройство управления поступают сигналы о новом место-
положении инструментов (заготовок); при этом состояния ячеек
памяти изменяются в соответствии с новыми положениями инстру-
мента (заготовок), т. е. картина непрерывно меняется, информаци-
онная модель организации производства участка является очень ди-
намичной.
Числовые системы управляются предписаниями (различными ин-
формационными моделями), задающими процесс переработки исход-
ной числовой информации по заранее определенным и вводимым
в устройство управления правилам — алгоритмам, а поэтому смена
информационной модели при изменении программы обработки не-
сложная и не требует большого времени. Станки с ЧПУ не только
широко автоматизированы, но и очень универсальны.
Так же как в других системах управления,'сложное формообра-
зование обеспечивается суммированием простых движений (источник
внутренней пассивной информации у них общий — это направляю-
щие исполнительных устройств), но суммирование осуществляется
не механизмами, а происходит в устройстве управления с помощью
специализированной ЭВМ, называемой интерполятором, который
одновременно преобразует кодированную программу в унитарный
код. Этот блок устройства управления предназначен для управлении
всеми исполнительными устройствами станка, обеспечивающими
суммарные или последовательно совместные мини-движения.
При интерполяции может быть использован любой закон измене-
ния сложной траектории движения узлов. Он устанавливается вво-
дом соответствующей информации-инструкции. Чтобы не усложнять
интерполятор, иногда его функции делят между универсальной ЭВМ
и линейным интерполятором; при этом ЭВМ определяет координаты
458
лишь отдельных промежуточных точек программируемого сложного
контура, а линейный интерполятор аппроксимирует участки между
точками и находит значения всех остальных точек, располагаемых
по линейному закону между промежуточными.
Величину перемещения от одного импульса программы (обычно
от одного сигнала унитарного кода) всегда приводят в технических
характеристиках станков с ЧПУ; ее .называют дискретностью зада-
ния перемещения. В современных устройствах управления наиболее
распространены линейно-круговые интерполяторы, при работе с ко-
торыми необходимо в программе обработки указывать тот или иной
способ интерполяции (функции G01 или G02; G03). При круговой ин-
терполяции аппроксимация производится дугами окружностей.
Принципы работы интерполяторов, т. е. способы создания модели
суммирования простых движений, различны. Рассмотрим в качестве
одного из возможных вариантов работу интерполятора по методу оце-
ночной функции: при задании информации (вводе очередного кадра
программы в устройство управления) в виде координат (обычно за-
данных приращениями) конечной для данного участка (кадра) точ-
ки интерполятор автоматически определяет положение всех точек,
по которым должны переместиться формообразующие рабочие ор-
ганы. Это происходит следующим образом: после передачи на при-
вод одного из исполнительных устройств сигнала от интерполятора
о перемещении на один импульс унитарного кода это устройство пере-
двигается на величину дискреты (в качестве средней величины можно
указать 0,01—0,005 мм), а интерполятор решает уравнение прямой,
дуги окружности или кривой более высокого порядка (что связано
с применяемым типом интерполяции), и в зависимости от полученного
результата следующий импульс поступит на то исполнительное
устройство, которое, перемещаясь, будет создавать суммарное дви-
жение, проходящее возможно ближе к траектории, заданной число-
вой моделью (формулой уравнения) сложного формообразования.
Например, при линейной интерполяции устройство управления
решает функцию, полученную из уравнения прямой: Ft = у^х —
— Xt&.y, где Xi и yt — текущие координаты точки траектории в им-
пульсах, Ах и Az/ — заданные в импульсах приращения коорди-
нат (перемещения в одном кадре программы). Алгоритм управления
построен так, что если в результате решения управления получается
нуль или положительная величина, т. е. функция положительна и
результат находится в области, расположенной выше теоретической
траектории сложного движения (или на ней), то подается сигнал (им-
пульс) в привод исполнительного устройства, осуществляющего
движение вдоль оси X. Если в результате решения уравнения (чис-
ловой модели) ответ будет получен с отрицательным знаком, то очеред-
ной сигнал поступает на привод устройства перемещения вдоль
оси Y. При таком последовательном способе суммирования движе-
ний возникающая погрешность не превышает величины, равной дис-
кретности задания перемещения.
То же можно сказать и о круговой интерполяции, когда в основу
модели формообразования положено уравнение окружности. В этом
459
случае решается функция Ft = х\ 4- у} — R\ где R — радиус
интерполируемой дуги, задаваемый координатами центра радиуса
относительно начала дуги.
Для исполнительных узлов, обладающих большим моментом инер-
ции, выгоднее взамен управления ими относительно мощным при-
водом от интерполятора синхронизировать суммируемые движения
с помощью датчика. Так, нарезание резьбы резцом на токарном станке
рациональнее осуществлять по схеме: привод шпинделя изделия не
управляется интерполятором, но шпиндель снабжается датчиком
вращения, синхронизирующие сигналы с которого в унитарном
коде поступают в электронный делитель импульсов устройства управ-
ления; коэффициент деления (передаточное отношение) делителя
программируется.
Сигналы, снимаемые с делителя, являются управляющими для
привода продольного движения суппорта. Такой способ суммирова-
ния простых движений носит название электронной гитары (в данном
случае шага резьбы). Программоносителем является величина пере-
даточного отношения, устанавливаемая с помощью 'делителя, кото-
рое при необходимости может изменяться во время обработки по
любому закону в целях получения, например,'резьбы с неравномер-
ным шагом, нарезания некруглых колес или каких-либо других
необычных форм.
В зависимости от назначения станков с ЧПУ их системы управ-
ления подразделяют на позиционные, обеспечивающие лишь простые
движения, и контурные (функциональные или непрерывные), дающие
возможность получения сложного формообразования. Из группы
станков с позиционными системами выделяют станки с программи-
рованием отдельных точек, когда обработка совершается после по-
зиционирования и иногда с фиксацией этого положения путем за-
крепления рабочего узла (примером являются сверлильные и рас-
точные станки), и станки с программированием отрезков прямых,
параллельных направляющим, а именно станки с прямоугольным
циклом обработки (например, фрезерные станки с прямоугольным об-
ходом заготовки при обработке).
Вторая группа станков отличается лишь технологией — обра-
ботка производится одновременно с отработкой программы, причем
конечные точки обрабатываемых участков определяются вводимой
(внешней) информацией, а остальные (промежуточные) точки траек-
тории — внутренней (пассивной) информацией, передаваемой формо-
образующими устройствами станка при их движении по направля-
ющим. В последнее время начали изготавливать универсальные
устройства управления, обеспечивающие как позиционирование, так
и контурную обработку. Замкнутые системы ЧПУ, как обеспечива-
ющие большую точность и надежность обработки программы, явля-
ются более распространенными. В них все шире используют в ка-
честве привода высокомоментные электродвигатели с тиристорными
преобразователями, работающие в следящих системах.
460
ГЛАВА 22
АППАРАТНЫЕ СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
§ 1. ПОДГОТОВКА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ
Управляющая программа представляет собой набор ука-
заний исполнительным органам станка, представленных в кодах
системы числового программного управления в последовательности,
соответствующей технологическому процессу обработки конкретной
детали. В состав управляющей программы входят указания о вели-
чине, направлении и скорости относительного перемещения режу-
щего инструмента и заготовки в каждый момент времени обработки,
а также все необходимые для реализации технологического про-
цесса специальные команды.
Качество, продолжительность и стоимость подготовки управляю-
щих программ во многом определяют эффективность применения ме-
таллорежущих станков с числовым программным управлением.
Поэтому практически с начала промышленного использования стан-
ков с ЧПУ развиваются автоматизированные методы их программи-
рования, которые по сравнению с подготовкой программ вручную
существенно сокращают продолжительность и трудоемкость этого
процесса одновременно со значительным повышением качества управ-
ляющих программ.
Содержание процесса подготовки управляющих программ, объем
и место работы технологов-программистов тесно связаны с разно-
видностями групп обрабатываемых деталей, технологическими осо-
бенностями металлорежущих станков, возможностями используемых
систем числового управления, а также с имеющимися комплектами
режущего и вспомогательного инструмента. Рациональным в усло-
виях эксплуатации станков с ЧПУ является разделение заготовок
на группы по общности конструктивно-технологических признаков,
габаритным размерам, видам, методам базирования и крепления
деталей на станках, числу управляемых координатных перемещений
при обработке и по ряду других признаков, что позволяет широко
использовать при подготовке программ типовые технологические
приемы, методы программирования и инструментальные наладки.
Для позиционных систем числового программного управления
станками программирование часто сводится к непосредственному
переносу информации с рабочего чертежа обрабатываемой детали и
из технологической карты либо на программоноситель, либо прямо
на панель управления станком. При этом обычно не требуется выпол-
нение каких-либо расчетов и даже преобразования исходной инфор-
мации, достаточно лишь представить в коде системы управления
подготовительные и вспомогательные функции. х.
Для контурных систем управления процесс подготовки управля-
ющих программ значительно сложнее. Приходится выполнять тру-
доемкие расчеты по определению координат точек сопряжения эле-
461
ментов обрабатываемого профиля и параметров его эквидистанты.
При обработке профилей, которые не реализуются интерполятором
системы управления, необходимо дополнительно решать задачи
аппроксимации (т. е. приближенной замены) заданных профилей
участками линий, реализуемых интерполятором. Построение экви-
дистанты профиля связано с тем, что программа обработки детали опи-
сывает относительное движение ее и определенной точки режущего
инструмента (центра инструмента). Для резцов — это центр дуги
окружности при вершине; для концевой фрезы со сферическим тор-
цом — центр полусферы; для концевой цилиндрической фрезы и
для электроэрозионной обработки — точка пересечения плоскости
детали с осью инструмента и т. д. Если параметры инструмента во
время обработки профиля детали остаются неизменными, траектория
перемещения центра инструмента является эквидистантой профиля.
В процессе программирования эта траектория определяется коорди-
натами опорных точек в местах пересечения или касания отдельных
геометрических элементов. Более подробное представление траекто-
рии, например, с интервалом до одной дискреты, осуществляется
интерполятором.
Наряду с особенностями программирования станков различных
технологических групп также оказывают влияние на методику под-
готовки управляющих программ возможности систем числового
программного управления. В качестве иллюстрации можно сопоста-
вить аппаратные системы управления и системы, построенные по
типу ЭВМ. Последние отличаются значительно более широкими
функциональными возможностями. Они могут выполнять с помощью
специального программно-математического обеспечения ряд функций,
которые недоступны аппаратным системам: составление управляющих
программ непосредственно у станка, их редактирование, повторение
частей программы, двусторонний обмен программами с библиотекой
в ЭВМ более высокого ранга и т. д.
Современные станки с числовым программным управлением раз-
личных технологических групп снабжаются специальными инстру- .
ментальными комплектами. Основными принципами этой оснастки :
являются типизация режущего и унификация вспомогательного
инструмента, что делает инструментальную оснастку универсальной i
и взаимозаменяемой. Неотъемлемой частью таких комплектов стал )
вспомогательный инструмент, состоящий из резцедержателей, раз- |
личных оправок, многоинструментальных головок. Вспомогатель-1
ный инструмент обеспечивает с помощью настроечных приборов пред-1
варительную настройку режущего инструмента на размеры, зало- I
женные в управляющих программах, а также фиксирует его на стан- |
ках с качеством, необходимым для полной реализации технологиче- j
ских возможностей станков. 1
Процесс подготовки управляющих программ для любого станка|
с ЧПУ означает составление серии команд, которые могут быть авто-1
магически выполнены системой управления при получении из за-.]
готовки нужной детали. Исходными документами при составлении!
программы являются рабочий чертеж детали и технологическая!
462 1
карта. Текст готовой программы либо записывается на программо-
носитель, либо вводится в систему числового управления с помощью
клавиатуры и переключателей на пульте управления.
Способ ввода программ в систему числового управления изменяет
только вид документа, на котором фиксируются результаты програм-
мирования, и не оказывает влияния на процесс подготовки программ,
который в обобщенной форме можно представить как последова-
тельность следующих этапов: 1) разработка технологического про-
цесса получения заготовки детали; 2) выбор станка с ЧПУ для об-
работки детали; 3) назначение способа установки и метода крепле-
ния заготовки на станке, определение настроечных размеров детали;
4) выбор инструментальной наладки; 5) разработка оптимизиро-
ванного варианта технологического маршрута обработки детали,
оценка технико-экономических показателей операций; 6) вычисление
траектории относительного движения всех используемых инстру-
ментов и детали; 7) назначение режимов резания; 8) формирование
подготовительных и вспомогательных команд, введение корректоров;
9) формирование фраз и всей управляющей программы, кодиро-
вание ее, запись на программоносителе, подготовка сопроводитель-
ной документации; 10) контроль и отладка управляющей про-
граммы.
Задачи, связанные с подготовкой управляющих программ, це-
лесообразно разделить на четыре группы. К первой группе, обычно
решаемой технологом, относятся задачи этапов 1—4, для которых
характерно многообразие непрерывно изменяющихся обстоятельств.
Так, для выбора станка с ЧПУ нужно иметь сведения на данный
момент времени о состоянии станочного парка на участке и его за-
грузке. Для выбора метода крепления заготовки необходимы сведе-
ния об установленных на станках приспособлениях, о наличии при-
способлений на складе, и только на основании этих сведений можно
определить оптимальный вариант их применения или необходимость
их проектирования.
Для остальных этапов подготовки управляющих программ харак-
терно широкое применение средств вычислительной техники. Эф-
фективность решения этих задач с помощью ЭВМ обусловлена огра-
ниченным объемом исходных данных, весьма сложными и трудоем-
кими вычислениями, возможностью формализовать алгоритмы ре-
шения. Ко второй группе задач относятся задачи этапов 5—7, вы-
полнение которых не связано с выходом на конкретный станок с ЧПУ.
Соответствующее программно-математическое обеспечение ЭВМ на-
зывают процессором. Третья группа задач охватывает задачи эта-
пов 8 и 9 по согласованию принятых процессором решений с воз-
можностями системы управления и станка; для их выполнения слу-
жит отдельная часть программно-математического обеспечения ЭВМ—
постпроцессор. Каждая модель станка с ЧПУ обслуживается своим
постпроцессором. К четвертой группе задач относятся контроль и
отладка подготовленных программ.
Обширна сфера использования ЭВМ в области технологической
подготовки машиностроительного производства, которая заключа-
463
ётся в разработке технологической и плановой документации, в под-
готовке управляющих программ для станков с ЧПУ, в проектирова-
нии и изготовлении оснастки, в организации рабочих мест и всего
производственного процесса. Роль автоматизации технологической
подготовки производства возрастает при широком внедрении обору-
дования с ЧПУ и особенно при переходе к непосредственному управ-
лению станочным оборудованием от ЭВМ. Важнейшей целью такой
автоматизации является снижение трудоемкости производства, улуч-
шение качества изделий, создание условий труда, сберегающих фи-
зические и интеллектуальные силы, человека. Таким образом, авто-
матизация подготовки управляющих программ для металлорежущих
станков с ЧПУ актуальна не только как самостоятельная проблема,
но и как составная часть более широкой проблемы создания и
эксплуатации систем технологической подготовки производства в
машиностроении с применением средств вычислительной техники.
Существует два направления автоматизации подготовки управля-
ющих программ, которые ориентированы на использование соот-
ветственно универсальных ЭВМ и специальных вычислительных
устройств. Первое из них — применение универсальных ЭВМ для
подготовки программ при наличии математического обеспечения —
системы автоматизированного программирования (САП). Первона-
чально такое математическое обеспечение позволяло вычислять на
ЭВМ координаты опорных точек обрабатываемых профилей, пара-
метры эквидистанты и выполнять аппроксимацию. Позже было пере-
дано на ЭВМ решение технологических задач, кодирование, форми-
рование и контроль программ. Отдельные пакеты математического
обеспечения были объединены в САП, предназначенные для различ-
ных групп станков с ЧПУ. Необходимость создания САП для каж-
дой технологической группы станков вызвана существенными раз-
личиями в алгоритмах разработки маршрутной технологии для то-
карных, фрезерных, расточных, шлифовальных, многооперационных
и других станков.
Известно большое число отечественных и зарубежных САП, ко-
торые различаются по технологическому назначению, объему воз-
ложенных на ЭВМ задач, типу используемых ЭВМ, языку задания
исходных данных, структуре. Во многих странах работы по созданию
САП проводились параллельно и почти одновременно, что также уве-
личивало их многообразие.
В качестве примеров отечественных систем автоматизированного
программирования можно назвать системы СПСТАУ для токарных
станков, САПЗМ, САП4, ГРАВЕР для фрезерных станков,
СПСКПА для расточных, станков, БЦСК для многоинструменталь-
ных станков. Наиболее известными из зарубежных являются системы
SYMAP (ГДР), IFAPT (Франция), GTL (Италия), 2CL (Англия),
APT (США), ЕХАРТ (ФРГ), FAPT (Япония). Несмотря на такое
многообразие САП, в настоящее время продолжаются работы по
созданию новых и совершенствованию уже освоенных систем. Это
связано прежде всего с развитием средств вычислительной техники,
разнообразием требований к САП, недостаточным уровнем автомати-
464 1
зации .подготовки программ, а также с появлением боле^..совер-
шенных станков с ЧПУ и гибких автоматизированных производств.
Математическое обеспечение САП строится, как правило, по
структуре .препроцессор — процессор — постпроцессор (рис. 22.1).
Препроцессор дешифрирует исходные данные с входного языка
САП на машинный и осуществляет контроль исходных данных. Про-
цессор служит для решения общих геометрических и технологических
Рис. 22.1. Структура математического обеспечения САП
задач подготовки управляющих программ, а постпроцессор необ-
ходим для окончательного формирования управляющей программы
и сопроводительной документации.
Исходные данные вводятся в ЭВМ на языке САП в виде последо-
вательности операторов, определяющих геометрию готовой детали и
заготовки, точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей,
материал детали. Каждый оператор является самостоятельным эта-
пом алгоритма, описывающего получение детали из заготовки. За-
пись операторов осуществляется либо в виде свободного текста, либо
в специальных бланках с использованием информации рабочего
чертежа детали и технологической карты без каких-либо расчетов и
465
перекодировок. Простота записи исходных данных — важнейшее
требование к любой САП.
В памяти ЭВМ хранятся в виде банка постоянной информации
данные о станках и системах числового управления, об унифициро-
ванных приспособлениях и режущем инструменте, об обрабатывае-
мых материалах, а также схемы размерной увязки различных групп
деталей с координатами станка и расположением исходной точки
обработки. ЭВМ осуществляет проектирование технологического
процесса обработки детали и выдает оптимизированный вариант
управляющей программы, ее распечатку в коде системы числового
управления и сопроводительную документацию с указаниями о спо-
собе установки и о схеме крепления детали, о расположении инстру-
мента в магазине, об операциях по наладке станка, об очередности
обработки поверхностей с межоперационными размерами, припу»
сками и допусками на обработку.
Подробная информация об относительных перемещениях режу-
щего инструмента и детали, основная часть технологических указа-
ний, режимы резания выдаются наиболее обширным пакетом про-
грамм САП (процессором). Вся эта информация выдается ЭВМ на
специальном внутреннем языке, отличающемся и от входного языка
САП, и от кода программы системы числового управления. Инфор-
мация с внутреннего языка преобразуется в соответствующий код
управляющей программы с помощью постпроцессора. На основе ре-
комендаций ISO разработан единый внутренний язык процессор—
постпроцессор, который обеспечивает возможность подключения
любого постпроцессора к различным процессорам, а также возмож-
ность независимой подготовки постпроцессоров организациями-
разработчиками станков с ЧПУ. Название внутреннего языка
CLDATA взято из;слов «cutter—location data», т. е. «данные о по-
следовательном положении инструмента». Постпроцессор выполняет
обычно следующие типовые функции: считывание данных на языке
CLDATA, подготовленных процессором; перевод их в систему коор-
динат станка, проверку по ограничениям станка и системы управле-
ния; формирование команд на перемещения, подготовительных и вспо-
могательных команд; формирование управляющей программы, вы-
дачу перфоленты, распечатки программы и сопроводительной до-
кументации.
Постпроцессоры — важная часть всей САП, хотя пакет программ
одного постпроцессора мал по сравнению с пакетом программ про-
цессора. Постпроцессоры бывают либо специального назначения для
определенной одной комбинации станок—система ЧПУ, либо уни-
версального назначения для нескольких станков. Общей тенденцией
современного станкостроения является повышение уровня стандарти-
зации в системах числового программного управления станками, что
приводит к соответствующей стабилизации как общей структуры,
так и содержания постпроцессоров. Если система ЧПУ используется
на станках различных моделей, на практике становится обычным на-
писание одного обобщенного постпроцессора, который составляется
из основного блока, применимого ко всем рассматриваемым
466
станкам, и набора модулей, определяющих специфические осо-
бенности каждого станка. Чтобы привязать новый станок к та-
кому постпроцессору, достаточно ввести новую подпрограмму-мо-
дуль.
Применение станков с числовым программным управлением и
средств вычислительной техники наиболее эффективно при создании
интегрированных (комплексных) систем, охватывающих автомати-
зацию управления всем потоком информации в машиностроитель-
ном производстве, включая проектирование, технологическую под-
готовку производства, изготовление и сборку изделий. Работы по
созданию подобных комплексных систем автоматизированного про-
ектирования и изготовления ведутся в нашей стране и за рубежом.
Объектами производства этих систем являются изделия, которые вы-
пускают в больших количествах, но каждое из них должно удовлет-
ворять требованиям заказчика: шпиндельные коробки агрегатных
станков, станочные приспособления, специальный режущий инстру-
мент, специальные подшипники качения, кулачковые механизмы для
станков-автоматов, штампы и пресс-формы и т. д. В комплексных
системах автоматизированного проектирования и изготовления ин-
формация, получаемая в ЭВМ при проектировании конструкции и
при разработке технологических процессов, преобразуется непо-
средственно в управляющую программу для оборудования с числовым
управлением, в результате чего полностью исключается работа тех-
нолога-программиста по подготовке управляющих программ. Рас-
смотренные САП, которые ориентированы на использование универ-
сальных ЭВМ, открывают широкие перспективы для реализации
комплексных систем и их отдельных частей.
Другое направление автоматизации подготовки управляющих
программ для станков с ЧПУ связано с использованием специаль-
ных вычислительных устройств — программаторов, в состав кото-
рых входят микроЭВМ, устройство ввода исходных данных, буквен-
но-цифровой или графический дисплей, перфоратор и устройство
управления. В отличие от универсальных ЭВМ, программаторы мо-
жно располагать непосредственно в цехе на участке станков с чи-
словым программным управлением, что существенно сокращает
затраты времени на подготовку и отладку управляющих программ.
Принципиальной особенностью математического обеспечения про-
грамматора является возможность его перестройки либо путем за-
мены микропрограммных блоков памяти, либо «перешивкой» этих
блоков, что позволяет сравнительно легко создавать любое число
различных модификаций программаторов, ориентированных на под-
готовку управляющих программ для отдельного станка или для груп-
пы однотипных станков.
Для успешной эксплуатации металлорежущих станков с ЧПУ
решающее значение имеет безошибочная работа всех звеньев, начи-
ная с процесса подготовки управляющих программ. В связи с этим
необходимо принимать меры к тому, чтобы не могли проходить коман-
ды программы, влекущие брак детали, поломку инструмента и даже
поломку станка. В устройствах передачи информации в виде дискрет-
' 467
ных символов обычно используют программные и аппаратные сред-
ства, позволяющие выявить ошибочные символы.
Простейшим примером использования специальных кодов с об-
наружением ошибок является контроль на четность: для увеличения
помехоустойчивости в коде ISO-7 bit предусматривается пробивка
отверстий на восьмой дорожке перфоленты таким образом, чтобы об-
щее число отверстий на каждой строке было четным; при считывании
информации это условие проверяется отдельной логической схемой,
и если оно не соблюдается, то ввсд программы автоматически пре-
кращается и выдается соответствующий сигнал на панель опера-
тора. Контроль на четность приводит к некоторой избыточности вво-
димой информации, однако он позволяет обнаружить до 70 % слу-
чайных ошибок. Существуют коды, позволяющие обнаружить двой-
ные ошибки в символе и автоматически их исправить. Для этого в
коды символов добавляются дополнительные «1» по определенной за-
кономерности. Увеличение надежности таких кодов осуществляется
также за счет избыточности информации, так как двоичный эквива-
лент символа получается большей длины, чем при его передаче без
контроля.
В системах числового программного управления станками нашли
место и другие методы увеличения надежности ввода и передачи ин-
формации, использующие как закономерности в составлении инфор-
мации, так и специальные тесты. Поскольку код ISO-7 bit использует
только часть буквенного алфавита, возможно автоматическое вы-
явление буквы, которая не входит в состав принятых в коде. Приме-
няют также подсчет цифр, следующих за каждым^адресом: если ко-
личество цифровых строк не соответствует принятому в коде, то вы-
рабатывается сигнал ошибки.
При подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ
наиболее распространены два вида ошибок. Основными источниками
ошибок первого вида (ошибочных символов) являются сбои перфора-
торов и считывающих устройств, дефекты перфоленты. Ошибки
второго вида (логические ошибки) имеют место в результате непра-
вильного задания исходных данных для САП или информации о пе-
ремещениях по координатам. Алгоритм контроля управляющих
программ (рис. 22.2) обеспечивает обнаружение и синтаксических, и
логических ошибок с выдачей сообщений о характере ошибок, их
местонахождении. В основе логического контроля программ лежит
особенность рабочих органов станков С ЧПУ возвращаться в исход-
ное положение после окончания обработки детали, в результате чего j
алгебраическая сумма приращений, задаваемых всей программой |
вдоль каждой координаты, всегда равна нулю. Если на станке воз- 1
можна смена инструмента в произвольной точке рабочего простран- <1
ства, то суммирование приращений вдоль каждой координаты про- 1
водится по всем инструментам, участвующим в обработке по контроли- 1
руемой программе. При смене инструмента в исходном положении]
рабочих органов станка целесообразно суммировать приращения |
вдоль каждой координаты для каждого инструмента в отдель-!
ности. I
468 I
Рис. 22.2. Алгоритм синтаксического и логического контроля управляющих про-
грамм:
JV — номер кадра; L — предельно допустимая длина кадра; I — номер инструмента; п —
число используемых инструментов; k — номер координаты; т — число координат; —
перемещение инструмента с номером i относительно детали по координате с номером k, за-
даваемое одним кадром
469
Эффективна также графическая и смысловая визуализация тек-
стов управляющих программ с помощью графических дисплеев или
чертежных автоматов. При этом программа представляется в виде,
удобном для анализа технологом-программистом: возможно контроль-
ное вычерчивание траектории относительного перемещения центра
инструмента и детали, вычерчивание окончательно получаемого кон-
тура детали, представление ее в аксонометрическом изображении
с вынесением видов по интересующим направлениям.
К заключительным этапам контроля управляющих программ от-
носятся проверка их непосредственно на станке при обработке в спе-
циальных контрольных режимах: покадровая отработка, реализация
автоматических циклов, отработка только геометрической или
только технологической информации и т. д.
Для большинства деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ,
характерна высокая сложность технологических процессов обработки
при повышенных требованиях к точности и шероховатости поверх-
ностей. В таких условиях практически невозможно подготовить
работоспособную управляющую программу без внесения в нее из-
менений на этапе отладки, который тесно взаимосвязан с этапами
контроля программы и исправления обнаруженных ошибок. Отладка
Программ предусматривает выполнение необходимых коррекций и
редактирования.
Коррекцией управляющей программы обычно называют внесение
числовых поправок на величины перемещений, размеры инструмен-
тов, погрешности технологических баз и кинематических цепей.
При этом состав и последовательность фраз программы остаются
без изменений.
Коррекции вносит станочник-оператор по результатам замеров,
полученных либо в процессе графического контроля программы,
либо в процессе пробной обработки на станке. В аппаратных устрой-
ствах числового управления величины числовых поправок устанав-
ливаются с помощью специальных переключателей корректоров на
панели управления. Каждая поправка относится к определенной
команде в программе. В системах числового управления, построен-
ных по типу ЭВМ, коррекция программы осуществляется внесением
программных корректоров, которые задаются с помощью функцио-
нальных клавиш и поля цифрового набора на панели управления
специальными командами ввода или удаления корректора. Каждая
числовая поправка вводится в свою ячейку оперативной памяти
(программный корректор) и далее используется для соответствующего
инструмента или перемещения при отработке программы. ;
Редактирование готовой управляющей программы связано с из- ’
менением отдельных слов, фраз, их последовательности, а также с уда-]
лением или вставкой слов и фраз. При редактировании программа!
рассматривается как текст, представляющий собой последователь-!
ность символов, который может подвергаться редакторской правке. I
Эта правка может выполняться либо с заранее подготовленным!
текстом (редакторским файлом), либо с составлением его во время]
редактирования в режиме диалога с ЭВМ. Поиск редактируемого]
470 |
файла, т. е. участка или символа программы, подлежащих изменению,
может проводиться в массиве программы по нужному адресу или по
идентификатору текста. Содержательное изменение программы мо-
жет осуществляться и на языке задания исходных данных системы
автоматизированного программирования. В этом случае технолог-
программист вводит в ЭВМ с помощью дисплея сообщение об измене-
ниях в составленных ранее исходных данных.
§ 2. УЗЛЫ АППАРАТНЫХ СИСТЕМ
При решении задач управлений конкретным станком си-
стема числового программного управления производит определенную
последовательность логических и арифметических операций, которая
составляет алгоритм работы системы. В аппаратных системах число-
вого программного управления алгоритм работы реализуется спе-
циальным построением электронных схем — функциональных уз-
лов, работающих параллельно в течение каждого цикла (рис. 22.3).
Такие системы выдают управляющие воздействия рабочим органам
станка в соответствии с программой управления, вводимой обычно
с помощью восьмидорожковой перфоленты. Рассмотрим функциони-
рование основных узлов контурных и позиционных аппаратных
систем числового управления.
Алгоритм функционирования контурной системы числового про-
граммного управления содержит следующие этапы преобразова-
ния информации управляющей программы: построчное непрерывное
чтение слов одного кадра (одной фразы) с остановкой фотосчитыва-
ющего устройства по команде «Конец кадра», контроль вводимой ин-
формации, ее дешифрация и размещение в буферной памяти; передача
информации в рабочую память после отработки предыдущего кадра
и заполнение буферной памяти информацией следующего кадра;
интерполяция с корректированием размеров и положения инстру-
мента; формирование и передача управляющих воздействий рабочим
и вспомогательным органам станка через узел связи с приводами
подач и узел связи с электроавтоматикой.
Фотосчитывающее устройство (ФСУ) предназначено для фор-
мирования последовательности электрических импульсов, соответ-
ствующих комбинации пробитых на каждой строке перфоленты от-
верстий. Импульсы от ведущей дорожки (синхродорожки) использу-
ются для синхронизации импульсов от кодовых дорожек. ФСУ имеет
лентопротяжный механизм, специальную осветительную лампу,
фокусирующую линзу и столик со сквозной щелью, за которой рас-
положена головка с фотоэлементами. Лентопротяжный механизм
обеспечивает продольное перемещение перфоленты относительно
фотоэлементов по команде от узла ввода управляющей программы-
Световой поток от осветительной лампы фокусируется в узкую
полоску, направленную на строку перфоленты, и каждой комбина-
ции отверстий строки соответствует комбинация освещенных фото-
элементов, на выходе которых появляются электрические импульсы
«1». Эти импульсы поступают в усилители считывания, которые слу-
жат для усиления и формирования импульсов синхронизации и
471
импульсов, считываемых с кодовых дорожек. Скорость считывания
информации с перфоленты в различных ФСУ составляет 200—
800 строк в секунду.
Рис. 22.3. Структурная схема аппаратной системы числового управления |
Узел ввода управляющей программы принимает усиленные и син-|
хронизированные импульсы от кодовых дорожек перфоленты. Этой
узел осуществляет контроль ввода программы, дешифровку адрес®
472 I
. -1
кадра и размещение цифровых кодов, пришедших с каждым адресом,
в определенных’ ячейках А, В, С, Т, М буферной памяти
(рис. 22.4). В некоторых системах числового управления узел ввода
преобразует вводимую информацию в двоичный код; если система
управления работает в двоично-десятичном коде, то такое преобра-
зование не требуется. Кроме того, узел ввода обеспечивает пуск и
остановку работы системы управления по программе, перемотку пер-
фоленты, остановку на выбранном кадре, покадровый, ручной и дру-
Рис. 22.5. Функциональная
схема ячейки буферной па-
мяти
Рис. 22.4. Функциональная схема вво-
да кадра управляющей программы
гие режимы ввода программы, вызов автоматических циклов, а так-
же связь с панелью ручного управления, имеющей оперативные
средства управления, поле ручного набора кадра и экран цифровой
индикации (алфавитно-цифровой дисплей).
Контроль ввода программы необходим для выявления ошибок,
внесенных при записи программы на перфоленту или допущенных
фотосчитывающим устройством. Обычно дешифратор адресов и спе-
циальная логическая схема контроля выполняют контроль струк-
туры слова, контроль на четность и контроль появления адреса, ко-
торый не входит в состав кода ISO-7 bit. Такой контроль ввода про-
граммы существенно повышает надежность передачи информации.
При обнаружении ошибки формируется сигнал «Ошибка ввода»,
который прекращает дальнейшую отработку программы.
Наличие в системе числового управления узла буферной памяти
(промежуточной) предотвращает перерывы в процессе работы при-
473
водов подач станка во время ввода в интерполятор очередного кадра
программы. Если очередной кадр программы вводить в интерполятор
непосредственно из фотосчитывающего устройства, то время чтения
и ввода кадра составляет около 0,1 с, что нарушает непрерывность
интерполирования. Время же ввода информации в интерполятор из
буферной памяти определяется только быстродействием электрод-
ных схем и поэтому настолько мало, что практически не ощущается
приводами подач.
Функциональная схема одной ячейки буферной памяти для хра-
нения информации в двоично-десятичном коде приведена на рис. 22.5.
Такая ячейка предназначена для хранения цифровых кодов, посту-
пивших с соответствующим адресом. Число ячеек в буферной памяти
определятся набором используемых в конкретной системе числового
управления адресов кода ISO-7 bit. Ячейка памяти состоит из че-
тырех регистров сдвига Р1, Р2, Р4, Р8, число разрядов которых
равно числу десятичных разрядов цифрового кода за соответствую-
щим адресом. Например, скорость подачи F17 имеет цифровой код,
задаваемый двумя десятичными разрядами, поэтому на перфоленте
за адресом F всегда расположены две строки, и каждый регистр
ячейки памяти адреса F — двухразрядный.
При чтении любого слова на перфоленте дешифратор адресов
(см. рис. 22.4) выделяет ячейку памяти, соответствующую расшифро-
ванному адресу (в данном случае адресу F), и устанавливает триг-
гер Т (см. рис. 22.5) в состояние «1». В результате этого импульсы
от кодовых дорожек могут записываться через открытые схемы И
в регистры. Импульсы от синхродорожки подаются на входы сдвига
регистров, и каждая новая строка перфоленты производит сдвиг
цифровых кодов в регистрах на один разряд. Следующий адрес кадра
устанавливает триггер Т в состояние 0. Введенная в ячейку памяти
адреса F информация хранится в ней до момента появления в после-
дующих кадрах нового кода с тем же адресом.
Узел корректирования (см. рис. 22.3) позволяет в процессе об-
работки на станке вводить по команде от управляющей программы,
корректирование либо относительного положения инструмента и за-
готовки, либо размеров инструмента, предусмотренных программой;/
Например, при токарных операциях, несмотря на предварительную^
настройку положения резцов в резцедержателях с помощью специаль-;
ного высокоточного приспособления, в процессе резания появляютсяj
отклонения положения центра инструмента от заданного программой,!
и необходимо корректирование положения инструмента, т. е. допол-1
нительное перемещение центра инструмента в точку, предусмотрен-!
ную программой. При фрезерных операциях обычно выполняется!
корректирование радиуса концевых цилиндрических (при плоской!
обработке) и шаровых (при объемной обработке) фрез, а также!
корректирование или полный расчет траектории движения центра!
инструмента, являющейся эквидистантой обрабатываемого контурм
детали. я
Необходимые величины корректирования оператор набирает ная
панели ручного управления переключателями-корректорами. Но<1
474 3
мера используемых в программе корректоров задаются с адресом L.
После ввода кадра, содержащего обращение к корректору, узел
ввода опрашивает соответствующий корректор. Узел корректиро-
вания преобразует десятичное число, установленное на корректоре,
в двоично-десятичное, осуществляет пересчет заданных программой
перемещений по координатам и передает результаты пересчета в бу-
ферную память. Вычислительный узел реализует алгоритм интерпо-
лирования с учетом выполненного пересчета.
При наличии возможности корректирования эквидистанты об-
рабатываемого контура детали радиус используемой фрезы может
отличаться от запрограммированного. Такая возможность может
быть реализована с помощью специальной электронной схемы кор-
ректирования эквидистанты, выполняющей алгоритмы корректи-
рования. Разность между диаметрами запрограммированной и ис-
пользуемой фрез со знаком оператор набирает переключателями на
панели ручного управления. В результате пересчета, выполняемого
схемой корректирования эквидистанты, центр фрезы будет переме-
щаться не по заложенной в программе эквидистантной траектории,
а по скорректированной. Некоторые аппаратные системы числового
управления позволяют задавать переключателями на панели управ-
ления весь радиус фрезы. Тогда при программировании полностью
упраздняется этап построения эквидистанты обрабатываемого про-
филя, который реализуется в этом случае автоматически узлом кор-
ректирования по соответствующим алгоритмам.
В контурных системах числового ' программного управления
специализированный вычислительный узел выполняет следующие
основные функции: интерполяцию, задание скорости подач и под-
держание постоянной контурной скорости. Интерполятор является
важнейшим узлом всей системы числового управления, остальные
ее узлы подготавливают для интерполятора информацию и преобра-
зуют выдаваемые интерполятором электрические импульсы в сиг-
налы управления приводами подач станка. Интерполятор за время
отработки одного кадра выдает по управляемым координатам опре-
деленное программой число импульсов. Другими словами, любой
интерполятор интерполирует и обеспечивает взаимосвязь переме-
щений по координатам. На каждый импульс интерполятора привод
соответствующей координаты осуществляет перемещение рабочего
органа станка на величину одной дискреты. Для большинства станков
дискретность равна 0,01 мм/импульс или 0,005 мм/импульс.
Исходная информация для контурных систем числового программ-
ного управления задается по чертежу детали только для конечного
числа опорных точек на ее поверхности. Однако для осуществления
на станке процесса формообразования необходимо, чтобы в каждый
момент времени обеспечивалось согласованное движение рабочих
органов станка по двум или большему числу координат, т. е. электри-
ческие импульсы на приводы должны поступать непрерывно в соот-
ветствии с требуемым законом движения. С помощью интерполятора
заданный контур между опорными точками аппроксимируется от-
резками прямых линий, дугами окружности, параболами, кривыми
475
второго порядка в общем виде, полиномами второго—четвертого
порядков и т. д. Использование интерполяторов второго порядка
сокращает объем расчетов при подготовке управляющих программ,
увеличивает точность и чистоту обработки поверхностей. Унитарный
код (последовательность импульсов) с выходов интерполятора пода-
ется при дискретном приводе подач на электронные коммутаторы,
а при следящем приводе — на узел согласующего преобразователя.
Наибольшее применение находят линейно-круговые двух- и трех-
координатные интерполяторы, так как большинство машинострои-
тельных деталей содержат контуры, составленные из прямолинейных
цифрового интегратора с параллельным (а)
Рис. 22.6. Функциональная схема
И последовательным (б) переносом
и круговых участков. При программировании более сложных криво-
линейных участков контуров, в том числе точечно-заданных конту-
ров, обычно используется линейное или круговое аппроксимирова-
ние. Линейно-круговые интерполяторы реализуют алгоритм решения
либо дифференциальных, либо алгебраических уравнений прямой
линии и окружности.
Дифференциальные уравнения прямой линии и окружности реша-
ются методом интегрирования с помощью цифровых дифференциаль-
ных анализаторов. Обычно система дифференциальных уравнений
приводится к виду, при котором выполняются только операции
суммирования и умножения, что позволяет решать уравнения с ис-
пользованием цифровых интеграторов и сумматоров. Сочетание не-
скольких интеграторов обеспечивает решение задачи интерполяции
отрезка прямой и окружности, произвольно расположенных в про-
странстве. Объемная линейная и плоскостная круговая интерполя-
ции могут выполняться любой схемой, которая имеет устройство
логического переключения, управляемое с помощью G-функций.
Трехкоординатная интерполяция окружности является частным слу-
чаем объемной сферической интерполяции.
. Цифровые интеграторы могут быть построены по схеме параллель-
ного или последовательного переноса (рис. 22.6, а). В регистр вво-
дится число ДХ, характеризующее конкретное значение интегрируе-
мой функции. Это число может быть передано в сумматор через эле-
менты «И», управляемые генератором импульсов, которые представ-
ляют собой приращения независимой переменной tt. При подаче
476 7
каждого импульса содержимое регистра суммируется с числом, на-
ходящимся в этот момент в сумматоре. Частота выходных импульсов
переполнения сумматора Xt пропорциональна числу, находящемуся
в регистре. При полностью заполненном регистре частота выходных
импульсов равна частоте импульсов генератора. Если в процессе
подачи импульсов генератора число в регистре будет изменяться в со-
ответствии с заданной функцией, то будет осуществляться интегри-
рование этой функции. Для изменения значений входной функции
регистр обычно выполняется в виде реверсивного счетчика, на вход
которого подаются приращения АХ.
В цифровом интеграторе с последовательным переносом
(рис. 22.6, б), который часто называют двоичным умножителем, им-
пульсы ti поступают на делитель; после первой ячейки делителя ча-
стота импульсов уменьшается в 2 раза, после второй — в 4 раза,
после третьей — в 8 раз, после четвертой — в 16 раз. Сигналы с вы-
хода каждой ячейки делителя поступают через элементы «И» на схему
объединения. Элементы «И» открываются теми разрядами регистра,
в которых записаны «1». На выходе интегратора частота следования
импульсов пропорциональна числу, находящемуся в регистре. Так
же как и в предыдущем случае, для интегрирования переменной
функции регистр нужно выполнить в виде реверсивного счетчика.
Алгебраические уравнения прямой линии и окружности исполь-
зуются в линейно-круговых интерполяторах, реализующих интер-
поляцию методом оценочной функции. Если интерполируемые пря-
мая линия или окружность представлены в виде F (X, Y) = О,
то они делят координатную плоскость на две области: для одной
области F (X, Y) > 0, а для другой F (X, Y) < 0. При линейной
двухкоординатной интерполяции оценочная функция имеет вид
F (X, У) = X - Y,
Лк
где X, У — текущие значения координат,; Хк, Ук — координаты
точки конца прямолинейного отрезка при расположении точки на-
чала отрезка в начале координат.
При линейной интерполяции с раздельными шагами по коорди-
натам знак оценочной функции в предыдущем шаге определяет пере-
мещение на одну дискрету по одной из координат таким образом,
чтобы в следующем шаге текущие значения координат приближа-
лись к точкам, расположенным на заданном прямолинейном отрезке.
Если F (X, У) 0, то перемещение на одну дискрету выдается по
координате X, если F (X, У) < 0, то следующий шаг осуществляется
по координате У. Этот процесс реализует схема интерполятора с ча-
стотой импульсов, определяемой блоком задания скорости, до тех
пор, пока траектория интерполяции не достигнет конца интерполи-
руемого отрезка.Один цикл алгоритма работы интерполятора состав-
ляют: выдача импульса на привод одной из координат в зависимости
от знака оценочной функции в предыдущей точке траектории, вы-
числение координат новой точки, в которую выполнен шаг, вычисле-
ние величины оценочной функции со знаком в новой точке, сравнение
477
координат новой и конечной точек отрезка для установления окон-
чания интерполяции в пределах отрабатываемого кадра.
Лучшее приближение к заданной траектории отработки дает ин-
терполяция по методу оценочной функции с прогнозирующими
шагами. При этом методе импульсы (шаги) на привод отстают от
прогнозирующих шагов на один цикл расчетов: знак оценочной
функции, полученной в результате прогнозирующего шага, опреде-
ляет шаг перемещения приводов. Если для прогнозирующего шага
F (X, V) > 0, то дается шаг по координате X, если F (X, Y) < О,
то даются одновременно шаги по координатам X и Y.
Для круговой двухкоординатной интерполяции оценочная функ-
ция имеет вид
F (X, У) = X2 + Y2 — R2,
где X, Y — текущие значения координат при расположении центра
окружности в начале координат; £ — радиус окружности.
Алгоритмы круговой интерполяции как с раздельными шагами по
координатам, так и с прогнозирующими шагами построены по ана-
логичным, рассмотренным выше для линейной интерполяции цик-
лам. Принципиальное различие заключается лишь в реализуемых
алгебраических выражениях для подсчета текущих значений коорди-
нат и оценочной функции. Кроме того, алгоритм круговой интерпо-
ляции модифицируется для каждого из четырех квадрантов с учетом
направления движения по окружности.
Трехкоординатные линейно-круговые интерполяторы, исполь-
зующие метод оценочной функции, осуществляют линейную интер-
поляцию одновременно по трем координатам X, У, Z, а круговую
интерполяцию —в одной из трех плоскостей обработки ХУ, XZ,
KZ, назначаемых в программе. При линейной интерполяции автома-
тически выбирается в кадре ведущая координата с наибольшей вели-
чиной перемещения, относительно которой проводится интерполя-
ция по двум другим координатам. Алгоритм вычислений использует
проекции интерполируемого прямолинейного отрезка на координат-.
ные плоскости. Импульс на привод ведущей координаты выдается '
в каждом расчетном цикле, а импульсы на ведомые координаты —*
в зависимости от знака оценочной функции прогнозирующих шагов.
Более сложные математические, алгоритмические и аппаратные j
задачи интерполяции возникают при возрастании числа одновре-
менно управляемых координат свыше трех, а также при управлении-*
приводами подач в неортогональной системе координат. В таких;
случаях общей тенденцией является переход от аппаратной реализа-j
ции алгоритмов интерполяции к программной в системах числового^
управления, построенных по типу ЭВМ.
Непрерывное перемещение режущего инструмента относительно’
обрабатываемой заготовки по заданной траектории связано с требо-J
ванием автоматического управления контурной скоростью. Решенш ‘
этой задачи при многокоординатном управлении сводится к установ-
лению такого соотношения между координатными составляющим)
вектора скорости, чтобы он сохранял заданное значение независим»
478
от направления. Характер технологического процесса обработки,
уровень автоматизации ввода и переработки исходной информации,
необходимая точность управления обусловливают возможность и це-
лесообразность выполнения задачи управления контурной скоростью
либо на этапе подготовки программы, либо устройством управления;
применяют также и комбинированный вариант. Современные сред-
ства автоматизации программирования позволяют вносить изменения
величины контурной скорости в соответствующих кадрах программы.
При выполнении интерполятора на основе цифрового дифферен-
циального анализатора обеспечивается постоянство контурной ско-
рости подачи независимо от числа одновременно управляемых коор-
динат. При интерполяции методом оценочной функции контурная
скорость изменяется при переходе от одной координаты к двум и
трем координатам соответственно в отношении 1 '.у^и 1:^3, поэтому
для обеспечения ее постоянства необходимо специальное дополни-
тельное устройство. К традиционным методам автоматического под-
держания контурной скорости, которые используются в интерполя-
торах, работающих в прямоугольной системе координат, относятся
метод определения угла наклона интерполируемого участка и метод
шага. В первом случае реализуется функциональная зависимость
между частотой импульсов, вырабатываемых генератором задания
скорости, и углом наклона интерполируемого участка (или каса-
тельной к нему) к направлению ведущей координаты. Поддержание
постоянства контурной скорости осуществляется за счет регулиро-
вания частоты импульсов генератора. Второй случай характери-
зуется тем, что период времени на выдачу очередного импульса на
привод увеличивается в отношении 1 : у^2 или 1 : у^3 при наличии
командных импульсов выполнения обработки по двум или трем
координатам, что соответствует уменьшению мгновенной частоты
импульсов.
Общим исходным условием выполнения многих технологических
процессов обработки является необходимость поддержания задан-
ного углового положения инструмента относительно нормали к кон-
туру или поверхности обработки. Это относится, например, к торцо-
вому контурному фрезерованию и шлифованию, к обработке линей-
чатых поверхностей, рисунков протектора на шинных пресс-формах
и т. д. При обработке в полярной системе координат
а = arctg , р = /X2 4- У2.
В модификации метода оценочной функции для реализации ука-
занных зависимостей в качестве величины, пропорциональной поляр-
ному углу а, принимается текущее значение длины дуги интерпо-
лируемой кривой. Это значение определяется таким образом, чтобы
площадь кругового сектора была меньше площади ломаного, по-
строенного на ломаной линии предыдущих шагов интерполяции.
Преимущество алгоритма подсчета площадей заключается в том, что
вычисление тригонометрических зависимостей заменяется опера-
циями алгебраического сложения.
47Э
Задание погерхности в виде дискретного точечного каркаса яв-
ляется достаточно универсальным. При подготовке управляющих
программ обработки таких поверхностей на станках с ЧПУ исполь-
зуют различные методы интерполяции как кривых линий на поверх-
ностях, так и целых участков поверхностей. Такие методы интерпо-
ляции используют и при построении алгоритмов систем автоматизи-
рованного проектирования фасонных поверхностей с применением
ЭВМ. Разработано много методов интерполяции сложных поверхно-
стей, каждый из которых, однако, не обладает достаточной универ-
сальностью. В качестве примера можно привести интерполирование
точечно-заданных кривых методом сплайн-функций. При вычерчива-
нии по точкам на плазе теоретических обводов летательных аппара-
тов, судов, автомобилей применяют гибкие плазовые рейки, предста-
вляющие собой планки прямоугольного сечения из балинита или
плексигласа длиной 700—5000 мм. Для вычерчивания линий с рез-
кими переходами кривизны применяют плазовые рейки переменного
сечения. Такая физическая интерполяция точечно заданных кривых
хорошо зарекомендовала себя на практике, поэтому были получены
аналитическим путем аналогичные интерполяционные кривые. Ме-
тод сплайн-функций заключается в решении уравнений, описываю-
щих условия равновесия плазовой рейки с учетом исходных данных
й параметров сопряжения.
В многооперационных, координатно-расточных, шлифовальных
и некоторых других станках применяют позиционные или позицион-
но-контурные (универсальные) системы числового программного
управления, которые выполняют следующие режимы позиционного
управления приводами подач: перемещение рабочих органов станка
на ускоренном ходу в заданные координаты с заданной точностью
либо их перемещение на скорости подачи при обработке поверхно-
стей с образующими, параллельными осям координат. Обычно эти
режимы осуществляются специализированным вычислительным узлом
(см. рис. 22.3) без использования интерполятора, так как они не
требуют взаимосвязи перемещений по координатам. Для позицион-
ного управления рабочим органом станка программой задается его
положение относительно начала отсчета и одна из подготовительных
функций G, учитывающих требования по изменению скорости в раз-
личных точках перемещения от исходного до заданного положения.
Эти требования заключаются в том, чтобы в различных технологиче-
ских режимах обеспечить оптимальные по динамическим параметрам
движение в заданную позицию и останов рабочего органа с необходи-
мой точностью. Основная часть пути должна быть пройдена с наи-
большей скоростью или со скоростью подачи, а в зоне торможения
должен быть обеспечен оптимальный режим снижения скорости
в функции от величины рассогласования действительного положе-
ния рабочего органа и заданного программой. Можно не задавать все
значения скорости рабочего органа в зоне торможения, а ограни-
читься лишь несколькими промежуточными значениями (рис. 22.7).
Выдача сигналов, которые задают скорость движения при рассогла-
сованиях, определяемых уставками У4, УЗ, У2, У1, осуществляется
480
•автоматически. При рассогласовании, большем уставки У4, выдается
сигнал ускоренного хода или скорости рабочей подачи F4, при мень-
шем У 4 и большем УЗ — сигнал ступени скорости F3 и т. д. Вели-
чины уставок по пути У4—У1 и по скорости F3—F1 подбираются
в системе числового управления в процессе ее наладки.
Операции вычислений выполняются вычислительным узлом цик-
лически по следующим адресам: координатные перемещения, ско-
рости перемещений по координатам, скорость главного движения,
номер инструмента. Для координатных перемещений величина рас-
согласования по пути определяется алгоритмом (например, для коор-
динаты X):
' X = АХ + X/ + Х2 + ХЗ,
где с учетом знака АХ — за-
программированное перемеще-
ние по координате; XI — по-
ложение рабочего органа отно-
сительно начала отсчета, Х2 —
-величина смещения начала от-
счета; ХЗ — величина коррек-
тирования перемещения.
После вычисления вели-
чины рассогласования осуще-
ствляется ее сравнение с вели-
органа станка при позиционировании
чинами уставок и передача ре-
зультата в узел связи с приго-
дами подач, где формируются сигналы скорости и направления
перемещения рабочего органа, которые выдаются либо командой на
включение соответствующей ступени торможения, либо командой
заданной скорости подачи. Функционирование узла связи с приво-
дами подач как в режиме позиционного, так и в режиме контурного
•управления определяется*типом приводов подач и типом датчиков
положения рабочих органов.
Получение полного диапазона скорости вращения шпинделя
'станка достигается регулированием частоты вращения электродви-
гателя постоянного тока (уставки S3 электрических ступеней ско-
рости) и изменением передаточного отношения автоматической ко-
робки скоростей (уставки SM механических ступеней скорости).
Весь диапазон скорости вращения шпинделя разбивается на геоме-
трический ряд фиксированных значений со знаменателем ряда <р =
•= 1,12. Нужная скорость вращения шпинделя задается в программе
адресом S с кодом скорости и вспомогательной функцией М направ-
ления вращения шпинделя. Вычислительный узел сравнивает задан-
ный код скорости с кодами ступеней SM и S3. Управление главным
приводом осуществляется выдачей дешифратором узла связи с элек-
троавтоматикой станка сигналов включения механических ступеней
скорости шпинделя и электрических ступеней внутри механических,
причем явное большинство переключений относится к электрическим
ступеням. Величины уставок Зм и S9 набираются перемычками
16 П/р В. Э. Пуша
481
в узле связи с электроавтоматикой. Когда в системе числового упра-
вления не предусмотрено вычисление SM и S3, их коды задаются
в программе.
При. управлении магазином инструментов вычислительный узел
производит вычисление разности между номером инструмента в но-
сителе и номером ячейки магазина, находящейся против носителя,
т. е. вычисление рассогласования между фактическим и заданным
положениями магазина. Регистры узла памяти содержат коды но-
меров инструментов в шпинделе, в носителе (манипуляторе) и задан-
ного в следующем кадре программы. Перезапись информации в этих
регистрах при смене инструмента производится командами, посту-
пающими от магазина. Все перемещения магазина инструментов це-
лесообразно выполнять во время обработки детали предыдущим ин-
струментом. В качестве датчика положения магазина применяют
датчики с фазовым или кодовым выходом. При использовании дат-
чика с фазовым выходом магазин перемещается в две ступени. На
первой ступени управление приводом магазина выполняется анало-
гично позиционированию приводов подач. На второй ступени управ-
ление осуществляется схемой станка, которая производит оконча-
тельную доводку магазина до оси шпинделя. Позиционирова-
ние инструментального магазина возможно по кратчайшему пути.
При использовании кодового (цифрового) датчика положения ма-
газина число дискрет датчика должно соответствовать числу ячеек
для инструментов. Для обеспечения перемещений магазина по крат-
чайшему пути рассогласование между фактическим и заданным по-
ложениями магазина сравнивается с величиной, равной половине
числа ячеек для инструментов. .
Вычислительный узел (рис. 22.8) выполняет последовательное
сложение одноименных десятичных разрядов чисел в двоично-деся-
тичном коде. Арифметическое устройство состоит из четырех однораз-
рядных двоичных сумматоров’ обеспечивающих параллельное сло-
жение всех разрядов одной тетрады. Регистр знака слагаемого управ-
ляет входным преобразователем кода, с помощью которого отрица-
тельные числа на входе арифметического устройства представляются -!
в обратном коде. Регистр переносов служит для хранения разрядных
переносов частичных сумм и выдачи их на арифметическое устройство
с задержкой на один такт синхросигналов. Обратный код отрицатель-
ного числа, полученный на выходе арифметического устройства, .
преобразуется в прямой выходным преобразователем кода. На входы .
схемы коммутации поступают выходные коды и сигналы коммутации
от арифметического устройства и выходного преобразователя. По со-
ответствующим сигналам йоммутации на выход схемы коммутации
проходят либо код суммы до преобразования, либо код суммы послед
него. Код на выходе накапливающего регистра, работающего noj
двухтактной схеме, является вторым слагаемым реализуемого вы-
числения.
Узел связи с электроавтоматикой станка (см. рис. 22.3) форми-
рует сигналы управления главным приводом по адресу S, магазином
инструментов по адресу Т и технологическими операциями по адресу
482
М, принимает от датчиков состояния устройств электроавтоматики
эхосигналы о выполнении сигналов управления, а также выполняет
согласование уровней сигналов устройств системы числового управ-
ления и станочного электрооборудования.
Исполнительными устройствами электроавтоматики станка яв-
ляются пускатели, электромагнитные муфты и тормоза, путевые вы-
ключатели, гидравлическая и пневматическая аппаратура с электро-
управлением, -различные датчики. Можно выделить пять групп сиг-
налов, поступающих в узел связи: командные входы, требующие
Код
слагаемого
Рис. 22.8. Функциональная схема вычислительного узла при позиционном упра-
влении рабочими органами
подтверждения, т. е. непрерывного опроса состояния в процессе
выполнения команды; командные входы однократного действия;
опрашиваемые входы состояния станка; инициативные входы состоя-
ния станка; инициативные командные входы.
На первые три вида входов поступают команды от управляющей
программы, панели ручного управления и датчиков станка, опреде-
ляющих положение исполнительных механизмов в процессе выпол-
нения команд. Эти входы опрашиваются выборочно в заранее преду-
смотренных ситуациях в соответствии с программой или процедурой
наладки. Последние два вида входов имеют приоритет перед осталь-
ными, и их команды должны исполняться сразу же после появления.
К ним относятся прежде всего блокировочные и аварийные команды.
В зависимости от полученной команды объем логических задач,
решаемых электроавтоматикой станка, может быть весьма различен:
от включения единичного перемещения исполнительного механизма
до реализации сложной последовательности операций с анализом
промежуточных ситуаций и выбором решений. Так, по команде вклю-
16*
483
чения механической ступени скорости шпинделя обычно выполняется
в его приводе одна операция, а по команде смены инструмента —•
цикл операций, включающий освобождение находящегося в шпин-
деле инструмента, перенос инструмента в определенную ячейку ма-
газина, поиск в магазине нового инструмента и т. д.
Всю управляющую часть электроавтоматики станка можно вы-
полнить в виде автономного устройства, построенного на базе релей-
но-контактных элементов, интегральных логических схем или вы-
числительных комплектов. Такое устройство конструктивно выпол-
нено в отдельном шкафу, а соответствующая коммутация с электро-
оборудованием станка и выходными модулями системы числового
управления осуществляется непосредственным подключением к пре-
дусмотренным для этого зажимам и разъемам. Другим методом орга-
низации управляющей части электроавтоматики является ее конст-
руктивное выполнение в виде модулей, входящих в состав системы
числового управления и функционально ориентированных только на
решение задач электроавтоматики; коммутация с модулями системы
числового управления осуществляется при этом с помощью внутрен-
него монтажа системы. Такая организация характерна для систем,
выполненных на базе интегральных схем большой степени инте-
грации.
Использование в составе системы числового управления ЭВМ по-
зволяет решать логические задачи электроавтоматики средствами ма-
тематического обеспечения. При этом вопросы взаимосвязи между
числовым управлением и электроавтоматикой решаются на про-
граммном уровне. Применение микропроцессорных комплектов БИС
позволяет перейти к методам многопроцессорной организации число-
вого управления: каждый микропроцессорный модуль решает само-
стоятельный круг задач, в том числе и задачи электроавтоматики,
а взаимосвязь между модулями осуществляется на уровне межсхем-
ных соединений с использованием общей памяти. Во всех случаях
совмещения управляющей части электроавтоматики с системой чис-
лового управления внешним монтажом осуществляется только связь
станочного электрооборудования с системой, что существенно сокра-
щает объем работ по монтажу и отладке станка.
Узел управления организует общий цикл взаимодействия всех
узлов системы числового управления и выполняет контроль их ис-
правности. Делители частоты, входящие в состав узла управления,
формируют из импульсов кварцевого генератора (например, часто-
той 200 кГц) циклические двоично-десятичные времязадающие сиг-
налы, необходимые для синхронной работы узлов и их компонентов
системы, а также сигналы для синхронизации работы сдвиговых ре-
гистров и для питания обмоток датчиков обратной связи рабочих
органов. Ряд фиксированных частот синхросигналов (например,
в диапазоне от 50 Гц до 200 кГц) обычно называют циклами, подцик-
лами, тактами, подтактами, стробами. Контрольные функции узла
управления связаны с проверкой четности единиц в кодах, переда-
ваемых по шинам системы, и с проверкой результатов тестовых вычи-
слений.
484 ”
Г Л А В A 23
СТРУКТУРЫ И УСТРОЙСТВА ЧИСЛОВОГО
ПРОГРАММНОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Под общим наименованием «микропроцессорные устрой-
ства ЧПУ» понимают широкий класс систем управления, построен-
ных с использованием принципов организации ЭВМ. Подобные уст-
ройства имеют значительные преимущества перед аппаратными, по-
скольку располагают на порядок более мощными функциональными
возможностями. Эти возможности обусловлены повышенным уровнем
входных языковых средств: внутренней диагностикой, более высоким
сервисом, предоставленным оператору; наличием средств адаптации
к объекту (станку); наличием каналов связи с информационно-вы-
числительной сетью интегрированного производства; способностью
хранить целые библиотеки управляющих программ и др. Все эти
функциональные возможности поддерживаются специальным мате-
матическим обеспечением ЧПУ, которое поддается наращиванию
и усовершенствованию. В этой связи микропроцессорные устройства
ЧПУ обладают гибкостью и менее подвержены моральному старению,
чем аппаратные устройства.
Схемотехнической основой микропроцессорных устройств ЧПУ
является микропроцессорная техника, использующая новейшие до-
стижения интегральной микроэлектроники. Введем некоторые по-
нятия, которые имеют непосредственное отношение к современной
технике ЧПУ.
Микропроцессорный модуль представляет собой функционально
законченное и конструктивно оформленное на одной плате изделие,
состоящее из микропроцессора и других вспомогательных микросхем,
входящих в состав микропроцессорного набора или в состав семейст-
ства интегральных микросхем широкого назначения. Микропроцес-
сорные модули предназначены для построения сложной системы,
допускающей вариантное использование микропроцессорных мо-
дулей.
Универсальная микроЭВМ — конструктивно завершенное вычис-
лительное устройство, приспособленное к самостоятельным дейст-
виям; реализованное на базе микропроцессорного набора; состоящее
из одного или нескольких модулей; выполненное в виде автономного
прибора, обычно со своим источником питания. МикроЭВМ может
быть дополнена разнообразными аппаратными средствами: клавиа-
турой ввода-вывода, дисплеем, фотовводом, перфоратором, накопи-
телем на гибких дисках, а также средствами математического обеспе-
чения (операционной системой, трансляторами и пр.). Обычный со-
став микроЭВМ: один или несколько микропроцессоров, запоминаю-
щие устройства, устройства ввода-вывода.
Микропроцессорное устройство ЧПУ—автономное специализи-
рованное (проблемно-ориентированное) вычислительное устройство,
485
обрабатывающим элементом которого является микропроцессор;
приспособленное к работе в производственных условиях в режиме
управления в реальном времени; построенное на базе микропроцес-
сорного набора и интегральных микросхем общего назначения, или
микропроцессорных модулей, или универсальных микроЭВМ; имею-
щее развитую систему интерфейсов (т. е. модулей связи) для обмена
сигналами с объектами управления.
§ 2. СТРУКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
Определение, данное микропроцессорному устройству
ЧПУ, несет в себе возможность классификации. Из определения сле-
дует, что в устройстве может быть использован один или несколько
микропроцессоров в составе микропроцессорных модулей, одна или
несколько универсальных микроЭВМ. В качестве комментария
можно заметить следующее. Мультипроцессорные структуры приме-
няют для повышения вычислительных возможностей. Микропроцес-
сорные модули предпочитают универсальным микроЭВМ для умень-
шения избыточности, оптимизации аппаратной части и повышения
Рис. 23.1. Комплекс задач ЧПУ в виде
композиции «черных ящиков»
общей надежности устройства ЧПУ. Однако процессорный вариант
во многих практически важных случаях достаточен; универсальная
встроенная микроЭВМ привлекает тем, что является законченным
агрегатным узлом и создает дополнительные удобства при програм-
мировании. Таким образом, в принципе все указанные варианты
существуют.
Какою бы ни была структура устройства ЧПУ, в большинстве слу-
чаев приходится решать однотипный круг задач. В связи с этим уст-
ройство можно рассматривать как композицию вполне определенного
набора «черных ящиков», упрощенно показанную на рис. 23.1. Реа-
лизация отдельных «черных ящиков» может быть аппаратной либо
программной. Во всех случаях эта реализация будет тем более слож-
ной, чем многообразнее функция каждого «черного ящика»; причем
мера сложности определяется группой признаков, обозначающих
архитектуру аппаратной части устройства. Упомянутые признаки
могут также послужить основой для классификации, в рамках кото-
рой существуют четыре класса архитектурных построений микро-
486
процессорного устройства ЧПУ (под архитектурой понимают все то,
что однозначно определяет принципы переработки информации).
Особенности этих классов проиллюстрированы на рис. 23.2.
Простейший вариант (с одним микропроцессором) показан на
рис. 23.2, а. Этот микропроцессор может входить в состав универсаль-
ной микроЭВМ либо служить центральной частью специализирован-
ного модуля (по сути, специализированной микроЭВМ), оптимизи-
рованного в соответствии с задачами ЧПУ. Различные по" своей
структуре каналы ЭВМ и ЧПУ связаны через адаптер, который пред-
назначен для программно-настраиваемого соединения устройств
Рис. 23.2. Архитектурное построение микропроцессорных устройств ЧПУ:
а — однопроцессорный вариант; б — повышение вычислительной мощности путем разгрузки
центрального вычислителя от функции ввода-вывода; в — повышение вычислительной мощ-
ности за счет мультипроцессирования; а — агрегатизация и децентрализация устройства
ЧПУ
с разным способом представления данных. Контроллеры (здесь это
устройства, управляющие обменом данными) периферийных средств
ЭВМ выполняют адресацию абонентов, прием и буферизацию сооб-
щений, контроль передачи сообщений. Интерфейсные блоки осущест-
вляют связь с объектом (приводами и автоматикой станка) и специ-
альной периферией ЧПУ (дисплеем, панелью оператора и др.). Из-за
ограниченных возможностей самой микроЭВМ нередко используют
дополнительное расширение памяти, а ряд функций ЧПУ передают
специальным аппаратным блокам ЧПУ, построенным на основе по-
требительских БИС. Все абоненты, связанные с устройством ЧПУ,
пассивны. Подобное устройство отличается низкой стоимостью,
малыми размерами благодаря использованию БИС и сверхбольших
схем (СБИС), низким потреблением энергии; но в то же время — и
определенным образом ограниченной функциональностью (под функ-
циональностью понимаем возможности устройства с позиций потре-
бителя, т. е. пользователя устройства). Последнее связано с ограни-
487
ценными вычислительными возможностями из-за конечной мощности
процессора.
Наращивать вычислительные возможности, а следовательно, и
функциональность устройства ЧПУ можно двумя способами
(рис. 23.2, б и в). На рис. 23.2, б показана система, центральный вы-
числитель которой использует один микропроцессор. Однако устрой-
ства связи с периферией ЭВМ и ЧПУ, устройства связи с объектом
также построены на микропроцессорной основе (подобные устройства
иногда называют интеллектуальными устройствами ввода-вывода).
Таким образом, наращивание вычислительной мощности обеспечено
путем разгрузки центрального вычислителя ЧПУ от трудоемких
(с позиций затрат процессорного времени) функций ввода-вывода.
Другая возможность состоит в непосредственном увеличении мощ-
ности центрального вычислителя за счет мультипроцессирования
(рис. 23.2, в).
Существует еще одна возможность развития (по сравнению с пер-
вым вариантом) структуры устройства ЧПУ для достижения задан-
ного уровня функциональности. Эта возможность заключается в де-
композиции всей системы на структурно однородные и функцио-
нально законченные агрегаты, каждый из которых располагает вы-
числителем, некоторой группой интерфейсных блоков и средствами
межагрегатной связи по последовательному (иногда называемому
телеграфным) каналу (рис. 23.2, г). Функции агрегата формально
определены направленностью интерфейсных схем. Например, можно
сформировать агрегаты, ориентированные на ввод, редактирование
управляющей информации и подготовку данных; на интерполяцию
и управление приводами подачи; на управление автоматикой станка.
Структура, приведенная на рис. 23.2, г, является своеобразным гиб-
ридом структур, показанных на рис. 23.2, б и в, но более удачно
скомпонованным, поскольку отдельный агрегат автономен и может
быть установлен на станке там, где это наиболее удобно по любым
соображениям.
В рассмотренном варианте классификации имеет значение не
столько способ реализации центральной вычислительной части (уни-
версальная микроЭВМ либо специализированная микропроцессор-
ная система, воспроизводящая специализированную микроЭВМ),
сколько структурные возможности обеспечения заданного уровня
функциональности.
Естественным способом повышения уровня функциональности
является увеличение числа процессоров и построение распределен-
ной вычислительной системы, в которой функции управления децен-
трализованы. Существуют различные варианты объединения процес-
соров в сеть ЧПУ (рис. 23.3).
На рис. 23.3, а приведена объединенная система типа «замкнутый
контур». Передача информации осуществляется вдоль контура в од-
ном направлении, до тех пор, пока эта информация не возвращается
к своему источнику, после чего удаляется из контура. В передавае-
мом сообщении указан адрес процессора либо несколько адресов сра-
зу. Гибкость такой системы высокая, поскольку контур легко нара-
488
щивается. Однако надежность может оказаться недостаточной, так
как отказ одного узла выводит из строя весь контур.
В сети типа «полная связь» (рис. 23.3, б) информация поступает
сразу по назначению. Система отличается высокой надежностью, вы-
Рис. 23.3. Варианты объединения микропроцессоров в сеть в мультипроцессорной
структуре:
а — замкнутый контур: б — полная связь; в — звезда; г — общая шина; д — нерегулярная
структура; е — древовидная структура; П — процессорный блок; И — интерфейс
Рис. 23.4. Классификация
микропроцессорных уст-
ройств ЧПУ по структурным
признакам
ход из строя процессора не разрушает структуру сети; большое число
связей усложняет систему.
Соединение процессоров в звезду показано на рис. 23.3, в. Цен-
тральный узел У может быть общей памятью либо переключающим
устройством, которое связывает источник и потребитель информации.
Переключающее устройство имеет столько портов (блоков обмена ин-
формацией), сколько процессоров в сети. Логика построения цен-
489
трального узла достаточно сложна,, а выход узла из строя является
полным отказом системы.
В структуре «общая шина» (рис. 23.3, г) сообщение поступает
либо прямо по назначению, либо в промежуточную память. Полный
отказ наступает при выходе из строя памяти или шины. Шина яв-
ляется узким местом в смысле быстродействия.
Во многих случаях предпочтение отдают нерегулярной структуре
(рис. 23.3, 5). Если информация поступила здесь в некоторый интер-
фейс, она немедленно передается во все остальные узлы структуры.
Каждый процессор соединен по крайней мере с двумя другими, чтобы
избежать изоляции; таким образом, между процессорами существуют
альтернативные связи.
В древовидной структуре (рис. 23.3, е) организованы лишь те
связи, которые необходимы по условиям работы.
На основе рассмотрения различных вариантов микропроцессор-
ных устройств ЧПУ можно составить их классификацию (рис. 23.4).
§ 3. ПРИМЕРЫ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ
МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
В качестве примера рассмотрим структуру устройства
ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60». Кон-
структивно устройство выполнено в виде двух автономных блоков —
блока вычислителя и интерфейсного (рис. 23.5). Блок вычислителя
Рис. 23.5. Устройство ЧПУ на основе универсальной микроЭВМ «Электроника-60»
размещен в подвесном пульте оператора. Центральную часть вычис-
лителя составляет микроЭВМ, в числе блоков которой микропроцес-
сор, модули оперативной памяти объемом 16 К (т. е. 16384 слова)
для хранения управляющих программ и перепрограммируемой па-
мяти объемом 4 К (для хранения математического обеспечения ЭВМ),
модуль связи со стандартным считывающим уст^йством. Каналы
ЭВМ и ЧПУ связаны через адаптер. Канал ЧПУ, в отличие от ка-
490
нала ЭВМ типа «общая шина»,
имеет специальную шину адре-
сов блоков ЧПУ, что упрощает
схему привязки этих блоков.
В устройства, подключен-
ные к каналу ЧПУ, входит
дополнительный модуль внеш-
ней перепрограммируемой па-
мяти объемом 16 К, который
предназначен для хранения си-
стемного математического обе-
спечения ЧПУ. Микроинтер-
полятор обеспечивает преоб-
разование координатных ми-
кроприращений, вычисляемых
программой интерполяции на
постоянной несущей частоте
125 Гц, в унитарные последо-
вательности импульсов, посту-
пающие в интерфейсный блок
к модулям управления приво-
дами подачи. Модуль связи
с автоматикой станка имеет
память емкостью 32 байта, со-
храняющую информацию 256
входов-выходов. Выходные сиг-
налы передаются в интерфейс-
ный блок через систему оптрон-
ной развязки. Осведомительные
сигналы станка поступают
в модуль связи с автомати-
кой через мультиплексорное
устройство.
Рассмотрим еще один при-
мер, иллюстрирующий вари-
анты структурных построений,
а именно устройство ЧПУ на
двух микропроцессорных моду-
лях (рис. 23.6). Первый микро-
процессорный модуль управляет
процедурой ввода-вывода, авто-
матикой станка, осуществляет
связь с пультом оператора и
дисплеем.
Управляющие программы
(числом до нескольких десятков)
Рнс. 23.6. Структурная схема устройства ЧПУ с использованием двух микропроцессорных модулей
сохраняются в энергонезависимой (т. е. сохраняющей информацию
при выключений питания) памяти на цилиндрических магнитных доме-
нах; при выключении питания записанная информация не разру-
491
шается. Внешняя память используется для ввода и вывода управля-
ющих программ и представляет собой, например, ленточный накопи-
тель на магнитной кассете. Блок связи с пультом оператора (допол-
нительный пассивный модуль) кодирует каждую нажатую клавишу
и посылает запрос в микропроцессор на чтение кода. Блок связи
с дисплеем (тот же дополнительный модуль) имеет буферную память
визуализируемой информации объемом в байтах, равным числу зна-
комест дисплея. В блоке связи с автоматикой (еще один дополнитель-
ный пассивный модуль) имеются ключи (маломощные 0,2 А, мощные
2 А) для управления исполнительными механизмами автоматики.
Информация осведомительных сигналов автоматики поступает в уст-
ройство ЧПУ через тот же блок связи. Второй микропроцессорный
модуль выполняет интерполяцию и осуществляет управление при-
водами подачи. Здесь от микропроцессора требуется выполнение опе-
раций с двойными словами, возможность операции умножения, нали-
чие повышенного числа внутренних регистров (поскольку регистро-
вые операции выполняются быстрее). Все это объясняется тем, что
работа микропроцессора второго модуля требует больших затрат вы-
числительной мощности.
Связь между микропроцессорными модулями осуществляется
путем объединения их каналов в режимах обмена информацией; на-
пример, в режиме прямого доступа к памяти.
В заключение рассмотрим структуру устройства ЧПУ на базе
микропроцессорной универсальной вычислительной системы «Элек-
троника НЦ-80-31». Микропроцессорная универсальная вычисли-
тельная система допускает чрезвычайно гибкую аппаратную комплек-
тацию, каждый вариант которой без избыточности соответствует кон-
кретным задачам, поставленным перед устройством ЧПУ. Комплек-
тация обеспечена конструктивно и функционально законченными уст-
ройствами и состоит в объединении этих устройств в автономные
агрегаты-блоки. Основой системы управления является блок, со-
держащий обычно до четырех устройств-модулей, и встроенный блок
питания.
Отдельными устройствами вычислительной системы являются:
вычислитель; устройства связи с электроавтоматикой, с датчиками
обратной связи следящих приводов подачи по положению, с приво-
дами; устройства пультов управления и оператора; устройство кла-
виатуры и индикации; устройство отображения информации на плаз-
менном дисплее; внешняя кассета памяти емкостью на 16 К слов
на цилиндрических магнитных доменах, устройство сопряжения
с внешней памятью; расширитель памяти; устройство программируе-
мых временных задержек; устройства программного управления элек-
троавтоматикой и управления исполнительными органами электро-
автоматики; блок питания.
Устройство ЧПУ может в зависимости от сложности задач управ-
ления состоять из одного, двух, трех блоков, комплектуемых раз-,
личным образом. Примеры комплектации отдельных блоков: 1) вы-
числитель, устройство пульта оператора, устройство клавиатуры и
индикации, устройства связи с датчиками, приводами и электроав-
492
тематикой; 2) вычислитель, устройство сопряжения с внешней па-
мятью, устройство пульта управления, устройство отображения ин-
формации; 3) устройство программного управления электроавтома-
тикой, устройство программируемых временных задержек, устрой-
ство связи с электроавтоматикой. Подобная компоновка означает;
что блоку придают некоторый замкнутый круг задач, например,
управление в реальном времени, пультовое управление и индикация,
организация управления электроавтоматикой.
Связь между большинством отдельных устройств в блоках осу-
ществляется по общей магистрали, и лишь в отдельных случаях ис-
пользуют специальные средства. Так, специальный канал применен
для связи устройства сопряжения с внешней памятью и внешней кас-
сетой памяти. Для связи устройства пульта управления и устройства
отображения информации предусмотрен параллельный интерфейс,
к которому можно при желании дополнительно подключить фотосчи-
тыватель, перфоратор и др. Связь между блоками устройства ЧПУ
осуществляется по последовательному каналу. Структурные построе-
ния устройств ЧПУ на базе микропроцессорной универсальной вы-
числительной системы приведены на рис. 23.7.
Основной частью каждого блока является вычислитель (рис. 23.8),
Рассмотрим некоторые особенности отдельных компонентов вычисли-
теля. Арифметико-логический блок содержит от одного до трех микро-
процессоров, выполненных в виде СБИС. Каждая СБИС помимо
процессорного узла содержит адресуемые по общей магистрали ре-
гистры (в числе которых регистры пользовательские, системные,
управления). Имеется возможность установки приоритетного уровня
процессора, т. е. программного управления приоритетом СБИС по
отношению к внешней причине прерывания.
Блок памяти программ имеет до восьми БИС постоянной или
перепрограммируемой памяти; общий объем блока 16 Кбайт.
Блок радиальных прерываний (на базе БИС) предназначен для
организации безадресного (векторного) прерывания СБИС арифме-
тико-логического блока. Радиальные запросы внешних прерываний
поступают в виде импульсных сигналов, причем источники прерыва-
ний имеют различный приоритет. Структура блока прерываний та-
кова, что имеется возможность индивидуального маскирования каж-
дого запроса. Анализ наличия безадресного прерывания осущест-
вляет наиболее приоритетный микропроцессор (соответствующие
признаки в этом микропроцессоре неизменны) в конце выполнения
каждой команды. Обработка микропроцессором безадресного преры-
вания заключается в записи состояний системных регистров в стек
и в загрузке этих регистров новыми значениями.
Блок последовательного интерфейса (БИС телеграфного канала,
организующая связь по трем дуплексным асинхронным каналам)
предназначен для организации связи между блоками устройства ЧПУ
на значительном расстоянии. Последовательный интерфейс позволяет
резко сократить число связей, упростить разводку по станку и повы-
сить надежность. В нем происходит преобразование параллельного
кода в последовательный унитарный и передача последовательного
493
Блок 1
Последователь-
ный
канал
Вычислитель
зи с датчикапи
и праводана
Магистраль
типа LSI
Устройство
пульта
оператора
Устройства свя-
зи с злектра-
автопатикой
Устройство клавиатуры
и индикации
Три какала на придпд
Пять канала! датчика!
32 линии к станку
W линии от станка
а)
канал
Блок Н
ЗБП Верхнего
уровня
Дополнительные
средства
ввода- вывода
Блок I
Токарный станок
6)
Блок
силовых
ключей
Приводы
падачи
Пульт
оператора
станка
Электро-
автоматика
станка
Датчики обрат-
ной связи
по положению
Блоки
управления при-
водом подачи
Вычислитель М‘1
Вычислитель №2
Знерганезавасипая попять
Устройство связи с датчиками
и приводами
□Устройство пульта оператора
Устройство отображения
инфорггации
Устройство связи с электро-
автоматикой
Устройство связи с электро-
автоматикой
Блок питания
Блок питания
Внешняя
память
Вычислитель №3
Устройство связи с датчиками
и приводами
Устройство связи с электро-
'автоматикой
23.7. Структур- 1
построения уст- I
в)
Устройство связи с электро-
_______автоматикой______
блок питания
Рис.
мне
ройств ЧПУ на базе 1
микропроцессорной 1
универсальной вычи- |
слительиой системы 1
«Электроника 1
НЦ-80-31»: J
ах связей блоков устрой- 1
а — организация каналов в устройстве ЧПУ; б — структура внешних связей блоков устрой-
ства ЧПУ; в к-ж пример комплектации блоков устройства ЧПУ для многооперационного
стайка
494
кода в канал связи. Основную часть блока составляют три БИС
приемопередатчика телеграфного (т. е. последовательного) канала
и общий для всех каналов регистр состояния. В каждой БИС
имеются два адресуемых регистра данных, один из которых исполь-
зуется при приеме, а другой — при передаче.
Рис. 23.8. Структурная схема вычислителя универсальной системы «Электроника
НЦ-80-31»
Блок оперативной памяти предназначен для хранения перемен-
ных частей программ, операндов, для организации стековой области.
Объем памяти 8 Кбайт.
Блок умощнителя магистрали служит для развязки внутренней
магистрали вычислителя с другими устройствами. Внутреняя маги-
страль имеет 33, а внешняя магистраль 32 линии.
§ 4. АППАРАТНАЯ ОСНОВА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
УСТРОЙСТВ ЧПУ
Рассмотрим аппаратную основу построения микропроцес-
сорных устройств ЧПУ. Такую основу составляют микропроцессор-
ная техника и специальные аппаратные решения, свойственные ЧПУ.
В связи с этим обратимся к некоторым особенностям архитектуры и
структуры микропроцессоров и микроЭВМ.
Структура микропроцессора или микроЭВМ — это совокупность
функциональных узлов и связей между ними. Под архитектурой ми-
кропроцессора и микроЭВМ понимают конкретную логическую
структуру отдельных устройств, их взаимосвязь, систему команд и
взаимодействие между аппаратурой и программами обработки ин-
формации.
Организация микроЭВМ в большинстве случаев описывается из-
вестной моделью фон Неймана (рис. 23.9). В обобщенной структур-
ной схеме такой микроЭВМ можно выделить операционное устрой-
ство, устройство управления, запоминающее устройство (ЗУ), ин-
терфейс ввода-вывода и генератор. Устройства соединены между со-
бой шинами.
495
Микропроцессор состоит из операционного устройства и устрой-
ства управления. В состав операционного устройства входит реги-
стровая часть и арифметико-логический узел'(АЛУ). В числе реги-
стров — буферные регистры адреса и данных, регистры общего
назначения, специализированные регистры (индексные регистры;
счетчик команд; регистр состояний микропроцессора; стек регистров;
указатели стека, страницы, начала таблицы, начала передачи блоков
данных; регистры настройки и др.). Регистры и АЛУ связаны вну-
тренними шинами данных, адреса, операндов, результатов, команд.
В устройство управления входит память микрокоманд и узел форми-
Рис. 23.9. Обобщенная структурная схема микроЭВМ
рования адресов микрокоманд. В зависимости от организации уст-
ройства управления микропроцессоры делят на микропрограмми-
руемые и с жестким управлением.
Конкретные микропроцессоры различаются отсутствием или сов- ;
мещением указанных выше структурных элементов и способом pea- z
лизации устройства управления. Так, для передачи операндов может J
быть использована одна шина, а не две; между регистрами могут быть j
организованы прямые передачи; число регистров может не охваты- |
вать всех типов; функции отсутствующих специализированных ре- |
гистров могут быть возложены на регистры общего назначения и т. д. |
Обобщенная структура микропроцессора показана на рис. 23.10. I
Рассмотрим функции отдельных узлов. I
Арифметико-логическое устройство АЛУ предназначено для anna- 1
ратного исполнения простейших операций, таких, как сложение,
вычитание, пересылка, логические операции И или ИЛИ, сложение |
по модулю два, сдвиг и т. д. Более сложные действия выполняются |
с помощью микропрограмм и подпрограмм. Признаки операций, вы- |
полняемых АЛУ, а также признаки состояния микропроцессора хра- |
нятся в регистрах состояний. I
496 1
Рис. 23.10. Обобщенная структур-
ная схема микропроцессора:
УУ — устройство управления; ШУ,
ШД, ША — соответственно шины
управления, данных, адресов
Число регистров общего
назначения (РОН) обычно
варьируется от 4 до 64, при-
чем конкретное число реги-
стров во многом опреде-
ляется вычислительными воз-
можностями микропроцес-
сора. РОН используют как
внутреннюю сверхоператив-
ную память; это позволяет
реже (в 1,5—3 раза) обра-
щаться к внешней памяти
через интерфейс, что увели-
чивает общее быстродействие.
Функции специализиро-
ванных регистров чрезвы-
чайно обширны. Счетчик
команд содержит адрес расположенной в памяти и выполняемой
в данное время команды. Регистр адреса хранит адрес располо-
женного в памяти слова, к которому происходит обращение. Акку-
мулятор (накопительный регистр) предназначен для хранения про-
межуточных результатов арифметических или логических операций
АЛУ. Чаще всего ввод и вывод данных АЛУ производится через
аккумулятор. Регистр команд сохраняет на время дешифрации и ис-
полнения код команды, адрес которой был определен счетчиком
команд. Содержимое разрядов регистра состояния позволяет судить
о результате вычислений (нулевой, положительный, переполнение
и др.) с тем, чтобы организовать программные переходы по заданным
признакам или условиям. Стековая память обычно используется для
хранения состояний всех внутренних регистров при обработке
прерываний, а также для запоминания адреса возврата при выходе
из подпрограммы. Индексные регистры служат для формирования
адресов ячеек памяти.
Устройство управления на основании кода операции команды
формирует внутренние сигналы управления, привлекая отдельные
части микропроцессора. Так, сигналы управления, используя адрес-
ную часть команды, организуют пересылки данных. Используя спе-
циализированные регистры и счетчик команд, устройство управле-
ния выбирает очередную команду из памяти.
Интерфейс — это аппаратура, с помощью которой отдельные
устройства микропроцессора соединяются между собой (внутренний
интерфейс), а также с памятью и периферийными средствами (внеш-
ний интерфейс). Внутренний интерфейс микропроцессора обеспечен
внутренними шинами данных, разрядность которых может совпадать
497
или не совпадать с разрядностью внешних шин. Если число внешних
выводов БИС микропроцессора ограничено, внешняя шина может
передавать или получать информацию последовательно частями
через специальную двунаправленную буферную схему — мульти-
плексор. К внешнему интерфейсу микропроцессора относятся шины
данных, адресная, управления.
МикроЭВМ функционирует синхронно с генератором тактовых
импульсов. Одна команда выполняется за несколько тактовых им-
пульсов, и этот период времени называют циклом команды. В цикле
команды один или несколько так называемых машинных циклов
(рис. 23.11, а). В свою очередь, машинный цикл состоит из цикла вы-
борки (обращение к памяти — адресация, считывание команды из
памяти) и исполнительного цикла (выполнение команды микропро-
цессором). В течение цикла команды обрабатываются два типа слов —
командные и информационные.
За время машинного цикла с командными словами выполняются
такие операции (рис. 23.11, б): содержимое счетчика команд пере-
дается в регистр адреса памяти; адрес передается в память и дешиф-
руется с тем, чтобы найти в памяти нужную команду; команда через
шину данных памяти поступает в регистр данных памяти, а затем
в регистр команд микропроцессора; команда дешифруется дешифра-
тором команд; команда выполняется; содержимое счетчика команд
увеличивается на единицу, либо в счетчик заносится адрес перехода;
далее цикл повторяется.
Процесс обработки информационных слов в сильной степени зави-
сит от конкретного микропроцессора. Упрощенно этот процесс может
выглядеть следующим образом (рис. 23.11, в). Данные в АЛУ посту-
пают из регистров микропроцессора, из памяти либо с внешних
устройств. Во многих микропроцессорах данные поступают через
аккумулятор, туда же передаются и результаты операций, выпол-
ненных АЛУ. После завершения операций информационные слова
пересылаются во внутренние регистры, в память либо к внешним уст-
ройствам.
В качестве примера на рис. 23.12 показана структура распростра-
ненного варианта микропроцессора.
Завершив обзор структурных построений микропроцессоров,
перейдем к характеристикам других компонентов микроЭВМ, и
прежде всего — памяти.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) представляет собой
матрицу памяти, содержимое которой не подлежит изменению и не
зависит от состояния микропроцессора. Выключение питания не из-
меняет содержимого ПЗУ. Как правило, время доступа к ячейке ПЗУ
не зависит от адреса, по которому осуществляется обращение. Суще-
ствуют варианты исполнения ПЗУ, различающиеся способом про-
граммирования памяти. ПЗУ с масочным программированием изго-
товляют по заказу пользователя на основе его документации, причем
последующее изменение содержимого памяти невозможно. Програм-
мируемые ПЗУ программируются пользователем (а не изготовителем,
как в предыдущем случае); однако после программирования содержи-
498
мое памяти остается неизменным. Перепрограммируемые (стираемые)
ПЗУ можно программировать повторно, стерев старую информацию,
например, с помощью ультрафиолетового излучения. Программи-
а)
’ S)
в)
Рис. 23.11. Структурная схема машинного цикла микропроцессора:
а — циклограмма машинного цикла; б — обработка командных слов; в —
обработка информационных слов
руемые ПЗУ широко применяют в устройствах ЧПУ для хранения
функционального программно-математического обеспечения ЧПУ.
Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) по способу орга-
низации хранения информации делят на две категории — динамиче-
ские и статические. В динамических устройствах чаще всего запоми-
нающим элементом является емкость, объединенная с затвором МОП-
транзистора. В статических устройствах запоминающим элементом
499
является триггер. Таким образом, динамические ОЗУ обеспечивают
более высокую информационную плотность; однако требуют периоди-
ческой регенерации с помощью дополнительных, часто внешних
технических средств.
В классе ОЗУ перспективна память высокой емкости на цилиндри-
ческих магнитных доменах. В устройствах ЧПУ подобная память
применяется для хранения управляющих программ с эквивалентной
длиной перфоленты, исчисляемой многими сотнями метров.
В регистрах сдвига, составляющих основу памяти, под действием
тактовых магнитных сигналов осуществляется вращение миниатюр-
ных магнитов-доменов, в результате намагниченность передается
Внутренняя информационная шина
Рис. 23.12. Структурная схема микропроцессора Intel 8080
соседним участкам — разрядам регистра сдвига. При отключении
питания циркуляция информации прекращается, однако сама ин-
формация не разрушается и может быть использована при включе-
нии питания. Следовательно, память на цилиндрических магнитных
доменах является энергонезависимой.
Каждому хранимому в памяти байту (слову) соответствует адрес,
определяющий место хранения байта. Сведения об адресе или его
составных частях содержатся в команде. Эта информация исполь-
зуется для выбора требуемых программой данных. Но и сами адреса
могут подвергаться обработке и формироваться путем вычислений.
Всякая команда содержит код операции и адрес ячейки памяти j
или регистра, где находятся нужные для операции данные. |
Обычно команду разбивают на три поля: код операции, способ ।
адресации, адрес операнда. Однако из-за ограниченного числа раз- |
рядов шины данных часто используют всего два поля; при этом ука1- 1
зание на способ адресации приводится в неявном виде в коде опера- |
ции. Наиболее важными для микропроцессорной •техники способами 1
адресации являются: прямая, непосредственная, косвенная, относи- |
тельная, индексная. |
500 1
При прямой адресации адрес операнда содержится в самой ко-
манде. Поскольку для адреса может быть выделено ограниченное
число разрядов, этот способ подходит для малых объемов адресуе-
мой памяти.
Непосредственная адресация состоит в том, что в команде при-
сутствует сам операнд, и не требуются затраты времени на поиск
операнда в памяти. Способ применяют для задания констант.
Косвенная адресация заключается в указании в команде адреса
(посредника), по которому хранится адрес операнда. Разновид-
ностью способа является косвенная адресация по регистру, когда
адрес операнда содержится в регистре микропроцессора. Цель кос-
венной адресации — увеличить объем адресуемой памяти.
Относительная адресация означает, что исполнительный адрес
определяется в результате суммирования адреса команды (называе-
мого смещением) и некоторого опорного адреса (называемого базой).
База обычно содержится в счетчике команд. Часто пользуются стра-
ничной относительной адресацией, при которой память разбивается
на страницы. Страница может содержать, к примеру^ 256 слов, раз-
мещенных в одной интегральной схеме. В этом случае базой является
начальный адрес страницы, а смещением — внутристраничный адрес.
Для индексной адресации исполнительный адрес образуется пу-
тем суммирования смещения, указанного в команде, с содержимым
индексного регистра. Изменение значения индекса производится
отдельными командами. Иногда роль индексных регистров выпол-
няют регистры РОН. Такая адресация удобна для организации цик-
лов, составления таблиц и др.
§ 5. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В МИКРОЭВМ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Память, микропроцессор и устройство ввода-вывода свя-
заны между собой системой шин. Для этой системы существуют два
основных способа организации. В первом решении одна совокуп-
ность шин (адресная, управляющая и информационная) используется
как для соединения микропроцессора с памятью, так и для подключе-
ния к внешним устройствам (рис. 23.13, а, б). Этот вариант выглядит
проще с точки зрения организации ввода-вывода: к внешним уст-
ройствам можно обращаться как к ячейкам памяти, используя любой
метод адресации; не требуются специальные команды ввода-вывода
и специальные входные и выходные управляющие сигналы; число
регистров ввода-вывода внешних устройств практически не огра-
ничено.
Второй вариант организации шин (рис. 23.13, в, г) состоит в том,
что применяются две совокупности шин — для связи микропро-
цессора с памятью и для связи микропроцессора с внешними устрой-
ствами. Здесь можно использовать меньшее число регистров ввода-
вывода внешних устройств, так как адресация к этим регистрам тре-
бует резервирования выводов микропроцессора, число которых
всегда ограничено. Доступ к внешним устройствам осуществляется
501
с помощью специальных команд ввода-вывода. В числе достоинств
такой структуры можно отметить помехозащищенность вычислителя,
простоту схем согласования с внешними устройствами и более быст-
рый обмен информацией с этими устройствами.
Интерфейсные схемы могут быть различного уровня сложности.
Простейшим вариантом является буферный регистр. Если интерфейс
выполнен в виде простой логической схемы и соединение от микро-
процессора к внешнему устройству имеет столько линий, сколько
Рис. 23.13. Способы организации внешнего интерфейса микропроцессора:
а, б — общая шина; в, е — двухшнниая структура
в)
Интерфейс
Внешнего
устройства
Интерфейс
••• внешнего
устройство
разрядов в слове данных, то такую интерфейсную схему часто назы-
вают портом. Интерфейсные устройства ввода-вывода в микропро-
цессорных системах сложной конфигурации выполняются по типу
программируемых микроконтроллеров или жестких непрограмми-
руемых контроллеров (адаптеров}.
Раскрывая структуру шин связи микропроцессора с памятью, от-
метим, что для организации этой связи необходимы адресная шина,
входная и выходная шины данных, а кроме того, должны вырабаты-
ваться сигналы записи и чтения, сигнал готовности памяти. При
программно-управляемой передаче данных между микропроцессором
и устройством ввода-вывода требуются: адресная информация, дан-
ные для программно-управляемой передачи, а также управляющая
информация (код выборки устройства ввода-вывода, управление
записью и чтением, сигналы готовности, признаки окончания работы
устройства ввода-вывода и др.).
Прямой доступ к памяти,предполагает использование входной и
выходной шин данных, адресной шины для передачи адреса в интер-
502
фейс прямого доступа к памяти; при этом должны формироваться
определенные управляющие сигналы (запросы устройства ввода-
вывода, разрешение на передачу, код выборки устройства ввода-вы-
вода, признак окончания обмена и др.)- Ряд управляющих линий
использован микропроцессором для синхронизации других устройств
и обозначения собственного состояния (останов, ожидание, работа
в режиме прямого доступа к памяти). Это необходимо, поскольку ра-
бота всех устройств носит асинхронный характер, и одни и те же шины
Состояние микропроцес-
сора (2-8)
Синхронизация
ВыВод данных (8-16)
ВВод/вы8од
Сигнал готовности
Запросы на прерывание
Окончание работы
Выбор устройства ввода-выво-
да (2-8)
Ввод ванных (8-16)_______
Состояние микропроцессора
"*(2^8)
Разрешение прерывания
Запрос прямого доступа
к памяти
Разрешение прямого доступа
к памяти
Синхронизация_____________
Адрес (12-16)
Чтение данных (8-16)
Запись данных (8-16)
Запись/чтение
Сигнал готовности
Команды (8-26)
J
Адрес (12-16)____________________________
___________Запись/чтение___________________
ввод данных (8-16)_________________________
вывод данных (8-16)
Рис. 23.14. Шины связи микропроцессора, памяти и устройства ввода-вывода
используются несколькими устройствами. Дополнительные управля-
ющие входы и выходы необходимо использовать в микропроцессоре
в том числе, если он должен реагировать на произвольно возникаю-
щие внешние сигналы, — это работа в режиме прерывания, которая
предполагает использование входов запросов, выходов разрешения
и некоторых других сигналов.
Структура шин связи микропроцессора, памяти и устройства вво-
да-вывода показана в качестве примера на рис. 23.14. В скобках ука-
зана наиболее часто встречающаяся разрядность шин. Ограничения
на эту разрядность, связанные с нехваткой внешних выводов БИС
микропроцессора, влекут за собой большие сложности. Дело в том,
что уменьшение разрядности влечет за собой ограничение функцио-
нальных возможностей либо снижение быстродействия. При ограни-
ченной разрядности применяют параллельно-последовательную пере-
503
На периферийные
устройства
устройств
Рис. 23.15. Программно-управляемая передача
данных
дачу информации (т. е. передачу слова по шине частями, в различные .
моменты времени) и мультиплексирование (т. е. использование одной
и той же шины в различных моментах времени для передачи функцио-
нально различной информации). Примером мультиплексирования
является передача адресов и данных по одной шине. Двунаправлен-
ные шины данных по существу также являются мультиплексирован-
ными, поскольку по ним осуществляется ввод и вывод информации.
Остановимся далее на способах обмена информацией с внешними
устройствами. Эти способы (программно-управляемый, по преры-
ванию, по каналу прямого доступа к памяти) только что упоминались
в связи со структурой шин, соединяющих микропроцессор, память
и устройство ввода-вы-
вода.
Программно - управляе-
мая передача данных
приведена на рис. 23.15 на
примере связи микроЭВМ
с периферийными сред- ’
ствами по мультиплексор-
ному каналу. Для осуще-
ствления ввода (опроса)
данных от одного из пе- ;
риферийных устройств ;
команда программы ввода j
посылает соответствующее J
указание в дешифратор, 1
который выбирает опреде-
ленный канал мультиплек-
сора. Мультиплексор позволяет работать нескольким внешним t
устройствам с одной шиной данных. Данные передаются в микро- (
процессор только в том случае, если периферийное устройство го-
тово, т. е. не занято обработкой предыдущей команды.
При передаче данных от микропроцессора к периферийному уст-
ройству по команде программы вывода на дешифратор поступает
указание выбрать соответствующий канал демультиплексора. Если
периферийное устройство готово, данные к нему передаются через
группы фиксаторов (запоминающих устройств) демультиплексорного j
канала.
Передача данных по прерыванию осуществляется в виде такой I
последовательности действий: внешнее устройство запрашивает пре- -
рывание; микропроцессор, завершив выполнение очередной команды, j
подтверждает готовность к прерыванию; микропроцессор обеспечи-|
вает сохранность своего текущего состояния путем передачи в стек?
информации собственных внутренних регистров; осуществляется?
переход по адресу подпрограммы обработки прерывания; по команде;
возврата из прерывания происходит возвращение 4 продолжению;
выполнения прерванной программы. ?
Указанная последовательность может быть реализована на основе;
одного из двух методов: прерывания с опросом и прерывания по
504
вектору. В первом случае для обнаружения источника прерывания
производится последовательный опрос внешних устройств, пока не
будет обнаружено нужное. Очередность опроса задает приоритет
возможных источников прерывания. Прерывание по вектору произ-
водится непосредственно от внешнего источника без опроса всех
других внешних устройств. Каждому обслуживаемому по прерыва-
нию устройству соответствует свой вектор прерывания, в котором
содержится начальный адрес программы обработки прерывания.
Другой способ, разгружающий микропроцессор, состоит в том, что
используется специальный блок обработки прерываний. Этот блок
определяет адрес устройства, запрос которого должен быть обслужен,
сообщает адрес микропроцессору, выбирает необходимую подпро-
грамму обработки прерывания.
Особенность передачи данных по каналу прямого доступа к памяти
состоит в том, что внешнее устройство связывается с памятью непо-
средственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Выпол-
нение основной программы при этом откладывается. Передача дан-
ных происходит по мере выполнения такой последовательности дей-
ствий: внешнее устройство формирует запрос на предоставление ка-
нала и передачу данных; микропроцессор вырабатывает подтвержда-
ющий сигнал; с помощью внешних логических устройств осущест-
вляется адресация памяти; происходит один цикл обмена данными
(т. е. записывается или читается одно слово); передача завершается,
а микропроцессор возобновляет выполнение основной программы.
§ 6. СИСТЕМЫ КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА
Завершая краткий обзор структурных и архитектурных
признаков микропроцессоров и микроЭВМ, остановимся на понятии
о системе команд, имеющем к архитектуре непосредственное отноше-
ние. Системы команд большинства микропроцессоров содержат от 20
до 150 команд. В команде указано, какая операция и над какими
данными должна выполняться, а также куда должен быть помещен
результат. Обычными для микропроцессоров являются одноадрес-
ные команды с адресом одного операнда. Местонахождение второго
операнда и результата определяется в этом случае кодом операции.
Кроме того, используются безадресные команды, работающие с теми
регистрами, которые определены кодом операции. Применяют также
двухадресные команды с укороченными адресами, служащими для
выборки регистра микропроцесора.
В системе команд микропроцессора могут быть выделены услов-
ные группы: арифметические команды (сложение, вычитание и др.);
логические команды (конъюнкция, дизъюнкция, неравнозначность и
и др.); команды пересылки (обмен информацией между регистрами
микропроцессора или между регистрами и памятью); команды управ-
ления (условные и безусловные переходы, вызов подпрограммы,
возврат в основную программу, определение текущего состояния
микропроцессора, команды работы со стеком, команды управления
вводом-выводом).
505
Большинство команд выполняются как последовательность ми-
крокоманд, которые, в свою очередь, состоят из одной или несколь-
ких микроопераций. Микрооперация является элементарной и вы-
полняется за один такт работы микропроцессора. Последователь-
ность микрокоманд, реализующих заданную команду, называют
микропрограммой. Время, затрачиваемое на выполнение микропро-
граммы, составляет машинный цикл (см. рис. 23.11).
Программа, написанная в командах, т. е. на машинном языке,
занимает минимальный объем памяти, не требует дополнительных
аппаратных средств и машинного времени для трансляции.
Рассмотренные выше микропроцессорные средства, дополненные
системой команд, относятся к универсальным схемотехническим
решениям. Подобные средства далеко не достаточны для построения
устройства ЧПУ, использующего широкий набор специальных ре-
шений.
ГЛАВА 24
СИСТЕМНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ЧИСЛОВОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ
Математическое обеспечение управляющих микроЭВМ
(как универсальных, так и специализированных) состоит из двух ча-
стей. Одну часть составляет прикладная компонента, осуществляю-
щая выполнение в режиме реального времени поставленных перед -
вычислительной системой задач (в данном случае задач ЧПУ). Ко
второй части относится системное математическое обеспечение, кото-
рое формирует среду для проектирования и выполнения прикладных
программ. Остановимся на системной части математического обеспе-
чения.
Системное математическое обеспечение микроЭВМ призвано обес-
печить решение двух принципиально различных - классов задач:
автоматизацию разработки прикладных программ и выполнение го- -
товых программ. На начальном этапе развития микропроцессорной
техники при решении задач обоих классов основные функции управ-,
ления ресурсами микроЭВМ обеспечивались программами, написан-"
ными самими пользователями. Со временем сформировалась концеп-j
ция операционной системы микроЭВМ как среды для проектирования j
и выполнения прикладных программ. Операционную систему микроб
ЭВМ можно определить как совокупность программ, назначение кото-|
рых в эффективном управлении четырьмя основными типами ресур-|
сов (процессором, памятью, устройствами и данными), а также в осу-'
ществлении взаимодействия между прикладными программами в ходе!
506 1
их выполнения. Функции операционной системы при разработке
прикладных программ (первый класс задач) и их выполнении (второй
класс задач) существенно отличаются.В связи с этим для микроЭВМ
можно выделить два класса операционных систем — технологиче-
ские (инструментальные) и исполнительные.
§ 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Технологические операционные системы могут быть крос-
совыми либо резидентными. Используемые при разработке приклад-
ного математического обеспечения кроссовые системы располагают
развитыми аппаратными и программными средствами ЭВМ общего
назначения, на которой моделируется архитектура управляющей
микроЭВМ, непосредственно интересующей разработчика. Резидент-
ные операционные системы реализованы на самой управляющей ми-
кроЭВМ или на некотором однотипном расширенном (в основном
за счет памяти и периферии) устройстве, относящемся к категории
отладочных средств. Кроссовые системы, как правило, предостав-
ляют разработчику прикладного математического обеспечения ши-
рокий спектр сервисных функций и возможность выбора языковых
средств, в то время как аналогичные возможности резидентных
средств обычно ограничены.
Понятие «операционная система» трактуют по-разному. Иногда
к операционной системе относят весь комплекс программного обес-
печения, который не только помогает управлять производитель-
ностью системы, но и облегчает программирование. Согласно подоб-
ной точке зрения в операционной системе имеются две составляю-
щие — управляющая программа и набор обрабатывающих программ.
Управляющая программа осуществляет планирование и управление
выполнением всех программ, распределение аппаратных ресурсов,
предоставление программных ресурсов и данных. Обрабатывающие
программы облегчают подготовку программ, предлагая различные
языковые средства; позволяют использовать отладочные средства и
обращаться к разнообразным подпрограммам служебного назначе-
ния.
В комплекс управляющих программ входят программы управле-
ния заданиями, программы управления задачами, программы управ-
ления данными. Управление заданиями относят к числу основных
функций операционной системы, которые заключаются в чтении и
интерпретации определений задания, в планировании работ, в ини-
циировании и завершении заданий, в выводе результатов. Таким об-
разом, задание можно определить как максимальную единицу изме-
рения работы микроЭВМ, состоящей из одного или более шагов за-
дания, которые определяются посредством языка управления зада-
ниями.
Управление задачами поддерживается совокупностью средств,
обеспечивающих одновременное выполнение нескольких задач в си-
стеме (путем планирования задач, распределения памяти и т. д.).
Саму задачу можно определить как основной объект выполнения pa-
507
бот в микроЭВМ, требующий выделения ресурсов: памяти для раз-
мещения задачи; устройств ввода-вывода для перемещения задачи;
времени процессора для выполнения операций обработки данной за-
дачи. Задача является независимым программным сегментом. С точки
зрения программы, которая представляет задачу, — ее выполнение
происходит так, как будто других задач не существует. С точки зре-
ния программ управления задачами, задача может находиться в со-
стоянии выполнения, готовности, ожидания.
Программы управления данными осуществляют: ввод и вывод
данных на внешние устройства и с внешних устройств; объединение
записей в блоки и разделение блоков на записи; анализ и обработку
ошибок; перевод условных символьных наименований внешних
устройств в их физические адреса; каталогизацию информации, ее
поиск и редактирование.
Управляющие программы операционной системы содержат не-
сколько компонент, наименования которых общеприняты, хотя и
функциональные задачи трактуются разработчиками операционных
систем не всегда однозначно. К таким компонентам относятся мони-
тор, супервизор, диспетчер и др.
Монитор интерпретирует указания языка управления заданиями
и осуществляет контроль за выполнением заданий. Супервизор —
это компонента системы управления задачами, обрабатывающая все
ситуации, которые стали причинами возникновения прерываний.
Диспетчер — это программа управления задачами, организующая
совместное использование задачами ресурсов микроЭВМ. Так, диспет-
чер обслуживает очередь запросов на использование памяти, про-
цессора, внешних устройств.
Напомним, что мы отметили в рамках технологической опера-
ционной системы существование управляющих программ и обраба-
тывающих программ. Перейдем к характеристике набора обрабаты-
вающих программ, который включает редактор текстовой информа-
ции, ассемблер, отладочную программу, библиотеку стандартных
подпрограмм, загрузчик, текстовые и диагностические программы и др.
Редактор текстовой информации, или просто редактор текстов,
позволяет вводить программы через устройство ввода в некоторую
область оперативной памяти, вызывать любую запись из памяти, мо-
дифицировать ее и вновь возвращать в память. Команды редак-
тора текста делятся на четыре группы: ввода (ввод текста в рабочую
область), манипуляции указателем буфера (размещение указателей
в рабочей зоне для последующего редактирования некоторого фраг-
мента), вывода (вывод текста на внешнее устройство), манипуляции
данными (собственно редактирование).
Программа-ассемблер презназначена для обработки исходного
текста прикладной программы, написанной с помощью мнемониче*
ских обозначений входного языка ассемблера, для п^образования
этого текста в объектный код, загружаемый в память микроЭВМ;
для последующего выполнения программы. Программа-ассемблер
осуществляет ввод и вывод исходного текста, вывод объектного кода.
В типичной ассемблерной программе встречаются три вида предло-
508
жений: символические команды для микроЭВМ, которые трансли-
руется в команды на соответствующем языке машины в объектной
программе; директивы самого ассемблера, управляющие процессом
трансляции; комментарии, которые воспроизводятся в листинге
программы для документирования, но не влияют на процесс транс-
ляции.
Если система команд микропроцессора точно соответствует вход-
ному языку ассмеблера, то программа-ассемблер вырабатывает на
один оператор языка по одному машинному коду (трансляция «один
к одному»). На практике некоторые операторы языка развертываются
Рис. 24.1. Состав технологической операционной системы микроЭВМ
в несколько машинных команд. Некоторые последовательности ко-
манд ассемблера могут быть обозначены как микрокоманды и впо-
следствии вызваны по имени в любом месте программы. В этом слу-
чае макрогенератор ассемблера сформирует таблицу макроопределе-
ний и, используя содержащуюся в ней информацию, построит по
макровызовам макрорасширения.
Отладочная программа, или просто отладчик, упрощает отладку
на микроЭВМ объектной программы, выполняя индикацию или мо-
дификацию содержимого памяти или регистров микропроцессора,
программу с указанного адреса или заданную команду при соблю-
дении определенного условия, трассировку команд, т. е. вывод каж-
дой команды и результата ее выполнения, трассировку групп команд.
Отладочная программа работает обычно в интерактивном (диалого-
вой) режиме и интерпретирует команды программиста.
Библиотека стандартных подпрограмм содержит подпрограммы
наиболее часто используемых процедур, таких как арифметические
операции над числами в форме с плавающей запятой, вычисление
функций, работа с многоразрядными числами и др.
509
Загрузчик — это программа, которая помещает объектную про- |
грамму в определенную зону оперативной памяти, присваивая коман- 1
дам программ абсолютные адреса. На загрузчик могут быть также |
возложены функции установления связей между объектными про- |
граммами путем использования в них взаимных ссылок (этот процесс |
называют редактированием внешних связей). Загрузчик использует |
управляющую информацию языкового транслятора (например, ас- |
семблера) и указания программиста. 1
Тестовые и диагностические программы предназначены для |
оценки работоспособности аппаратной части микроЭВМ. Объектами |
в данном случае являются блоки памяти, микропроцессор, внешние |
устройства. j
Условная структура технологической операционной системы |
и ее «расположение» относительно аппаратной части микроЭВМ и |
прикладного математического обеспечения показаны на рис. 24.1. |
В состав операционкой системы не включены компиляторы с язы- 1
ков высокого уровня, которые в перспективе найдут широкое приме- 1
нение, например, для разработки прикладного математического обес- я
печения управления с помощью таких языков, как Паскаль, Ада. 1
§ 3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ |
Исполнительные операционные системы, как уже отме- 1
чалось выше, создают среду для выполнения прикладных программ. |
Они должны обеспечивать параллельное выполнение нескольких фик- 1
сированных задач, синхронизированное с внешними событиями, об- я
условленными поведением объекта управления. В минимальном 1
варианте исполнительная операционная система обеспечивает работу Я
с одним заданием в режиме мультипрограммирования на уровне Я
задач. При этом выполняются две основные функции: распределение Я
времени микропроцессора, синхронизация и связь между задачами. Ж
Время процессора распределяется на основе фиксированных или Я
динамических приоритетов, присваиваемых задачам. Диспетчериза- Ц
ция задач с фиксированными приоритетами целиком осуществляется Я
операционной системой. Динамические приоритеты задач изменяются J
в ходе вычислительного процесса, причем это изменение произво- Ц
дится соответственно некоторому алгоритму. Для этого создается Л
специальный монитор, действующий внутри задания на правах за- я
дачи и сообщающий исполнительной операционной системе текущие
значения приоритетов. я
Синхронизация задач проявляется таким образом, что некоторая Я
задача может запускать или останавливать другие задачи в зависи- Я
мости от определенных условий. Связь задач состоит в том, что они я
обмениваются между собой сообщениями. Синхронизация и связь ж
осуществляются через операционную систему, которая выполняет Ж
роль посредника между асинхронно выполняемыми Задачами; при- ж
чем для обращения к операционной системе используется аппарат Ж
прерываний. ’ Ж
Исполнительная операционная система сама забирает процесс
сорное время, «отнимая» это время у задач. По этой причине важное
510
значение приобретает минимизация «накладных расходов» на работу
операционной системы. Кардинальным решением проблемы ускоре-
ния работы исполнительной операционной системы является микро-
программная реализация ее отдельных функций.
Анализируя структуру исполнительной операционной системы
реального времени, можно обнаружить те же две части, что и в техно-
логической, а именно управляющие (называемые иногда ядром опе-
рационной системы) и обрабатывающие (называемые также утили-
тами) программы.
Основные функции ядра операционной системы реального вре-
мени можно определить следующим образом.
1. Управление задачами. Ядро должно предоставлять некоторой
задаче, работающей под его управлением, возможность активизиро-
вать или деактивизировать другую задачу, приостанавливать свое
выполнение на определенный срок, запускать некоторую задачу
циклически и т. д.
2. Управление приоритетами. Как уже отмечалось, все задачи
в системе должны иметь определенный приоритет, и должна сущест-
вовать возможность изменять его. Задачи получают доступ к ресур-
сам в соответствии со своим приоритетом и избранной для этого ре-
сурса дисциплиной обслуживания. Например, процессор может быть
предоставлен наиболее приоритетной из готовых к выполнению про-
грамм. Другой вариант — процессор получает первая программа из
стоящих к нему на очереди. В некоторых случаях задача кроме про-
граммного может еще располагать и аппаратным приоритетом, т. е.
приоритетом, которым при выполнении этой задачи наделяется про-
цессор относительно других устройств системы.
3. Обмен информацией между задачами. Здесь возможно не-
сколько вариантов. Во-первых, ядро может поддерживать глобаль-
ные области, доступные всем задачам. Во-вторых, задача, активизи-
руя.другую, может передавать ей данные и в свою очередь получать
их по завершении созданной задачи. В-третьих, обмен сообщениями
возмбжен с помощью так называемых обменников, т. е. объектов спе-
циальной природы,' к которой система организует очередь задач,
ждущих сообщения.
4. Защита от тупиков, т. е. предотвращение ситуаций, в которых
одна задача ожидает события, связанного с работой другой задачи,
которая в свою очередь ожидает первую.
5. Динамическое распределение памяти. Необходимость этих
функций связана со все растущим объемом математического обеспе-
чения и необходимостью сделать всю систему резидентной, что остав-
ляет для прикладных задач все меньше и меньше адресного простран-
ства (объем памяти, как правило, ограничен из-за 16-разрядной раз-
мерности слова микропроцессора).
6. Инициация системы, т. е. установка всех начальных значений.
Функции утилит операционных систем реального времени та-
ковы.
I. Осуществление ввода-вывода. Здесь можно упомянуть два
класса процессов. Первые некритичны ко^времени; это обмен с опе-
511
раторской консолью, скорость и приоритет которых определяются
реакцией оператора. Ко второму классу относятся обмен и обра-
ботка прерывания со стороны интерфейсов оборудования. Подобные
процессы относятся к высокоскоростным и высокоприоритетным.
2. Компилирование, в том числе и с языков высокого уровня.
Включение компиляторов в состав исполнительных операционных
систем реального времени весьма желательно, хотя и не всегда выпол-
нимо (из-за ограниченных вычислительной мощности и памяти).
3. Редактирование текстов прикладных программ, например,
редактирование файлов управляющих ЧПУ. По-видимому, функции
редактора текстов управляющих программ не зависят от типа уст-
ройства ЧПУ, и такой редактор можно вывести из состава приклад-
ной компоненты математического обеспечения.
Важнейшим ресурсом вычислительной системы реального вре-
мени является процессор. В системах реального времени без разде-
ления времени передача этого ресурса от задачи к задаче может
произойти лишь в двух случаях: при выдаче программой запроса
системе, в результате которого текущая задача может быть приоста-
новлена; или при появлении внешнего требования на прерывание при
условии, что задача разрешает процессору такое прерывание. Разде-
ление времени, т. е. Деление всего процессорного времени на кванты
определенной длины и выдача этих квантов разным задачам по не-
редко весьма сложным правилам, требует усложнения операционной
системы и увеличения доли времени, занимаемого собственной ра-
ботой ее.
§ 4. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Рассмотрим пример операционной системы реального вре-
мени с точки зрения возможностей, которые она предоставляет раз-
работчику математического обеспечения. Речь пойдет об операцион-
ной системе реального времени, разработанной на базе микроЭВМ
«Электроника-60», ориентированной на взаимодействие с приклад-
ными задачами ЧПУ.
Система полностью резидентна (объем занимаемой памяти 4 К
слов) и не предоставляет возможности управления внешними запо-
минающими устройствами. Для собственной работы операционная
система использует менее 10 % процессорного времени. При ее при-
менении трудоемкость проектирования математического обеспечения
ЧПУ снижается в 2—3 раза за счет сокращения объема специально
разрабатываемого математического обеспечения в рамках приклад-
ной компоненты, а также в результате улучшения общей организа-
ции взаимодействия задач.
Обращение прикладных задач к операционной системе осущест-
вляется с помощью специальных инструкций. Нейтральной частью
Операционной системы является модуль обработки этих инструк-
ций, который, кроме того, обеспечивает сохранение и последующее
восстановление информации о прерванной задаче. Обработка ин-
струкции состоит в передаче управления тому модулю системы, кото-
512
фЫй ответственен за исполнение соответствующей функции. Подоб-
-йые модули, в свою очередь, используют для своей работы значитель-
ное количество универсальных подпрограмм: обработки списков,
управления памятью, драйверов стандартных устройств ввода-вы-
вода и т. п. Таким образом, универсальные обрабатывающие под-
программы оказались по существу включенными в ядро операцион-
ной системы. Это характерно для многих экономичных операцион-
ных систем реального времени, поставленных на микроЭВМ, по-
. скольку точное местоположение ряда обрабатывающих программ
в иерархии ядро — утилиты — прикладные программы определить
. бывает трудно.
Задачи в системе могут быть активными и неактивными. Не-
активные задачи не принимают участия в конкуренции за ресурсы;
активные же могут находиться в трех состояниях: выполнения, го-
товности к выполнению, ожидания (события, освобождения ресурса,
.истечения времени). В любой момент выполняется лишь одна про-
грамма, и процессор может быть передан в двух случаях: при выдаче
. выполняемой программой соответствующего запроса или при внеш-
нем прерывании. Дисциплина обслуживания строго на приоритетной
.основе, любой освободившийся ресурс выдается программе с наи-
-большим приоритетом. Кроме понятия «задача» существует понятие
«подзадача». Подзадачи отличаются от задач тем, что являются опре-
деленным образом зависимыми от создавших их задач (передают и
-получают от них некоторые данные и т. п.). В дальнейшем под созда-
нием задачи понимается ее активизация, а под уничтожением — де-
активизация.
Функциональные возможности операционной системы выяв-
ляются при анализе следующих вариантов запросов (со стороны при-
кладной компоненты) к ядру. . к
1. Инициировать систему. Этот запрос очищает таблицы ядра и
создает задачу нулевого приоритета, необходимую для лредотвраще-
,.н]ия сбоев в отсутствии готовых к выполнению задач. Задача нулевого
приоритета в свою очередь создает задачу, написанную в рамках
прикладной компоненты для инициации этой компоненты.
2. Создать подзадачу, создать подзадачу с ожиданием, создать
задачу, безусловное создание подзадачи, безусловное создание задачи.
-’Эти запросы в общих чертах аналогичны; они предназначены для ак-
тивизации указанной задачи или подзадачи и отличаются поведе-
нием в случае невозможности выполнить требуемую функцию.
3. Ожидать подзадачу, ожидать задачу. Программы, выдавшие
такие запросы, переводятся в ожидание до окончания указанной под-
задачи или задачи. >
4. Занять устройство, освободить устройство. По этим запросам
^названное устройство закрепляется за задачей или освобождается.
5. Объявить устройство доступным, объявить устройство недо-
-ступным. Соответствующее устройство включается или исключается
из системы.
6. Инициировать ввод, инициировать вывод. Подобные задачи
запускают процедуру ввода или вывода.
17 П/р В. Э. Пуша 513
7. Ожидать завершения ввода-в'ывода, ожидать прерывания ;вт
устройства, ожидать истечения временного интервала, ожидать пре-
рывания от устройства с контролем по времени. Программы, вы-
давшие эти запросы, переходят в ожидание соответствующего собы-
тия.
8. Выделить блок памяти, освободить блок памяти, безусловное
выделение памяти. Такие запросы относятся к динамическому управ-
лению памятью.
9. Пауза, продолжить подзадачу, продолжить задачу. Первый
из этих запросов переводит задачу или подзадачу в состояние ожи-
дания на неопределенный срок. Другие два запроса переводят при-
остановленную программу в состояние готовности.
10. Уничтожить задачу, уничтожить подзадачу. Указанные за-
просы относятся к деактивизации программы.
11. Изменить приоритет программы.
12. Конец программы, конец программы с сохранением памяти.
Эти запросы деактивируют выдавшую их программу, причем во
втором случае память, выделенная задачей, не возвращается в пул
свободной памяти.
Завершив рассмотрение примера исполнительной операционной
системы реального времени, вновь обратимся одновременно к техно-
логическим и исполнительным классам операционных систем.
Выделение двух указанных классов операционных систем порож-
дает две проблемы: проблему совместимости этих систем при их раз-
дельном использовании и проблему совместимости тех же систем при
их одновременном использовании в режиме мультипрограммирова-
ния. Первая проблема означает, что прикладные объектные про-
граммы, полученные в среде технологической операционной системы,
должны без всяких изменений выполняться в среде исполнительной
операционной системы. Это требует унификации обращений к опе-
рационным системам как со стороны готовых, так и разрабатывае-
мых программ. Вторая проблема актуальна, естественно, лишь
в тех случаях, когда отладка и выполнение осуществляются на одних
и тех же вычислительных средствах. Подобная ситуация представ-
ляется пока в отношении ЧПУ несколько искусственной, однако
пренебрегать ею не следует, имея в виду непрерывное увеличение
вычислительной мощности устройств ЧПУ. Одновременное использо-
вание технологической и исполнительной операционных систем воз-
можно лишь в том случае, если обеспечены прямые и обратные дина-
мические переходы от одной системы к другой.
§ 5. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ УСТРОЙСТВЕ ЧПУ
КАК ВИРТУАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ
Продолжим анализ системных математАяеских средств.
Микропроцессорное устройство ЧПУ является проблемно-ориенти-
рованной вычислительной машиной реального времени и, как любое
вычислительное устройство, может быть определено в виде интегри-
рованного набора алгоритмов и структур данных. Как вычислитель-
514
пая машина, устройство ЧПУ способно хранить и выполнять в ре-
альном масштабе времени управляющие программы ЧПУ. Сущест-
вует несколько способов построения требуемой вычислительной ма-
шины, в том числе и устройства ЧПУ.
При аппаратной реализации структуры данных и алгоритмы
представлены непосредственно физическими устройствами — элек-
тронными блоками с фиксированными функциями (такая возмож-
ность была рассмотрена в отношении аппаратных устройств ЧПУ).
При программно-аппаратной реализации структуры данных и алго-
ритмы обеспечены микропрограммами, выполняемыми на соответ-
ствующей микропрограммнруемой аппаратной машине. При про-
граммно-моделируемой реализации структуры данных и алгоритмы
представлены программами, написанными на языке опорной машины
(аппаратной или программно-аппаратной) таким образом, что язык
управляющих программ для моделируемой машины является ма-
шинным. При комбинированной реализации одна часть вычисли-
тельной машины обеспечивается аппаратурой, другая — микро-
программами, третья — с помощью программного моделиро-
вания.
Аппаратную вычислительную машину называют реальной. Ма-
шину, которая частично или полностью моделируется программами
нли микропрограммами, называют виртуальной. Машинным языком
виртуальной вычислительной машины является выполняемая форма
программы, выдаваемая транслятором.
Для микропроцессорных устройств ЧПУ структуры данных и
алгоритмы, используемые при обработке управляющих программ,
написанных на входном языке устройств (например, в коде ISO-7bit),
также определяют некоторую вычислительную машину. Эта машина
в значительной степени смоделирована программно, например, на
базе некоторой микроЭВМ. В силу этого микропроцессорное устрой-
ство ЧПУ становится виртуальной вычислительной машиной, опре-
деляемой реализацией входного языка управляющих программ.
Следовательно, входной язык управляющих программ можно пола-
гать машинным для виртуального вычислителя, в качестве которого
выступает микропроцессорное устройство ЧПУ.
Виртуальный вычислитель (микропроцессорное устройство ЧПУ)
является на самом деле иерархической системой виртуальных машин,
в основании которой лежит аппаратная микропроцессорная струк-
тура (рис. 24.2). Аппаратная структура оснащена несколькими
слоями математического обеспечения, что обращает ее в конечную
виртуальную машину, существенно отличающуюся от исходной.
Каждая промежуточная виртуальная машина располагает собствен-
ными языковыми средствами, которые воспринимаются на своем ие-
рархическом уровне как машинный код и в то же время могут послу-
жить основой для построения виртуальной машины более высокого
иерархического уровня. Таким образом, помимо иерархии вир-
туальных машин (средняя колонка на рис. 24.2) существует иерар-
хия языковых средств (правая колонка) и иерархия слоев математи-
ческого обеспечения (левая колонка).
17* 615
Первый слой, обращающий исходную микропроцессорную струк-
туру устройства ЧПУ в виртуальную машину первого уровня —
это совокупность микропрограмм. Второй уровень виртуальной ма-
шины определяется сложным набором программ, написанных на
языке микрокоманд и составляющих операционную систему базового
вычислителя устройства ЧПУ. Конкретно речь идет об исполнитель-
ной операционной системе реального времени, особенности которой
Рйс. 24.2. Микропроцессорное устройство ЧПУ как виртуальная вычислительная
машина
были рассмотрены выше. В состав операционной системы входит ас-
семблер, а быть может, и транслятор с языка высокого уровня; Та-
ким образом, ассемблер или язык высокого уровня являются на дан-
ном уровне виртуальности входными машинными языками, которые
могут быть использованы для программного моделирования очеред-
ной виртуальной машины. Этой очередной (третьей) виртуальной
машиной является уже само устройство ЧПУ, причем данный урот
вень виртуальности определяется сложным набором прикладных
программ ЧПУ в составе проблемно-ориентированной (технологиче-
ски ориентированной) операционной системы ЧПУ.
На третьем уровне виртуальности решается Основная задача
ЧПУ — отработка управляющих программ, заданных на входном
языке ЧПУ обычно в коде ISO-7bit; однако этот уровень не предо-
ставляет современного сервиса при подготовке управляющей про-
граммы. Особенности подобного сервиса таковы: стандартные циклы,
< 616
i
параметрические подпрограммы, макроязык пользователя, диалог,
автоматизированная подготовка программ и т, д. Все эти особенно-
сти, будучи реализованными, фактически превращают устройство
ЧПУ в автоматизированное рабочее место АРМ—ЧПУ — виртуаль-
ную машину четвертого иерархического уровня. Для указанной реа-
лизации необходим еще один слой математического обеспечения, ко-
торый может быть оформлен в виде операционной системы АРМ—
ЧПУ.
Представление об устройстве ЧПУ как виртуальном вычислителе
(см. рис. 24.2) полезно с нескольких точек зрения.
1. Модель устанавливает отношение каждого последующего слоя
математического обеспечения к предыдущему. Становится очевид-
ным, что особенности и степень сложности проблемно-ориентирован-
ной операционной систему ЧПУ в значительной степени опреде-
ляются особенностями и степенью сложности операционной системы
общего назначения базового вычислителя. Чем более богатой опера-
ционной системой располагает базовая микроЭВМ, тем более просто
дается переход к тому уровню виртуальности, на котором решаются
задачи обработки (отработки) управляющих программ. Операцион-
ная система общего назначения может отсутствовать вообще; но
в этом случае на долю разработчиков операционной системы ЧПУ
выпадет чрезвычайно сложная работа, в рамках которой придется
создавать не только прикладные программы ЧПУ, но и среду для
квазипараллельного функционирования этих программ.
2. Модель позволяет поставить проблему оптимизации границ
между отдельными операционными системами. Оптимизация должна
быть подчинена целям эффективной разработки множества комплек-
тов математического обеспечения ЧПУ, целям эффективного расши-
рения некоторого конкретного комплекта, повышения возможностей
для пользователя создавать собственные версии математического
обеспечения. Оптимизация должна исходить также из целесообраз-
ности автоматизированного проектирования математического обес-
печения ЧПУ в соответствии с конкретным техническим заданием.
3. Модель подсказывает, что каждый слой математического обес-
печения, поднимающий систему на очередной уровень виртуальности,
может быть организован по типу операционной системы, поскольку
такое решение может быть наиболее гибким. В частности, именно та-
ким образом целесообразно строить математическое обеспечение
ЧПУ. Подобный вывод достаточно продуктивен для разработчиков
прикладного математического обеспечения ЧПУ, которые не в долж-
ной мере используют богатый опыт системного программирования.
Этот опыт свидетельствует о том, что специальные решения и чрез-
мерно сложные структуры, введенные с намерением сэкономить место
в памяти или повысить быстродействие, не всегда оправданы. При-
чина состоит в том, что истинные затраты, связанные с длитель-
ностью разработки и конечной надежностью, часто перекрывают
реальную экономию памяти и процессорного времени.
4. Модель демонстрирует различные возможности построения ко-
нечной виртуальной машины. Так, могут независимо существовать
517
все уровни виртуальности (и при этом будет достигнута наибольшая
декомпозиция), либо смежные уровни могут образовывать еднноё
целое. Это объясняет существование большого числа вариантов струк-
турной организации математического обеспечения микропроцессор-
ных устройств ЧПУ. Выбирая вариант, естественно отдать пред-
почтение более надежному математическому обеспечению, которое
будет наиболее структурированным н логически стройным.
5. Модель является «открытой» сверху, что позволяет предпо-
ложить существование еще более высоких уровней виртуальности,
6}
которые могут появиться по мере увеличения функциональных
возможностей ЧПУ. Так, помимо автоматизированной подготовки
управляющих программ возможно представить в перспективе и
какой-то вариант автоматизированного конструирования, по край-
ней мере, по отношению к некоторому классу деталей (например,
шестерням),
«Взаимоотношение» отдельных уровней иерархии виртуальных
машин можно проиллюстрировать. На рис. 24.3 показано, что
структуры отдельных уровней, по сути дела, одинаковы, и отдель-
ные блоки каждого варианта структуры несут одинаковую по смы-
слу нагрузку.
На рис. 24.3, а представлена структура фнзилеской машины
(см. также рис. 23.12), связь основных аппаратных блоков вну-
тренней структуры в которой осуществляется с помощью аппарат-
ной шины, а связь с внешним миром производится через аппа-
ратный интерфейс. На рис. 24.3, б показано, что сама физическая
.518
фашина может служить программно-аппаратным средством связи
блоков виртуальной машины — базового вычислителя, т. е. физи-
ческая машина становится программно-аппаратно-реалнзованной
шиной. Внешним входом для этого уровня виртуальности являются
программы, роль интерфейса для которых выполняет транслятор
с ассемблера или языка высокого уровня. Путь к внешнему выходу
управления лежит через физическую машину предыдущего иерархи-
ческого уровня. Структура устройства ЧПУ, приведенная на
рис. 24.3, в, идентична. Роль системы связи специфических блоков
Рис. 24.4. Операционная система ЧПУ и входные языковые средства ЧПУ
данного уровня выполняет программно-реализованный базовый вы-
числитель более низкого иерархического уровня, т. е. на этот раз
базовый вычислитель выступает в качестве программно-реализован-
ной шины. Внешним входом для этого уровня виртуальности яв-
ляются управляющие программы ЧПУ, интерфейсом для которых
служит транслятор с языка управляющих программ. Путь к внеш-
нему выходу управления лежит через нижние иерархии машин.
Операционная система ЧПУ, представленная на рис. 24.3, в
в составе блоков устройства ЧПУ, имеет структуру, свойственную
всем операционным системам. В ее составе можно выделить обра-
батывающие программы (рис. 24.4). В комплексе управляющих
программ различимы подсистемы управления заданиями, управле-
ния задачами, управления данными, причем программы управления
задачами представляют собой то, что на уровне базовой операци-
онной системы мы называли прикладным пакетом. В числе обраба-
тывающих программ — интерпретатор языка панели оператора,
компилятор языка программ ЧПУ, редактор текста программ ЧПУ.
Язык панели оператора устройства ЧПУ — это директивный язык
для связи с операционной системой ЧПУ.
По своему смыслу клавишные указания панели оператора пред-
назначены для настройки операционной системы ЧПУ на выполне-
19
ние определенного рода работ и являются, следовательно, элемен-
тами языка управления заданиями ЧПУ. Входной текст управляю-
щей программы, содержащий геометрические, технологические и
вспомогательные описания, относится к языку задач. Таким обра-
зом, устройство ЧПУ располагает теми же классами входных язы-
ковых средств, что и ЭВМ общего назначения, а кроме того, и до-
полнительным классом, который охватывает сигналы, поступающие
со станка. К этому классу относится язык станка, т. е. язык объ-
екта управления.
ГЛАВА 25
СТРАТЕГИЯ ОРГАНИЗАЦИИ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧПУ
§ 1. СОДЕРЖАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Проблема разработки математического обеспечения ЧПУ
имеет две составляющие. Содержанием первой является тщательная
отработка отдельных, в принципе известных алгоритмов ЧПУ и
создание новых частных алгоритмов. Накопленный фонд алгоритмов
ЧПУ достаточно велик, тем не менее, он непрерывно пополняется.
Широким фронтом продолжаются, например, разработки и уточне-
ния алгоритмов многокоординатной интерполяции, реализация ко-
торых требует больших затрат вычислительной мощности, а потому
нередко определяет саму архитектуру устройства ЧПУ. Вторая
составляющая проблемы математического обеспечения ЧПУ — это
координация всех алгоритмов ЧПУ, конкурирующих в запросах
к ресурсам устройств ЧПУ. Сложность этой части проблемы в том,
что общее число алгоритмов в системе ЧПУ исчисляется сотнями, и
организация их взаимодействия является стратегической задачей,
определяющей в конечном счете надежность математического обе-
спечения.
Обращаясь к организации математического обеспечения ЧПУ,
охарактеризуем функциональные проблемы, которые находятся
в центре внимания разработчиков математического обеспечения:
выделение процессов реального времени; структуризация математи-
ческого обеспечения; организация базы данных; использование
в проекте математического обеспечения принципов построения одно-
родных вычислительных сетей, идей теории трансляции, принципов
построения операционных систем.
§ 2. ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
В составе математического обеспечения ЧПУ обнаружи-
ваются две группы процессов — подготовка данных в машинном
масштабе времени и управление задачами реального времени
620
(рис. 25.1). Эти процессы существенно различаются; при этом они
должны быть синхронизированы между собой. Первую группу
нередко называют «медленной», а вторую — «быстрой», что опреде-
ляется как допустимой задержкой в исполнении процедур, так и
временем исполнения процедур. Примерами медленных процессов
могут послужить ввод и размещение программы, трансляция про-
граммы, внецикловые подготовительные расчеты для интерполяции
и др. В качестве примеров быстрых процессов можно указать ин-
терполяцию, управление разгонами и торможениями, управление
Рис. 25.1. Две группы процессов в микропроцессорном устройстве ЧПУ
приводами, компенсацию ошибок, .слежение за границами допусти-
мого рабочего пространства и т. д.
Синхронизация подготовки данных и управления задачами мо-
жет быть выполнена на уровне базовой операционной системы реаль-
ного времени, которая «прикрывает» от разработчика математи-
ческого обеспечения ЧПУ необходимость детального распределения
процессорного времени. Если операционная система реального вре-
мени не применяется, разработчик математического обеспечения
ЧПУ сам создает те или иные механизмы взаимодействия указанных
групп задач, как правило, на основе специальных программ-диспет-
черов. Некоторые особенности механизмов взаимодействия поясним
на примере.
Пример — организация работы на постоянной несущей частоте, заданной цик-
личностью интерполяционных расчетов либо цикличностью управления приводами
подачи. .
521
Принципы пошаговой интерполяции, разработанной для аппаратных устройств
ЧПУ (на основе метода оценочной функции, цифровых дифференциальных анализа-
торов и др.), неприемлемы для микропроцессорных систем ЧПУ из-за ограничен-
ного быстродействия процессора. Элементарные расчеты показывают, что длитель-
ность интерполяционного вычислительного цикла, привязанного к каждому уни-
тарному импульсу, выдаваемому в привод, должна в этом случае (исходя из макси-
мальной требуемой частоты импульсов) исчисляться единицами микросекунд, а это
.невозможно. Не следует также забывать, что процессор должен обрабатывать и дру-
гие многочисленные задачи. По этой причине получил распространен не так назы-
ваемый метод работы «на постоянной несущей частоте», организуемой таймером.
Интерполяционный расчет в этом случае состоит не в определении необходимости
выдачи унитарного импульса в привод той или иной координаты, а в вычислении
Рис. 25.2. Циклограмма взаимодействия быстрых и медленных процессов
кодовых приращений для каждого привода на предстоящий период постоянной не-
сущей частоты. Эту частоту выбирают в диапазоне 100—400 Гц, руководствуясь
определенными, хотя и противоречивыми соображениями. С одной стороны, эту
частоту хотелось бы уменьшить для того, чтобы в оставшееся от интерполяционного
цикла время (в каждом периоде постоянной несущей частоты) могли быть обслужены
н другие задачи. С другой стороны, эту частоту необходимо увеличивать, чтобы наи-
лучшнм образом воспользоваться фильтрующими способностями следящих приводов
подачи (дискретность кодовых посылок не должна оказывать влияние на контур-
ную точность).
Теперь возникает возможность дать более точное определение быстрым н мед-
ленным процессам. К быстрым относятся те процессы, которые начинаются и завер-
шаются в рамках одного периода постоянно несущей частоты и не прерываются тай-
мером. В число медленных могут быть включены процессы, которые не успевают
закончиться н одном периоде постоянной частоты н прерываются таймером, причем
прерывание процесса до его полного завершения может быть многократным. Эти
прерываемые процессы называют также фоновыми.
Циклограмма взаимодействия быстрых и медленных процессов представлена на
рис. 25.2. Здесь показан пример распределения процессорного времени в рамках
одного периода постоянной несущей частоты. В различных устройствах ЧПУ бы-
стрые процессы обслуживаются либо соответственно их приоритетам, либо в жесткой
последовательности. То же относится и к медленным процессам, занимающим фоно-
вое время.
Подобная организация управления может быть использовав и в однопроцес-
сорных, и в мультипроцессорных устройствах ЧПУ. Рассмотрим, например, построе-
ние управляющего процесса в устройстве с четырьмя микропроцессорами, функции
которых распределены следующим образом.
Первый микропроцессор (ведомый) занимаетси обслуживанием приводов, вы-
числениями, связанными с замыканием контуров следящих систем, а также и неко-
522
торыми другими задачами реального времени (адаптивное управление и др.). Неболь-
шое время занимают фоновые программы связи и обмена информацией.
Второй микропроцессор (ведомый) формирует управляющие команды на основе
интерполяционных расчетов соответственно управляющей программе. Необходимые
Обнаружение задания на круговую интерполяцию,
передача пикрапроцессору 2
Передача первого приращения
Передача второго приращения ит.д.
возврат к
исполнению
отставленных
задач-.
Новая инструкция для
.интерполяции
Ведущий пикррпроцессор
внецикловые
расчеты
Управление привода»
Микропроцессор 1
а)
Чтение датчика обратной связи, выдача управляющих сигналов
Предварительные (опережающие) расчеты, адаптивное управление
\ г Фоновые задачи - обпен данным и связь с ведущие! пикропрацессороп
1-я координата 2-я координата J-я координата
Л ериод постоянной несуще и частоты
в)
Рис. 25.3. Циклограмма совместной работы микропроцессоров устройства ЧПУ
‘при круговой интерполяции:
а — упрощенная циклограмма, не отражающая миогокоордйнатного управления; б
уточнение применительно к многокоордннатному управлению
для этого данные поступают от ведущего микропроцессора. Здесь нет основной и
фоновой секций, нет необходимости в прерываниях, выполняемые задачи носят чисто
вычислительный характер. Эти вычисления создают определенный задел в интерпо-
ляционных циклах и прекращаются только тогда, когда заполняется собственная
523
обменная память микропроцессора типа «почтовый ящик» (точно такой же обменной
памятью располагают и все другие микропроцессоры).
Третий микропроцессор (ведомый) обслуживает станочную автоматику и играет
роль программируемого контроллера. Команды поступают из ведущего микропро-
цессора соответственно управляющей программе.
Четвертый микропроцессор (ведущий) опрашивает пульт оператора и выполняет
вводимые команды, при загрузке перфоленты читает и запоминает данные, при отра-
ботке программы выдает управляющие сигналы ведомым микропроцессорам. Он
играет роль связующего звена между ведомыми микропроцессорами.
Циклограмма совместной работы микропроцессоров (исключая микропроцессор
станочной автоматики) показана на рис. 25.3 на примере круговой интерполяции.
Управление следящими приводами осуществляется на постоянной несущей частоте,
и интерполятор предоставляет первому микропроцессору расчеты в виде кодовых
приращений на предстоящий период. После заполнения обменной памяти интерпо-
ляционными расчетами и приостановки своей работы второй микропроцессор ожи-
дает свободное место в памяти, и при его появлении интерполяционные расчеты
возобновляются. Циклограмма на рис. 25. 3, а упрощена, на ней не показано одно-
временное управление несколькими приводами подачи; на рис. 25. 3,6 работа пер-
вого микропроцессора показана подробнее, в более «растянутом» временном масштабе.
§ 3. СТРУКТУРИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧПУ
При разработке математического обеспечения ЧПУ це-
лесообразно использовать приемы структурного программирования.
Один из приемов состоит в том, что система строится по иерархи-
ческому принципу, причем:
ца каждом иерархическом уровне не известно о свойствах (и
даже о существовании) более высоких уровней;
на каждом уровне ничего не известно о внутреннем строении
других уровней;
каждый уровень представляет собой группу модулей; на более
высоком уровне известны имена этих модулей, которые и являются
средством сопряжения с этим уровнем;
каждый уровень располагает определенными ресурсами и либо
скрывает их от других уровней, либо предоставляет другим уров-
ням некоторые их абстракции;
предположения, которые на каждом уровне делаются относительно
других уровней, должны быть минимальными; эти предположения
могут принимать вид условий, которые должны сообщаться перед
выполнением функций, либо они могут относиться к предостав-
лению данных.
Приведем пример такой организации математического обеспече-
ния ЧПУ, которая в определенной степени следует указанным
принципам.
Пример — структурированная организация математического обеспечения ЧПУ»
В общей структуре математического обеспечения (МО) ЧПУ выделены три
уровня (рис. 25.4): уровень диспетчера (на этом уровне разрешены передачи упра-
вления по прерыванию), уровень функциональных программ Фп, уровень элемен-
тарных функциональных программ ЭФП.
К нижнему уровню ЭФП относятся следующие процедуры: организация инфор-
мационного обмена со станком (задание скоростей подачн и быстрого хода, включе-
ние-выключение станка, обработка осведомительных сигналов и сигналов обратной
связи)., интерполяция, определение квадрантов, расчет приращений, чтение реги-
524
®тров, разделение припуска на проходы, коррекция программы и др. Другие ЭФП
связаны с выполнением логических (обработка изменений в «слове состояния станка
и системы управления», связанных
с ходом технологического процесса
или вмешательством в процессе управ-
ления с пульта оператора) или вычис-
лительных (например, подготовка ин-
терполяции) операций.
В задачу среднего уровня ФП
входит последовательный вызов необ-
ходимых программ ЭФП. Каждая про-
грамма ФП выполняет кадр или часть
кадра управляющей программы ЧПУ.
Поскольку кадр содержит геометри-
ческую и технологическую информа-
цию, целесообразно иметь отдельные
программы ФП для обработки инфор-
мации этих двух видов. Для токар-
ного станка к первой группе программ
ФП могут быть отнесены: позиционное
управление по прямой, интерполяция
и управление перемещением по кон-
туру, резьбонарезание, торможение,
ручной ввод данных. Во вторую группу
программ ФП войдут: смена и -коррек-
ция инструмента, установка частоты
вращения шпинделя, управление пода-
чей смазочно-охлаждающей жидкости.
Рис. 25.4. Трехуровневая структурная
схема математического обеспечения ми-
кропроцессорного устройства ЧПУ
На верхнем уровне диспетчера осуществляется ввод управляющей программы,
выполняется передача управления по прерываниям, организуется вызов программ ФП
соответственно содержимому одного кадра управляющей программы. Одна из задач,
решаемых диспетчером, состоит н вводе и размещении данных; причем различаются
Загрузочный регистр I
Нет
•Да
Нет
Нет
Да
Нет
Вызов соответствующей
ФП
Вызов Соответствующей
ФП
Вызов соответствующей
ФП
Управление станочной
автоматикой
С-1------------------—---------Jiern
Прямоугольное управление}—.
Да
Функциональная программа
прямоугольного управления
Функииональная программа
Позиционного управления
Да
интерполяция
Да_______________
Вызов ФП контурного
управления
___/ Линейная
\интерполяция
Нет
А
Вызов ФП контурного
управления
Рис. 25.5. Алгоритм диспетчирования при выполнении управляющей программ^
52^ ,
данные, зависящие и не зависящие от формы детали. Первые (директивы языка
задач) поступают с управляющей программой в общую рабочую зону; вторые (ди-
рективы языка заданий) приходят с панели оператора и со станка и заполняют
«слово состояния». Управление выполнением программы происходит соответственно
алгоритму диспетчирования (рис. 25.5).
Прерывания обслуживаются в рамках диспетчера (таймерные, прерывания
с панели оператора и др.). Заявки на обслуживание заносятся в список, а обслу-
живание заявок выполняется соответственно приоритету. Программы выполняются
с открытым или запрещенным прерыванием, что устанавливается диспетчером.
§ 4. ОРГАНИЗАЦИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ЧПУ
Как отмечалось ранее, устройство ЧПУ может быть за-
дано совокупностью алгоритмов и структур данных. Упорядочен-
ные структуры данных в устройстве ЧПУ представляют собой неко-
торую базу данных, которая подлежит проектированию наряду
с проектированием собственно математического обеспечения.
В состав базы данных входят упорядоченные массивы храни-
мых управляющих программ, различного рода таблицы, специаль-
ным образом организованные кадры управляющей программы,
отображающие различные стадии подготовки к отработке, векторы
управления, информационные векторы для индикации и визуализа-
ции и т. д. Некоторые вопросы организации базы данных станут
предметом рассмотрения в очередном примере.
Пример — организация базы данных в устройстве ЧПУ, построенном на двух
микроЭВМ.
Структура базы данных определяется задачами устройства ЧПУ и распреде-
лением функций между отдельными вычислителями. В рассматриваемом примере
каждая микроЭВМ располагает операционной системой ЧПУ. В составе первой
операционной системы — диспетчер, а также подсистемы управления индикацией,
преобразованием информации, записью кадров в память программ и чтением кадров
из памяти, выводом информации на перфоленту, вводом информации с пульта,
исполнением программы, диагностикой. В составе второй операционной системы —
диспетчер, а также подсистемы интерполяции и управления контурной скоростью,
управления приводами подач.
Соответственно указанному распределению функций общая структура базы
данных выглядит так, как это показано на рис. 25.6, где кроме структурных, компо-
нентов базы данных показаны еще и важнейшие программно-математические модули,
взаимодействующие с этими компонентами.
От общего структурного задания базы данных необходимо перейти к детализи-
рованному описанию всех ее составляющих. Далее рассмотрим в качестве примера
способ организации хранения управляющих программ. В рассматриваемой системе
предусмотрено хранение нескольких управляющих программ, которым предпосы-
лается оглавление следующей формы:
Адрес первого кадра первой программы
Адрес последнего кадра первой программы
Страницы памяти первого и последнего кадров
Номер программы (заводской)
Количество отработок
Адрес первого кадра «-й программы
526
Рис. 25.6. База данных микропроцессорного устройства ЧПУ
ъп
Собственно программа составлена из кадров, каждый из которых связан1
с последующим и предыдущим (двухсвязная структура). При этом кадры не обя-
зательно должны следовать один за другим в порядке возрастания их номеров.
Структура каждого отдельного кадра выглядит так:
Адрес следующего кадра
Адрес предыдущего кадра
Страница следующего и предыдущего кадров.
Счетчик длины кадра
Номер кадра
Собственно кадр
Контрольная сумма
Подобная организация удобна при поиске и редактировании любого информа-
ционного фрагмента.
§ 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЕКТЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ
ОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Некоторые исследователи считают, что методология про-
ектирования математического обеспечения мультипроцессорных уст-
ройств ЧПУ должна быть принципиально иной, нежели при проек-
тировании однопроцессорных устройств. Один из продуктивных
подходов к проектированию мультипроцессорных систем состоит
в использовании принципов децентрализации и однородности. В та-
ких системах интерактивность процессов минимальна, а надежность
высокая, поскольку вероятность отказа более чем одного микро-
процессора ничтожна. Однородная структура позволяет перераба-
тывать большие суммарные объемы информации, осуществлять
взаимную диагностику микропроцессоров, передавать задачи от-
казавшего микропроцессора другому микропроцессору.
Устройства ЧПУ, которые в полной мере использовали бы идеи
децентрализации и однородности связей, пока не нашли широкого
распространения. Однако можно привести пример промежуточного
удачного решения, которое может подсказать дальнейшую направ-
ленность работ.
Пример — децентрализованное мультипроцессорное устройство с ЧПУ с одно-
родными связями. Использованы четыре микропроцессорныЛмодуля, соединенных
в нерегулярную структуру через интерфейсные микропроцессорные узлы. Подоб-
ная структура в качестве одного из вариантов показана на рис. 23.3, д.
В каждом микропроцессорном модуле всегда активен резидентный системный
процесс, который отвечает за распределение ресурсов микропроцессора. Все другие
(рабочие) процессы, активные или пассивные, также заранее имеются в памяти,
528
причем каждому процессу придается информация о необходимых ему ресурсах.
Любой активный процесс может активизировать пассивный в рамках всей сети.
Если запрос на активизацию получен, системный процесс проверяет, имеется ли
запрашиваемый процесс в микропроцессорном модуле.
При положительном результате запрашивающему про-
цессу посылается ответ. Запрашиваемый процесс мо-
жет одновременно находиться в нескольких микро-
процессорных модулях. Поэтому запрашивающий
процесс может сделать выбор между полученными
ответами.
Все рабочие процессы делятся на две категории:
быстрые (критичные ко времени исполнения) и мед-
ленные (время исполнения жестко не лимитировано).
Быстрые процессы управляются внешними прерыва-
ниями в рамках обслуживания прерывания (рис. 25.7).
Подпрограммы системного процесса позволяют
обращаться с рабочими процессами, сообщениями,
таймерами, как с данными: выбрать сообщение из про-
цесса для передачи в сеть; привести процесс в состоя-
ние ожидания, пока сообщение не будет передано
в сеть; перевести процесс в состояние ожидания, пока
сообщение ие будет получено из сети; перевести про-
цесс в состояние ожидания, пока он не будет активи-
зирован другим процессом либо прерыванием. .
Связи основных рабочих процессов (для трех ко-
ординат) показаны на рис. 25.8. Подобная декомпози-
ция математического обеспечения ЧПУ не является
иерархической, поскольку взаимодействие осуще-
ствляется не на основе «ведущий—ведомый».
Процесс «управляющая программа» вырабатывает
Рис. 25.7 Обслуживание
быстрых и медленных про-
цессов в микропроцессор-
ном модуле
команды соответственно тексту управляющей про-
граммы, принимает управляющие программы от ЭВМ верхнего ранга, посы-
лает команды на движение процессам «приводы подачи», посылает команды
для управления автоматикой станка. Процесс «привод подачи» получает команды на
движение, принимает сигналы обратной связи по положению приводов, формирует
сигналы управления регулируемым приводом, передает информацию процессу
Рис. 25.8. Взаимодействие основных рабочих процессов устройства ЧПУ
«диагностика». Процесс «автоматика станка» получает команды со стороны процесса
«управляющая программа», принимает осведомительные сигналы со станка, взаимо-
действует с панелью оператора, выдает управляющие сигналы на станок, передает
информацию о станке процессу «диагностика». Процесс «диагностика» получает
информацию о приводах подачи и состоянии станка, обрабатывает информацию
о качестве н условиях обработки, направляет сообщения об ошибках процессу
«управляющая программа», передает информацию о качестве и условиях обработки
к- ЭВМ верхнего ранга.
529
Принято, что каждый микропроцессорный модуль должен вести два рабочих
процесса. Далее принято, что при отказе одного микропроцессорного модуля система
должна продолжать работать, а при выходе из строя двух модулей должна быть
осуществлена безопасная остановка и установлена причина отказа. Один из вари-
антов раскрепления функций выглядит так. Модуль 1: «управляющая программа»
и «привод подачи»; модуль 2: «привод подачи» и «диагностика»; модуль 3: «привод
подачи»; модуль 4: «автоматика станка».
При выходе из строя модуля 1 потребуется реконфигурация системы путем
передачи «привода подачи» и «управляющей программы» соответственно модулям
3 и 4. Интерфейсы должны быть соответственно автоматически переключены. Об от-
казе информируются ЭВМ и оператор.
При выходе из строя модуля 2 целесообразно останавливать станок и для этого
иметь все процессы «привод подачи» и процесс «автоматика станка» с тем, чтобы оста-
новка была безопасной. После такой остановки должен быть возобновлен процесс
«диагностика» для тщательной оценки ситуации.
§ 6. ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТА ТРАНСЛЯЦИИ К РАЗРАБОТКЕ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧПУ
Ранее было отмечено, что микропроцессорное устройство
ЧПУ является виртуальной вычислительной машиной со структу-
рами данных и алгоритмами, реализованными главным образом
программным путем. Отдельные уровни виртуальности обозначены
различными операционными средствами, функции которых состоят
в трансляции вычислительной машины данного уровня на уровень
Рис. 25.9. Модель устройства ЧПУ в виде транслятора
более низкий. Отсюда можно сделать предположение в возможности
использования аппарата теории трансляции при разработке матема-
тического обеспечения того уровня виртуальности, который опре-
деляет проблемную ориентацию устройства ЧПУ.
Подобная возможность следует и из соображений самого общего
характера. В самом деле, числовое управление можно рассматри-
вать как процесс перевода некоторых исходных указаний в выход-
ной объектный код. При этом исходные указания Сформулированы
на языке задач (управляющая программа) и на языке заданий (ди-
рективы панели оператора), а объектным кодом являются сигналы
управления приводами подачи и электроавтоматикой, информаци-
онные блоки индикации и тексты визуализации (рис. 25.9, а также
530
Рис. 25.10. Алгоритмы и структуры дан-
ных в аппаратном устройстве ЧПУ
см. рис. 24.4). Определив формаль-
ным образом входные и выходные
языковые средства, тем самым за-
дадим условия для синтеза тран-
слятора. Такая перспектива при-
влекает прежде всего возмож-
ностью построения (в том числе
и автоматизированного) регуляр-
ной структуры математического
обеспечения на основе однообраз-
ной, высокоэффективной и хорошо
разработанной теории трансляции
языков ЭВМ.
Трансляторы, выполненные на
основе специальных схемных ре-
шений, можно обнаружить и
в аппаратном устройстве ЧПУ
(рис. 25.10). Структуры данных
организованы в виде специально
выделенных регистров (регистры
буферной и рабочей памяти, вход-
ные и выходные), а аппаратно-
реализованные модули посредни-
чают между регистрами, выполняя
функции перевода внешних представлений на язык внутренних ре-
гистров, функции перевода с языка одних регистров на язык других.
Для микропроцессорного устройства ЧПУ структура данных
выглядит значительно сложнее и может быть задана информаци-
онным графом (рис. 25.11). Узлы графа являются зонами специально
организованной памяти или векторами состояния и принадлежат
структуре данных, а дуги должны быть нагружены процедурами (на
рисунке не показаны), осуществляющими передачу и преобразование
йнформации от одного узла к другому. Эти узлы сгруппированы
по переходам (источники информации, информационные массивы
источников, входные массивы и др.) таким образом, что переходы,
расположенные левее, соответствуют более ранним этапам перера-
ботки информации. Охарактеризуем отдельные переходы подробнее.
Источники информации. По своему происхождению входная ин-
формация отличается тем, что поступает в устройство ЧПУ с панели
оператора с внешнего носителя по каналам обратной связи. По сво-
ему назначению эта информация может быть ориентирована на тех-
нологический объект (например, коррекции инструмента станка,
константы станка, описанные функций электроавтоматики), на ра-
бочий процесс (например, управляющая программа обработки де-
талей на станке, директивы с панели оператора), на множество ра-
бочих процессов (типовые подпрограммы).
531
По своей семантике входная информация отображает задачи
(в составе управляющей программы в коде ISO-7bit), задания (с по-
мощью некоторого подмножества директив о панели оператора)»
протекание процесса управления (в виде совокупности сигналов
Источники
инторнаиии
ВыыШыг
источнш!
-] ЯИЭ
j ДДТ
Входной текст
панем-задомая
для зяектро-
абтопатаки
Входной текст
панели оператора
ни языке задания
Входной текст
внешнего носите-
ля на языке задач
Главные
пассивы
Входной текст
ни языке станка-
обратная.связь
приводов
Пропежуточ-
ные пассивы
Входной текст
ламели оператора
на языке задач
Входной текст
панели-задачи
для злоктро-
овтонатихи
Входной текст
на языке станка-
осбедонительные
сигналы
П.8Ы
I БП.М
-| И,ОС
Рис. 25.11. Структура данных микропроцессорного устройства ЧПУ:
П — память; БП — буферная память; В — вектор; Б — буфер; ВУЗ — вектор управления
заданиями; ПоС — поиск слова; ПрС — преднаббр слова; ВЗ — ввод задач; СОС — сигналы
обратной связи приводов подачи; 33А — задания для электроавтоматики; РУ — ручное
управление; ОС — осведомительные сигналы; УП — управляющие программы; КК —
косвенная коррекция; Пп — подпрограммы; КИ — коррекция инструмента; ПС — пара-
метра станка; ПН — программа диагностики; ВЗЭА — вектор заданий для электроавто-
матики; ВРУ — вектор ручного управления; ВОСЭ — вектор осведомительных сигналов
электроавтоматики; ВБ К — вектор буферного кадра; BQH — вектор операций цикла;
ВОСц — вектор осведомительных сигналов; ВРК — вектор рабочего кадра; ВОС — вектор
обратной связи; ВСЭА — вектор состряний электроавтоматики станка; ВИ — вектор инди-
кации; ВК — вывод кадра; ВУП — вектор управления приводами; ВВСЭ — вектор выход-
ных сигналов электроавтоматики станка; Д — дисплей; Си — световая индикация; ВС —
вывод символа; ВПО — вывод признаков отказов; УП — управление приводами; ВСиЭ —
выходные сигналы электроавтоматики
обратной связи приводов подачи и осведомительных сигналов элек-
троавтоматики). По частоте входа входная информация подразде-
ляется на однократно вводимую при стыковке с объектом (константы
станка, описание функций электроавтоматики); вводимую периоди-
чески по мере надобности (коррекции инструмента); вводимую
с каждым очередным заданием на исполнение рабочего процесса
(задачи, задания); вводимую с высокой частотой в ходе исполнения
рабочего процесса (сигналы обратной связи и осведомительные).
По возможности редактирования информация может быть непосред-
ственно редактируемой (задачи, задания, описание электроавтома-
тики), косвенно редактируемой (задачи), нередактируемой (сигналы
обратной связи и осведомительные).
532
if Информационные массивы источников. Эти массивы служат для
приема внешней информации в определенном формате и заполняются
аппаратно или программно. Структура вектора управления зада-
ниями определяется множеством клавиш и переключателей, имена
которых являются элементами словаря языка панели оператора.
Команды кода ISO-7bit, если они вводятся для описания задач
вручную с панели, поступают в память преднабора слова. Память
преднабора используется при ручном вводе информации или ре-
дактировании, а память поиска слова — при редактировании. При
вводе задач с внешнего носителя символы кода ISO-7bit попадают
в буферную память ввода задач. Структура буферной памяти сиг-
налов обратной связи определяется особенностями следящих при-
водов подачи у объекта (станка) и общим числом этих приводов.
Буферная память электроавтоматики содержит описания заданий,
задач, вводимых вручную при наладке (отдельные операции электро-
автоматики, входящие в состав сложного цикла, задаваемого ко-
мандой в коде lSO-7bit), осведомительных сигналов в унитарном
представлении.
Входные массивы. Центральную часть входных массивов зани-
мают три зоны, отведенные управляющей программе, подпрограммам
и корректуре программ. Программа косвенной коррекции загру-
жается, наряду с основной управляющей программой, через фото-
ввод, с клавиатуры панели оператора или смешанным образом.
В дальнейшем обе программы вступают во ‘взаимодействие, в ре-
зультате чего формируется скорректированная и оптимизированная
рабочая программа; при этом, однако, исходные тексты сохраняются
в памяти в неизменном виде. Память коррекций инструмента, па-
мять параметров станка заполнены константами.
Программы диагностики относятся к специальному резидент-
ному математическому обеспечению и предназначены для обнару-
жения отказов в аппаратной части при исполнении логических и
вычислительных процедур, а также на уровне ввода информации.
Задания и осведомительные сигналы электроавтоматики преобразо-
ваны из битного в байтное представление для более удобного об-
ращения с информацией. Память вектора ручного управления яв-
ляется своеобразным буферным кадром электроавтоматики, вводи-
мым с панели для ручного воспроизведения отдельных операций
сложного цикла, имя которого определяется командой ISO-7bit.
Промежуточные массивы. Целью формирования промежуточных
массивов является предварительная подготовка управляющей ин-
формации, предшествующая команде начала ее отработки. Вектор
буферного кадра является подготовительным фрагментом управля-
ющей программы. Память вектора операций цикла электроавтома-
тики станка содержит имена отдельных операций сложных циклов
электроавтоматики, задаваемых в кадре управляющей программы.
В памяти вектора осведомительных сигналов цикла находятся ад-
реса тех ячеек памяти вектора осведомительных сигналов электро-
автоматики, в которых хранятся текущие состояния осведомитель-
ных сигналов, приданных данному циклу.
533
Главные массивы содержат рабочую управляющую информацию,
обработка которой ведется в целях исполнения предусмотренных
в управляющей программе задач. Вектор рабочего кадра сформиро-
ван к , началу его отработки, однако некоторые коррективы допу-
стимы и в процессе отработки кадра. Вектор обратной связи слу-
жит для организации оперативного управления координатными
следящими приводами подачи.Вектор состояния электроавтоматики
отображает текущие положение или состояние всех механизмов
электроавтоматики станка.
Выходные массивы. Здесь складываются результаты вычислений
и информационных преобразований, которые послужат в дальнейшем
источником управляющих воздействий на объект (станок). Вектор
управления приводами формируется по результатм интерполяцион-
ных расчетов и расчетов скорости подачи. Вектор выходных сигна-
лов электроавтоматики содержит текущий набор управляющих
команд, которые должны быть выданы объекту до прихода очередной
серии осведомительных сигналов. Векторы индикации составлены из
всех компонентов, которые необходимы оператору станка постоянно
или могут заинтересовать его выборочно.
Информационные массивы потребителей составлены из групп
выходных буферных регистров, предназначенных для передачи ин-
формации внешним потребителям. Передача может быть организо-
вана аппаратно или программно.
Потребители информации. Основным потребителем информации
является объект управления (станок). Совокупность управляющих
команд может быть квалифицирована как объектный код управле-
ния. Другими потребителями информации являются средства ви-
зуализации — дисплей и световая индикацияя. Эти средства нахо-
дятся на панели оператора устройства ЧПУ.
Как уже отмечалось, переходы от одного вектора состояния
к другому осуществляются под действием процедур, которые об-
ращаются к векторам состояния для чтения или записи. Програм-
мный модуль, соответствующий той или иной процедуре, можно рас-
сматривать в качестве посредника между векторами либо между
вектором и некоторым языковым представлением во внешнем ка.-
нале. Это и позволяет конструировать модуль по типу транслятора,
формализовать процесс конструирования, а во многих случаях и
автоматизировать этот процесс. Отдельные программные модули-
трансляторы могут быть объединены в крупные программно-ма-
тематические блоки, которые организационно также могут быть
построены по типу трансляторов. Примером подобного объединения
может послужить приведенная ниже совокупность блоков.
Блок диспетчера операционной системы ЧПУ объединяет логи-
ческие связи, вытекающие из синтаксиса языка управления зада-
ниями. Этот блок читает директивы панели оператора в векторе
управления заданиями и организует автоматические циклы одного
из режимов работы микропроцессорного устройства ЧПУ.
Блок ввода-вывода управляющих программ и директив панели
оператора формирует вектор управления заданиями, необходимый
534
$дя работы диспетчера. Через специальные интерфейсные узлы блок
связывается с периферийными устройствами. С помощью драйверов
ввода блок вводит управляющую программу либо в память управ-
ляющих программ, либо в память косвенной коррекции, либо в па-
мять подпрограмм. Те же драйверы могут вводить числовые массивы
в память коррекций инструментов или память параметров станка
с перфоленты или панели оператора. Блок может также осуществлять
запись информации в память вектора индикации или вывода кадра.
Блок управления и подготовки памяти управляющих программ
состоит из двух частей с разделением по основным и дополнительным
функциям. Модуль основных функций выбирает текущий кадр из
памяти управляющих программ, памяти косвенной коррекции или
памяти подпрограмм с учетом признака пропуска кадра и записывает
его информацию в память буферного кадра. Модуль дополнительных
функций на стыке векторов буферного и рабочего ка'дров выполняет
коррекцию на длину инструмента или на радиус инструмента (или
с вводом переходных окружностей, или с учетом пересечения экви-
дистант), осуществляет программируемые циклы и зеркальное ото-
бражение. Таким образом, кадр прежде чем попасть в память век-
тора рабочего кадра для исполнения, обрабатывается несколько
раз, всякий раз подвергаясь трансляции.
Блок интерполяции и управления приводами подачи осуще-
ствляет очередную трансляцию геометрической информации из
вектора рабочего кадра, буферной памяти состояния обратной связи
приводов в память вектора управления приводами с учетом пара-
метров станка (например, корректур накопленных погрешностей
ходового винта и т. д.).
Блок технологических функций электроавтоматики транслирует
технологическую информацию из памяти вектора рабочего кадра,
буферной памяти осведомительных сигналов электроавтоматики
в выходной вектор электроавтоматики.
ГЛАВА 26
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ возможности
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ ЧПУ
§ 1. ВАРИАНТЫ УСТРОЙСТВ ЧПУ С позиций
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
Спектр функциональных возможностей современных уст-
ройств ЧПУ чрезвычайно разнообразен. С позиций «функциональ-
ности» все устройства можно укрупненно разбить на пять групп:
устройства со стандартными фиксированными функциями; устрой-
ства с гибкими возможностями, устройства повышенной сложности
на базе мини-процессора; массовый недорогой вариант; устройства
с явно выраженной ориентацией на ручной ввод данных.
Устройства ЧПУ со стандартными фиксированными функциями
выпускают большими сериями, главным образом для токарной или
535
фрезерной обработки. Функциональные возможности таких ус£Т
ройств имеют математическое обеспечение в постоянной памяти. В них
имеются дисплеи и внешние накопители программ; конструктивное
исполнение, по большей части, модульное; для управления автома-
тикой станка предусмотрена связь с программируемым контрол-
лером; в число стандартных функций могут входить макроязык
пользователя, программирование с десятичной точкой; в распоря-
жении программиста развитой набор G-функций и т. д. Критерием
оптимальности для таких систем определяют минимум стоимости
при четко очерченных станкостроителями функциональных возмож-
ностях.
Устройства ЧПУ с гибкими возможностями используют для
станков повышенной точности и сложности. Эти устройства, в отли-
чие от предыдущей группы, имеют мультипроцессорную структуру,
.большую главную память, обширную память программ (полупровод-
никовую и дисковую), развитую систему интерфейсов для внешних
связей, число управляемых координат до шестнадцати, цену диск-
реты 1 мкм или менее, коррекцию шага винта, например, в 1000
точках для каждой координатной оси, и т. д. Многие функции для
такйх устройств указывают как сводобно выбираемые, например,
возможен выбор типа датчика обратной связи, тогда как для преды-
дущей группы предполагают один определенный.В этих устройствах
широко используется перепрограммируемая память, поддержива-
ющая тот или иной вариант из числа допустимых; память на цилин-
дрических магнитных доменах. Существует возможность создания
параметрических подпрограмм, специфических для пользователя.
Обычно критерием оптимальности для подобных систем является
максимальный спектр функциональных возможностей при некоторых
ограничениях на стоимость.
Вычислительные возможности устройств ЧПУ на базе мини-
процессора выше, чем микропроцессорных, поэтому и функциональ-
ные возможности таких устройств выше, чем у предыдущих групп,
но они дороже. Их используют для управления особо сложными и
уникальными станками, гибкими производственными модулями (ячей-
ками), станками с адаптивным управлением, станками для безлюд-
ной технологии. Накоплен опыт создания математического обеспе-
чения для устройств ЧПУ с мини-процессорами, в том числе на основе
языков высокого уровня, и этим отчасти объясняется живучесть
таких систем.
Ориентация мощных устройств ЧПУ с ми ни-процессорам и на
безлюдную технологию определяет специфические черты и дополни-
тельные функции таких устройств. В частности, предусматривают:
автоматическое изменение таблиц коррекций инструмента, базовых
смещений и исходных координат по результатам измерения инстру-
мента, детали, базовой поверхности; автоматическою компенсацию
температурных смещений шпиндельной бабки; автоматическое опре-
деление поломок инструмента, идентификацию этих поломок и выбор
стратегии выхода из аварийной ситуации; контроль за непревыше-
нием стойкости инструмента, автоматическую замену инструмента,
536
\ -
йбторый исчерпал свой ресурс; автоматическое центрирование
(совмещение оси шпинделя с осями отверстий деталей). Указанное
расширение функций изменяет привычную структуру управляющей
программы и даже сам стиль программирования, который в значи-
тельной степени напоминает стиль программирования ЭВМ.
Продолжим характеристику функциональных групп устройств
ЧПУ. Рассмотренные ранее устройства ЧПУ со стандартными фи-
ксированными функциями оказываются избыточными при позици-
онном управлении либо управлении несложными технологическими
процессами. Именно для таких случаев за последние годы разра-
ботаны массовые недорогие варианты устройства ЧПУ, ориентиро-
ванные на управление чрезвычайно разнообразным оборудованием
и на модернизацию универсальных станков. В простейшем случае
в составе устройства—цифровая индикация и блок управления при-
водом, последовательно подключаемый к каждой координатной оси.
Память устройства ограничена заранее обусловленным числом
кадров управляющей программы. Обычно программу вводят с па-
нели оператора либо с помощью кассеты. В более сложных случаях
предусмотрена линейная двухкоординатная интерполяция. Формат
данных обычно фиксирован.
Этот вариант устройства ЧПУ вовсе не является простой систе-
мой, и в этом смысле не удивительно, что такие системы появились
позднее других. Тщательно отобранные функции (в том числе мощная
диагностика, развитая система параметров для адаптации к объ-
екту), самая современная и высоконадежная схемотехника, доступ-
ность для программирования на «цеховом уровне» — все эти ка-
чества (при невысокой стоимости) позволяют подобные устройства
ЧПУ использовать для несложного оборудования, несмотря на то,
что такому оборудованию доступны и привычные традиционные
способы управления. Таким оборудованием могут быть несложные
токарные, сверлильные и шлифовальные станки, механические нож-
ницы, гибочные станки и листоштамповочные прессы, механические
пилы, резательные машины, деревообрабатывающие станки, сбо-
рочные машины, подъемники автоматизированных складов, кон-
вейеры, поворотные столы, механизмы автоматической смены ин-
струмента и др.
Высокая значимость массовых недорогих устройств ЧПУ в том,
что по мере их широкого и повсеместного внедрения в существующем
производстве в целом произойдут кардинальные изменения, ощу-
тимые в общегосударственном масштабе.
К последней группе, очерченной с позиции функциональности,
были отнесены так называемые оперативные устройства ЧПУ,
ориентированные на ручной ввод управляющей информации. В прин-
ципе, все современные устройства ЧПУ приспособлены к ручному
вводу. Отличием же устройств рассматриваемого вида является то,
что значительная часть расчетов, связанных с подготовкой управляю-
щей программы, осуществляется в самом устройстве ЧПУ на основе
специальных резидентных средств математического обеспечения.
Эти средства поднимают языковый уровень управляющей программы
537
за счет широкого применения разнообразных макроопределений;#
благодаря которым оказывается возможным готовить управляющую
программу прямо у станка, например, лишь на основе данных чер-
тежа. Детали процедуры ввода управляющей информации у разных
систем различны и зависят от входного языкового уровня. Так,
производители универсальных оперативных систем используют
G-функции для определения видов контура и циклов. Станкострои-
тели, занимающиеся выпуском собственных систем применительно
к своим станкам либо оснащающие свои станки специально зака-
занными системами, в одних случаях используют на панелях управ-
ления специальные клавиши для специальных функций, а в других
случаях — н специальные клавиши, и G-функции. Спецификой
рассматриваемой группы является диалоговый ввод с помощью
дисплея. Некоторое распространение получает голосовой ввод
управляющей программы, который ускоряет процедуру ввода про-
граммы примерно в 20 раз.
§ 2. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЪЕКТА
НА СИСТЕМУ УПРАВЛЕНИЯ
Обзор и анализ функциональных групп устройств ЧПУ
убеждает в том, что концепция современной системы числового уп-
равления складывается под влиянием объекта (станка), но в свою
очередь влияет на концепцию конструкции объекта (станка). Ха-
рактерной особенностью современного металлорежущего оборудо-
вания является то, что станки оснащают все более развитой «ста-
ночной периферией», которая служит для связи и интеграции с внеш-
ней производственной средой. Можно выделить одиннадцать групп
станочной периферии: 1) роботы, погрузчики; 2) подающие и транс-
портирующие устройства; 3) устройства управления точностью
обработки; 4) устройства управления инструментом; 5) контроли-
рующие устройства; 6) устройства для обработки результатов кон-
троля; 7) зажимные и удерживающие устройства; 8) устройства
управления стружкообразованием и удалением стружки; 9) устрой-
ства для обнаружения бракованных изделий; 10) устройства для
идентификации заготовок и вызова соответствующих управляющих
программ; 11) устройства, управляющие режимом обработки. Не
вызывает сомнения, что в будущем беспериферийная работа стан-
ков станет столь же неестественной, сколь и беспериферийная ра-
бота ЭВМ.
Таким образом, базовым компонентом автоматизироввного про-
изводства станет со временем гибкий производственный модуль.
В подобный модуль войдет многооперационный станок (возможно,
два станка) с одним или двумя магазинами сменных инструментов
(сами магазины также могут быть сменными), возможно, с прямым
доступом к магазину со стороны инструментального потока; со сред-
ствами загрузки деталей или спутников либо непосредственно- со
стороны транспортного потока, либо через накопитель деталей или
спутников; со средствами контроля инструментов в процессе реза-
538
нйя либо путем эпизодического автоматического их осмотра, либо
путем слежения за параметрами процесса обработки; со средствами
контроля, измерения и первоначальной настройки, информация
которых служит целям автоматической коррекции; со средствами
управления всеми основными и вспомогательными процессами.
Развитие станочной периферий серьезно усложняет и без того слож-
ные функции управления, которые все чаще приобретают черты
вычислительной сети. На рис. 26.1 в качестве примера показана
структурная схема системы управления токарным станком.
Рис. 26.1. Станочная конфигурация и конфигурация системы управления
Определяя круг функциональных возможностей системы число-
вого управления, следует иметь в виду ее связи со своим оборудо-
ванием (например, в составе гибкого производственного модуля),
а также с другими компонентами производственной среды (например,
в составе гибкой производственной системы). Если воспользоваться
терминологией из вычислительной техники, то гибкая производствен-
ная система строится путем комплексирования гибких производ-
ственных модулей и всякого рода дополнительных средств (рис. 26.2).
Такое комплексирование организуется по принципу сети. В самом
деле, транспортная подсистема, подключенная к отдельным станкам
и автоматизированному складу, есть не что иное, как «транспортный
канал типа общая транспортная шина». Комплексирование объек-
тов с помощью такого канала осуществляется по типу «общая па-
мять», в качестве которой выступает автоматизированный склад
деталей и заготовок. Точно так же инструментальная подсистема,
539
подключенная к отдельным станкам и складу инструментов или ин-
струментальных магазинов, представляет собой «инструментальный
канал типа общая инструментальная шина».
Комплексирование станков на основе такого канала и здесь осу-
ществляется по типу «общая память», физической реализацией ко-
торой является инструментальный склад. Информационно-вычисли-
тельная подсистема пронизывает всю гибкую производственную
систему и осуществляет комплексирование систем управления отдель-
ными объектами по типу «процесс—процесс». По мере совершенство-
вания информационно-вычислительной подсистемы станет воз-
можным:
Уровень Г
планирования |
Производственные
задания_______
Планирование производство
Уровень
операций
Управление производством
Оперативная информация
о ходе производственного
процесса
Исходные
донные
Данные по
транспорту
I Исходные задания Транспортные
Y'r* Производственные
данные
Данные управле-
ния
'Исходные задания Транспортные задания
неисправнос-
тягкзароботной
ллате, сроках
Заказы но поставку \
Yf Данные по ‘
поставкам
Подсистемы
производства
Управление
складам
Готовые
изделия
Инструменты
Материал
Управление
ркяавоп
У продление
транспор-
там
Упривпение
ся падем
Управление
оборудова-
нием
Исполнитель-
ный уровень
Рис. 26.2. Комплексирование оборудования в гибкой производственной системе
Склад
Готовый
изделий
обращение к банку всех управляющих программ, когда-либо
использованных иа предприятии, или к центральному банку управ-
ляющих программ;
полная автоматическая подготовка управляющей программы не-
посредственно на рабочем месте на основе упрощенных описаний
деталей и заготовки;
адаптивное управление с использованием любых критериев
(в том числе и нескольких в рамках обработки на черновых и чисто-
вых режимах) на основе полной информации о ходе процесса обра-
ботки и опережающего моделирования этого процесса;
автоматическое формирование текущих статической, динами-
ческой и термической моделей станка и учет этих данных при обра-
ботке;
полная диагностика всех механизмов станка и настройка усло-
вий работы механизмов на оптимальные условия; управление «са-
мовосстановлением станка»; определение гарантированного (с - от-
счетом от данного момента) времени безотказной работы;
540
в полное исключение брака путем приостановки процесса при по-
явлении вероятности брака с выдачей всех рекомендаций на последу-
ющее;
подготовка либо корректировка управляющих программ для дру-
гих станков, на которые передается деталь, с полным учетом всех
промежуточных результатов;
оценка «цеховой ситуации» и определение обрабатывающей ячей-
кой своей роли;
«подчиняющее» управление другим станком;
повышенный сервис оператору на рабочем месте, включая трех-
мерную графику, т. е. изображение наладок и вектора формообра-
зования и др.
Следовательно, функциональные возможности некоторого устрой-
ства ЧПУ укрупненно определяются принадлежностью этого устрой-
ства к одной из пяти функциональных групп, а детально прояв-
ляются на фоне разнообразных связей устройства с объектом, с дру-
гими устройствами и системами, с оператором.
Остановимся подробнее на таких важнейших функциональных
возможностях микропроцессорных устройств ЧПУ, как повышен-
ный языковый уровень управляющих программ, а также способ-
ность' адаптации к объекту и потребителю.
§ 3. языковый УРОВЕНЬ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Мощным средством увеличения функциональности микро-
процессорного устройства ЧПУ является повышение языкового
уровня управляющих программ. Такое повышение осуществляется
на основе включения в текст программ различного рода макроопре-
делений (стандартных циклов, готовых форм); обычных подпрограмм
и подпрограмм, составленных на основе «макроязыка пользователя»,
упрощенных (в сравнении с обычным стандартом ISO) описаний
контура. Повышению языкового уровня способствует безэквиди-
стантное программирование. Наиболее высок языковый уровень
тех устройств, которые располагают встроенными средствами авто-
матизированной (в диалоге с оператором) подготовки управляющих
программ, в том числе и в процессе обработки предыдущей управля-
ющей программы («параллельное программирование»). Рассмотрим
указанные возможности подробнее.
Стандартный цикл устанавливает строго определенную последо-
вательность движений, параметры которых заданы вне цикла в тек-
сте управляющей программы либо фиксированы. Фиксация неко-
торых параметров может быть выполнена разработчиком системы
управления или станкостроителем при стыковке системы управле-
ния с объектом. Иногда циклы трактуют как обычные подпрограммы,
но постоянно хранимые в памяти устройства ЧПУ, в отличие от
пользовательских подпрограмм, свободно вводимых и свободно
уничтожаемых.
Набор стандартных циклов определен технологическим назна-
чением станка. Например, широкое распространение получили свер-
541
лильные циклы и цикл «схема сверления», циклы резьбонарезания,
циклы многопроходной токарной обработки, циклы фрезерования
карманов и цикл «схема фрезерования» и др.
Рис. 26.3. Модификации
цикла глубокого сверления
В качестве примера на рис. 26.3 показаны две модификации цикла
глубокого сверления (незаштрнхованная и заштрихованная стрелки
означают соответственно ускоренное перемещение и рабочую по-
Рис. 26.4. Стандартный цикл
«схема сверления»
дачу). Компоненты любого цикла
определены абстрактными парамет-
рами, численные значения которых
должны быть заданы в тексте управ-
ляющей программы. •
Стандартный цикл «схема свер-
ления» показан на рис. 26.4. Цикл
может быть задан, например, таким
набором параметров (<параметр>
-> R < номер параметра >); R22,
R23 — координаты центра схемы
сверления; R24 — радиус окружно-
сти, на которой расположены от-
верстия; R25 — начальный угол
расположения первого отверстия;
R26 — угловой шаг расположения
отверстия; R27 — число отверстий;
R28 — номер выбранного стан-
дартного сверлильн^о цикла. Цикл
обеспечивает последовательное автоматическое позиционирование
в центрах отверстий, переход к сверлильному циклу после каж-
дого очередного позиционирования; возврат к переходам схемы
сверления по завершении цикла. «Схема сверления» совместно
542
•С атрибутами некоторого сверлильного цикла позволяет лаконично
Описать законченный сложный технологический процесс обработки
группы отверстий.
Циклы нарезания резьбы являются непременной принадлежно-
стью устройства ЧПУ, ориентированного на токарную обработку.
В рамках этих циклов возможность автоматического многопроход-
ного резьбонарезания распространяется на цилиндрическую на-
ружную и внутреннюю резьбу, а также на конической поверхности.
За циклами закрепляют определенную группу параметров, задавая
Рис. 26.5. Стандартный цикл резьбонарезания:
а — пример задания параметров цикла; б — варианты формирования профиля резьбы
которые, определяют цикл в конкретных размерах. Форма задания
численного значения параметра обычно такова: <форма задания
численного значения параметра > —> R < номер параметра > <; чис-
ленное значение параметра >. За циклом резьбонарезания может быть
закреплена, например, такая группа параметров: R20 — шаг резьбы;
R21, R22 — координаты начальной точки; R23 — число чистовых
проходов; R24 — глубина резьбы («-{-» для внутренней резьбы и
«—» для наружной); R25 — глубина последнего прохода; R26 —
участок врезания; R27 — участок выбега; R28 — число черновых
проходов; R29 — угол наклона профиля; R31, R32 — координаты
конечной точки. Пример реализации цикла резьбонарезания пред-
ставлен на рис. 26.5, причем на рис. 26.5, б показана двоякая воз-
можность формирования профиля резьбы от одного хода к другому.
543
Из числа токарных циклов выделяется, как наиболее «мощный^,
цикл многопроходной (с автоматическим распределением припуска)
обработки произвольного контура. Формальное описание цикла
может быть составлено так (используем в описании форму Бэкуса—
Наура): Сописание цикла >
-> N < номер кадра >
<список параметров>
LF N < номер кадра ><
вызов цикла > LF; < список
параметров > -> R20 < но-
мер подпрограммы, описыва-
ющей обрабатываемый про-
филь R21 < исходная точка
по координате X > R22 < ис-
ходная точка по координате
Z > R24 <припуск на чис-
Рис. 26.6. Цикл многопроходной обра- товую обработку по оси
ботки произвольного профиля X > R25 < припуск на чисто-
вую обработку по оси Z>
R26< глубина черновой обработки > R27 < коррекция ра-
диуса инструмента > R29 <технологические указания >; <вызов
цикла >-> L95. Построение цикла пояснено на рис. 26.6.
Технологические указания представлены двузначным кодом, пер-
вая цифра которого определяет условия получения контура
Рис. 26.7'. Технологические условия образования Контура:
а -т- движение инструмента параллельно координатной осн; б — форма профиля перед по-
следним черновым рабочим ходом (зачернен припуск под чистовую обработку); о — Движе-
ние Инструмента параллельно окончательному контуру; г -г- припуск, снимаемый во время
последнего чистового рабочего хода
(рис. 26.7), а вторая свидетельствует о расположении зоны обра-
ботки и направлении движения инструмента внутри этой зоны
(рис. 26.8).
Перейдем далее к пояснению сущности «готовых форм». Готовые
формы, в отличие от стандартных циклов, полностью заданы в кон-
кретных размерах и являются стандартизованными компонентами
контура детали. Два примера «готовых форм» доя токарной обработки
показаны на рис. 26.9. Задание «готовой формы» состоит лишь в ее
привязке к контуру детали, а вызов осуществляется путем обрете-
ния к подпрограмме с помощью G-функции или специально выделен-
ной клавиши. ••
544
Использование подпрограмм является удобным средством со-
кращения объема основной управляющей программы. Особенно
резкого сокращения удается достичь при многократном вызове
одной и той же подпрограммы, многократного повторения подпро-
граммы, многократного вложения подпрограммы.
Рис. 26.8. Расположения обрабатываемой зоны и траектории инструмента
Рис. 26.9. Примеры «готовых форм» для токарной обработки:
а — стандартная канавка DIN 76; б — стандартная канавка DIN 509
Пример организации программирования с использованием под-
программ показан на рис. 26.10. Вызов подпрограммы здесь осу-
Дцествляют командой L < трехразрядный номер подпрограммы >
двухразрядное число, указывающее количество повторений под-
;программы>.
Обычно подпрограмму разрабатывают таким образом, что место
-числовых значений занимают пронумерованные параметры. Так,
= может быть предусмотрено сто параметров ROO—R99; если они ис-
18 П/р В. Э. Пуша 545
пользованы в подпрограмме, то их значения должны быть заданы
в тексте основной программы.
В современных устройствах ЧПУ допустимы различные операции
над параметрами, которые могут быть использованы для органи-
зации переходов. Поясним параметрическое построение подпро-
грамм на некоторых конкретных примерах.
°^534LF
L12300
иыоо
Л12401
*мгГ~—-
\ \
М17
11..1.12503\
1. Пример задания значений параметров в тексте основной управляющей про-
граммы: N37 R01 10. R49—20.05 R05 500 LF. Здесь в кадре N37 определены пара-
метры R01, R49, R05; причем продемонстрирована возможность программирования
с десятичной точкой.
2. Пример вызова подпрограммы: N38 L51002 LF. В тридцать восьмом кадре
вызвана подпрограмма номер 510, которая должна быть повторена дважды.
3. Пример параметрического построения фрагмента простейшей подпрограммы:
L51000 LF N1 Y—R49 SR05LF N2 ХЗОО—R01 LF ... N50 М17 LF. Адресам поста-
L12S00 влены в соответствие параметры, чи-
сленные значения которых определены
ранее, чем осуществлен вызов подпро-
граммы. Обратим здесь внимание на
способ формирования числовой части
команды X: эго разность между кон-
кретной и параметрической величи-
нами.
мзо/мог 4. Пример операций над пара-
„ „„ „ метрами в тексте подпрограммы:
Рис. 26.10. Структурная организация про- R01+R02, R01 — R02, R01.R02,
граммирования с использованием подпро- R01/R02 (сложить, вычесть, умпо-
гРамм жить, разделить; результат приписы-
вается первому операнду); @ 10R01
(извлечение квадратного корня, параметр приобретает значение результата опера-
ции); @15R01 (выполняется операция sinROl, параметр приобретает значение
результата операции) и т. д.
5. Примеры организации переходов: N115@00+180 LF (безусловный переход
вперед по тексту подпрограммы к кадру N180); N205@00—98 LF (безусловный
переход назад по тексту подпрограммы к кадру N98); N117@O1—98 R02 R03 LF
(условный переход назад по тексту подпрограммы к кадру N98, если R02=R03);
N117@02~H80R02 R03 LF ^условный переход вперед по тексту подпрограммы
к кадру N180, если R02=R03); N117@03+180 R02 R03 LF (условный переход
вперед по тексту подпрограммы к кадру N180, если R02>R03) й т. д. Как видим,
команда @ <двухразрядное число > имеет смысл кода операции.
6. Пример параметрического задания самого адреса, что полезно в тех слу-
чаях, когда необходимо осуществить смену координатных осей: N ...@20@99 R49 LF.
Команда @20 означает, что введен некоторый переменный адрес; пусть в данном
случае это адрес Z (для этого заранее @99 закреплено именно за этим адресом).
Числовая часть команды определена параметром R49. Далее по тексту программы
адрес Z может быть изменен на другой, т. е. параметр R49 «передан» другому адресу.
7. Примеры использования параметров для задания номера подпрограммы
и числа ее повторений: N12 R01 12365 LF N13 LR01 (в тринадцатом кадре будет
вызвана подпрограмма 123 и повторена 65 раз); N12 R01 99 LF N13 L123 R01 (в три-
надцатом кадре будет вызвана подпрограмма 123 н повторена 99 раз).
Разработка эффективных подпрограмм невозм&кна без широкого
набора операций над переменными подпрограммы. Развитие подоб-
ного набора привело к выделению и обособлению так называемого
«макроязыка пользователя». Рассмотрим одну из версий подобного
языка.
L46
Макроязык дает пользователю широкие возможности создавать
технологически ориентированные фрагменты математического обе-
спечения ЧПУ. С формальной точки зрения, язык представлен ма-
крокомандами, включенными в основную управляющую программу.
Каждой макрокоманде соответствует подпрограмма, хранимая в па-
мяти устройства ЧПУ, как и обычная подпрограмма. Отличитель-
ными особенностями подобной подпрограммы, однако, являются:
использование переменных и выполнение широкого класса операций
над этими переменными; использование условных, безусловных
переходов и циклов; задание значений «выходных» переменных
в исходной макрокоманде.
Есть несколько способов обращения к подпрограмме с помощью
макрокоманд. Простой (однократный) вызов осуществляют по типу:
G65 Р <номер подпрограммы^» L <число повторений^» Ссписок зна-
чений аргументов>. Модальный вызов подпрограммы предполагает
многократное к ней обращение после очередного движения в исход-
ном кадре управляющей программы. Примером здесь может послу-
жить операция сверления, которая чередуется с выходами (с помо-
щью подпрограммы) в новое положение. Форма модального вы-
зова такая же, как и у простого, но с помощью функции G66; отмена
модального вызова выполняется функцией G67. Мультиплексный
вызов применяют тогда, когда в теле подпрограммы предусмотрено
обращение к другой подпрограмме, которая выполняется много-
кратно всякий раз по завершении движения в первой подпрограмме.
Наконец, существует возможность вызова подпрограммы с помощью
G-функции, код которой не использован по основному назначению.
В этом случае заранее путем настройки параметров устройства ЧПУ
должно быть указано соответствие между кодом G-функции н но-
мером подпрограммы. Форма вызова подпрограммы станет наиболее
простой: G <заранее зарезервированный код> <список значений ар-
гументов>.
Обращение к подпрограмме осуществляют под адресом Р, а их
хранение в памяти устройства ЧПУ организовано под адресом О.
Таким образом, структура отдельной подпрограммы подчинена
формуле: О <номер подпрограммы> Споследовательность команд>
М99. Общее число подпрограмм может достигать 9999.
Теперь поясним, как выглядит список значений аргументов в теле
макрокоманды: <список значение аргументов> -> А <значение> В
<значение> ... Z <значение>. В качестве самих аргументов могут
быть использованы любые адреса (кроме G, L, М, N, О, Р), причем
алфавитный порядок не обязателен. Значения могут быть отрица-
тельными и с десятичной точкой, однако формат значений жестко
определен для каждого адреса так же, как и в основной управляю-
щей программе. Далее, определенным адресам-аргументам соответ-
ствуют в подпрограмме совершенно определенные «выходные» пере-
менные, которые, таким образом, сразу же оказываются заданными.
Вот фрагмент подобного списка соответствий: А->#1; В -> # 2;
С -> # 3....R -> # 18, S -> # 19, ... (символ # есть признак пе-
ременной, а сама переменная в подпрограмме обозначается номером).
18* . 547
Переменные, используемые в подпрограмме, принадлежат од-
ному из трех переменных классов: локальные, общие и системные.
Принадлежность переменной тому или иному классу определяется
ее номером. Например, переменные от # 1 до # 33 принадлежат
классу локальных. Эти переменные соответствуют определенным
адресам-аргументам в макрокоманде, и, следовательно, их значе-
ния действуют на период вызова подпрограмм. При следующем вы-
зове их значения могут быть иными. Взаимное влияние различных
макрокоманд через указанные переменные отсутствует.
Для общих переменных выделены номера от #100 до #149 и
от #500 до #509. Эти переменные сохраняют свои значения (если
они не будут изменены) в пределах основной управляющей про-
граммы. Значения общих переменных могут быть стерты нажатием
клавиши «Исходное».
Принадлежность системных переменных в устройстве ЧПУ за-
фиксирована. Этот класс заслуживает более подробного рассмо-
трения.
Подкласс от #1000 до #1015 принадлежит входному шестнад-
цатибитному регистру, т. е. значения переменных определены соот-
ветствующими внешними двоичными сигналами. Переменная #1032
определена кодом входного регистра, т. е. читает все его разряды
одновременно. Подкласс от #1100 до #1115 принадлежит выход-
ному шестнадцатибитному регистру, т. е. значения переменных
задают состояния соответствующих двоичных разрядов этого ре-
гистра. Переменная #1132 определяет код выходного регистра,
т. е. задает состояния всех разрядов сразу.
Подкласс от #2000 до #2099 принадлежит корректурам ин-
струмента. Прочитав значения этих переменных, можно установить
значения корректур. Приравнивая эти переменные другим, можно
модифицировать корректуры. Переменные от #2500 до #2806 при-
надлежат корректурам заготовок, и использовать их можно точно
так же, как и корректуры инструментов.
Переменной #3000 придается номер i лампочки аварийной
сигнализации, которая должна быть включена. Одновременно мо-
жет быть запрограммирована генерация соответствующего аварий-
ного сообщения на дисплее.
Переменные #3001 и #3002 содержат накопленные результаты
работы двух таймеров с ценой временной дискреты 1 мс и 1 ч соот-
ветственно. Показания таймеров сбрасываются при приравнива-
нии переменных нулю.
Рассмотрев классы переменных, перейдем к изложению правил их
использования.
Переменные используют либо непосредственно (например, #5,
#109, #1005 и т. д.), либо в рамках сложных форм, таких, как
# [<формула> ] (например, .# [#1001, # [#10(Ц— 11, # [#6/21
и т. д.). Численное значение, следующее за адресом, можно заменить
переменной: F # 33, Z — # 18, G # 130 ... Такая замена возможна
и на базе более сложной структуры: X [#24 + #18 * [cos [#1 ] ],
Z — [#18 + #261 и т. д.
548
Из немногих приведенных примеров видно, что над переменными
можно выполнять различные операции, в том числе одноместные
двухместные, комбинированные (многоместные), операции типа (ус-
ловие), операции управления.
Пример одноместной операции: #i = SIN [#jj. Другие функ-
ции, используемые в одноместных операциях: COS, TAN, ATAN.
(arctg), SQRT (квадратный корень), ABS (абсолютное значение),'
BIN (преобразование из двоично-десятичного в двоичное представ-
ление), BCD (преобразование из двоичного в двоично-десятичное
представление), ROUND (отбрасывание разрядов после запятой),
FIX (уничтожение дроби, меньшей единицы), FUP (округление
до единицы дроби, меньшей единицы).
Пример двухместной операции: #i = #j + #k. Другие функ-
ции, используемые в двухместных операциях: —, *, /, OR (ИЛИ для
каждого бита переменных), XOR (исключительное ИЛИ), AND
(операция И).
Комбинированные операции дополнительных пояснений, по-ви-
димому, не требуют; достаточно привести такой пример: #i —
— SIN [ [ I#j + #k! * #1 + #m J * #п]. Последовательность дей-
ствий здесь соответствует общепринятой. К операциям типа <усло-
вие> относятся EQ (равно), NE (не равно), GT (больше), LT
(меньше), GE (больше или равно), LE (меньше или равно).
К операциям управления относятся условный переход, безуслов-
ный переход, условная итерация (цикл), безусловная итерация.
Конструкция условного перехода имеет вид: IF [(условие)!
GOTO (адрес перехода), причем в качестве (адреса перехода)
может выступать номер кадра подпрограммы, переменная или (фор-
мула). Конструкция безусловного перехода еще более проста:
GOTO (адрес перехода).
Конструкция условной итерации такова: WHILE [(условие)!
DO (индекс итерации) (тело итерации) END (индекс итерации).
Предусмотрены три (индекса итерации): 1, 2, 3; из этого следует,
что допустимая глубина вложения итераций равна трем. Испол-
нение фрагмента (тело итерации) повторяется многократно цик-
лически до тех пор, пока не будет выполнено условие. Конструкция
безусловной итерации еще более проста: DO (индекс итерации)
(тело итерации) END (индекс итерации).
В качестве примера рассмотрим специальный цикл последователь-
ного выхода в позицию сверления отверстий под болты в круглом
фланце. Полагаем, что в исходном положении ось шпинделя совме-
щена с осью первого отверстия, координаты X, Y которого отно-
сительно центра известны и зафиксированы в качестве значений
переменных #101 и #102. В исходной макрокоманде необходимо
задать R (радиус), А (величину начального угла), Н (число отверстий)
(рис. 26.11). Таким образом, форма макрокоманды может быть та-
кой: G65 Р9207 R (величина радиуса) А (начальный угол) Н (число
отверстий).
Приступая к разработке подпрограммы, зарезервируем необхо-
димые переменные. Адресам R, А, Н в подпрограмме соответствуют
549
переменные #18, #1, #11, которые автоматически принимают
значения, указанные в макрокоманде. Выделим дополнительные
переменные: #100 — счетчик общего числа обработанных отвер-
стий для всех деталей; #101 — координата X оси текущего от-
верстия относительно центра; #102 — координата Y оси текущего
отверстия относительно центра; #30 — координата X оси первого
отверстия относительно центра; #3.1 — координата Y оси первого
отверстия относительно центра; #32 — переменная, указывающая
на номер обрабатываемого отверстия в рамках одной детали; #33 —
угол текущего отверстия.
Текст подпрограммы прини-
мает следующий вид: 0 9207
(номер подпрограммы); #30 =
= #101; #31 = #102 (запоми-
нание координат первого отвер-
стия); #32 = 1 (обрабатывается
первое отверстие); WHILE
[#32 LE ABS [#11 ] ] D01 (на-
чало итерации,цель которой —
последовательный обход отвер-
стий; число отверстий соответ-
ствует значению переменной
#1); #33 = #1 + 360 * I#
32 — 11/# 11 (угол текущего
отверстия); #101 = #30 +
+ #18* COS [#33] (коор-
Рис. 26.11. Использование макроязыка
для организации цикла последователь-
ного выхода в позиции сверления
дината X оси текущего отверстия); #102 = #31 + #18 * S1N
|#33) (координата Y оси текущего отверстия); X #101; Y # 102
(выход в заданные координаты; здесь должно быть организовано
прерывание для выполнения стандартного сверлильного цикла,
•который не рассматриваем); #32 = #32 + 1 (подсчет отверстий
в цикле итерации); END1 (конец итерации); #101 = #30; #102 = #31
(возврат к исходным значениям переменных #101 и #102); М99
(конец подпрограммы).
Вернемся к проблеме повышения языкового уровня управляю-
щей программы..Из уже сказанного на эту тему следует: повышение
языкового уровня, с формальной точки зрения, состоит в том, что
детализированные описания многих действий вынесены из текста
основной управляющей программы, а сами действия представлены
в тексте лишь своими наименованиями или макроопределениями.
Это позволяет во многих случаях резко упростить процедуру под-
готовки управляющей программы. Одновременно нужно сознавать,
что программирование на языке повышенного уровня предпола-
гает макрорасширение в процессе обработки исходного текста в са-
мом устройстве ЧПУ, и это требует дополнительного математиче-
ского обеспечения.
Очередным средством повышения языкового уровня является
упрощение описания контура. Такое упрощение позволяет сосредо-
точить в одном кадре описание двух-трех и даже большего числа
650
Z2) N...A...b..l(MU22) В...
'У‘- N... Х3... Z3
N... A.,,(u/Jtt Zj)В.,» Л^м.Хум» Zj
N... X3... Z3...
N... G02(u/iu GO3)I..,KM
B...X2 - (u/lil Z2)
Z Z
X3in Zjm
M*, Zj>,f Bt,. ЛА.» Zj nt Zj•••
H..-.G0Z(uimG03)B...A...X3..,
Рис. 26.12. Способы упрощенного задания
контура детали иа основе данных чертежа •
Xk
XfOt 7
X.i Др.«A3llt Ajiu Zyu B»h Si#
Xtb X^.*• Z^t.
N-.iGOZfu/lU G03)Zfif,KfmTfu.
K^uXyuZs—
551
смежных участков. Наиболее важным здесь является то, что удается
избежать расчетов тех размеров, относящихся к точкам сопряжения,
которые не проставлены на чертеже (т. е. заданы косвенно). При
этом возникает возможность вводить описание контура непосред-
ственно с чертежа через клавиатуру панели управления. Как пра-
вило, подобная процедура вполне доступна оператору станка с ЧПУ.
R
На рис. 26.12 показаны неко-
торые способы упрощенного
задания фрагментов контура.
Точки пересечения прямо-
линейных участков контура мо-
гут быть заданы либо коорди-
натами (в абсолютных или от-
носительных размерах), либо
посредством угла. Точки сопря-
жения прямой с окружностью,
двух окружностей могут быть
определены самой системой
управления. Расчеты, относя-
щиеся к участкам сопряжения
(фаски, скругления), выполня-
ются автоматически. Таким об-
разом, устройство ЧПУ взамен
одного блока упрощенного за-
дания фрагмента контура
должно сгенерировать не-
сколько кадров программы на
языке ISO прежде, чем начнется
воспроизведение управляющей
информации.
Дополнительным средством
повыщения языкового уровня
управляющих программ может
послужить так называемое
безэквидистантное программи-
рование, позволяющее описы-
<Г'
Рис. 26.13. Сравнение контуров обраба-
тываемых деталей с программируемой
траекторией центра фрезы
вать лишь требуемый контур, а параметры инструмента вводить
в качестве корректирующих. Подобная проблема не так проста,
как это может показаться на первый взгляд; и это проиллюстри-
ровано с помощью рис. 26.13, на котором показаны контуры
плоских деталей и траектории центра фрезы, причем контуры и тра-
ектории не эквивалентны. При безэквидистантном программировании
в некоторые кадры приходится вставлять дополнительные кадры
(от одного до трех) на основе анализа двух смежных участков.
Некоторые вычислительные задачи, который необходимо решать
при безэквидистантном программировании, рассмотрены на
рис. 26.14. Коррекция на радиус фрезы может быть включена в на-
чале программы (функцией G42 на рис. 26.14, а—в) или выключена
при завершении программы (функцией G40 на рис. 26.14, г—з);
552
553
причем движение в этом случае начинается и заканчивается в за-
программированной точке. Изменения в траекторию движения (по
отношению к запрограммированному контуру) могут быть внесены
на основе автоматического определения точки пересечения экви-
дистант (рис. 26.14, и—л) либо путем принудительного автомати-
ческого формирования дополнительных участков (рис. 26.14, м—о).
Наиболее высоким языковым уровнем (из известных) распола-
гают устройства ЧПУ, ориентированные на диалоговую автоматизи-
рованную подготовку управляющих программ непосредственно на
рабочем месте. Как правило, диалог организован через графический
дисплей. Процедура подготовки управляющей программы исполь-
зует обычно так называемую «технику меню», когда оператору
предлагается на выбор несколько вариантов. Сделав определенный
выбор, оператор получает очередной набор запросов. По мере того
как информация накапливается в системе управления, на экране
графического дисплея возникают контуры заготовки и детали, раз-
рабатываются технологические переходы, проектируются траекто-
рии инструмента, а нередко определяются и режимы резания. После
того как информация становится исчерпывающей, она трансли-
руется в код ISO-7bit и может быть скорректирована или отредак-
тирована.
§ 4. АДАПТАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ К ОБЪЕКТУ
(СТАНКУ) И ПОТРЕБИТЕЛЮ
Перейдем к оценке функциональных возможностей микро-
процессорных устройств ЧПУ, которые определены способностью
этих устройств адаптироваться к объекту (станку) и потребителю.
Наибольшую долю в объеме производства устройств ЧПУ со-
ставляет массовый выпуск безадресных систем управления, ориен-
тированных лишь на вид обработки, при максимальной степени уни-
фикации между отдельными системами общей гаммы. В подобных
условиях возникает необходимость в параметрическом, статическом
и динамическом согласовании системы управления и конкретного
объекта помимо элементарной электрической стыковки. Такое со-
гласование может быть выполнено на основе предварительных ис-
следований и измерений, априорного представления об объекте
либо на основе активной информации со стороны объекта, поступа-
ющей в рабочем режиме: осведомительных сигналов станочной ав-
томатики и информации с позиционных, техометрических и адап-
тивных датчиков приводов подачи и главного движения.
Запросы различных потребителей по отношению к одним и тем
же системам управления неоднозначны, что определяется особенно-
стями производства или производственными традициями. В подоб-
ной ситуации изготовители устройств ЧПУ предоставляют потреби-
телям некоторые возможности по уточнению или ^граничению функ-
ций ЧПУ, уточнению или ограничению входных языковых средств.
Таким образом, микропроцессорные устройства ЧПУ способны
в определенной степени адаптироваться к объекту (станку) и потре-
бителю. Для обеспечения указанной адаптации в устройствах ЧПУ
554
выделяют специальные области памяти, закрепляемый <ц «констан-
тами системы управления» и «станочными параметрами», которые
служат для введения коррекций или компенсаций, уточнения или
ограничения функций ЧПУ, уточнения или ограничения языка
управляющих программ, контроля, визуализации, диагностики и
оптимизации связи устройства ЧПУ со станком. В дальнейшем
будем называть «параметрами» и константы системы управления,
и станочные параметры.
Охарактеризуем назначение параметров, собранных в однородные
по назначению группы (деление параметров на группы, конечно,
носит условный характер).
К первой группе параметров отнесем признаки и указания, уточ-
няющие синтаксис управляющей программы, семантику адресов ISO,
реакцию управления на те или иные команды. В числе таких при-
знаков и указаний могут быть, например:
задание желаемых форматов слов для всех адресов;
блокировка или разрешение ввода любых адресов;
назначение адресов координатных осей, уточнение типов коор-
динатных осей (линейная, круговая);
выбор адреса дополнительной вспомогательной функции; назна-
чение последовательности исполнения вспомогательных функций для
той ситуации, когда в одном кадре присутствуют основная и допол-
нительная вспомогательные функции;
уточнение направления вращения шпинделя, задаваемого функ-
циями МОЗ и МО4;
задание вспомогательной функции, сопутствующей смене ин-
струмента; вспомогательной функции для внешней коррекции ин-
струмента;
изменения компенсации параметров инструмента вступают в силу
со следующего кадра либо немедленно при появлении соответствую-
щих указаний;
программирование и визуализация размеров с десятичной точкой
не используются (либо используются);
уточнение, возможно ли перемещение по координатам одновре-
менно с исполнением команд, заданных вспомогательными функци-
ями;
указания относительно использования тех или иных адресов
в стандартных циклах;
резервирование определенных М-функций, которые при своем
появлении стирают буферную память;
по команде прерывания линейной интерполяции подача либо
остается той, которая установлена кодом F, либо становится той,
которая задана соответствующим параметром, и др.
Во вторую группу параметров включим признаки, определяющие
начальное состояние памяти. Сюда прежде всего относятся коды
G-функций, действующих по умо/ танию каждая в своей группе
G-функций. Кроме того, сюда относится указание, сохраняются ли
в памяти ранее введенные управляющие программы при вводе но-
вой или нет.
555
В третьей группе параметров объединим признаки, уточняющие
структуру стандартных циклов:
в стандартных циклах генерируются разнообразные М-функции
либо только «ОСТАНОВ ШПИНДЕЛЯ», «РЕВЕРС ШПИН-
ДЕЛЯ»;
после позиционирования в стандартном цикле выдается (или не
выдается) команда на включение вращения шпинделя;
характер движения по осям X и Y в стандартном цикле опреде-
ляется конкретной G-функцией, либо это движение всегда осущест-
вляется на ускоренном ходу;
положение начальной точки сверлильного цикла может (или не
может) быть изменено при помощи клавиатуры панели;
указания относительно того, нужна ли выдержка времени в ци-
клах нарезания резьбы метчиком;
команды управления остановом или вращением шпинделя вхо-
дят в состав стандартных циклов либо должны быть предусмотрены
вне цикла.
Четвертую группу параметров составим из признаков, относя-
щихся к использованию макроязыка пользователя:
использованы (либо не использованы) специальные G-функции,
вызывающие подпрограммы пользователя;
подпрограммы пользователя имеют (либо не имеют) доступ к вход-
ным регистрам устройства ЧПУ;
если в аргументе макрокоманды нет десятичной точки, то аргу-
мент полагается целым либо трактуется соответственно принятым
для адресов форматам;
указание: подпрограммы (раздельно по диапазонам номеров)
редактируются (либо нет);
указание: покадровая отработка при исполнении подпрограмм
(раздельно по диапазонам номеров) возможна (или нет); содержимое
подпрограмм выводится на дисплей (либо нет);
резервирование кодов М-функций для вызова подпрограмм;
резервирование кодов G-функций для вызова подпрограмм.
К пятой группе параметров отнесем признаки, блокирующие
функции клавиатуры панели оператора, уточняющие функции кла-
виатуры и реакцию системы управления на клавишные команды;
блокировка следящего привода возможна или невозможна;
при нажатии клавиши «ИСХОДНОЕ» устройство ЧПУ перехо-
дит в начальное состояние либо в исходное для данной программы
состояние;
ручное управление процентным изменением частоты вращения
шпинделя возможно или невозможно;
при нарезании резьбы частота вращения шпинделя фиксируется
на уровне 100 % либо не фиксируется;
ввод программы в память можно осуществитьWipH нажатии кла-
виши «ПУСК ЦИКЛА», либо эта клавиша для указанных целей не
применяется;
ручной ввод данных при заблокированной памяти возможен или
невозможен;
556
указание относительно того, сохраняются ли.
длины инструмента при нажатии клавиши «ИСХОДНОЕ»;
сигнал игнорирования четвертой координаты принимается либо
нет.
В шестой группе параметров содержатся признаки, управляющие
объемом и составом выводимой на дисплей информации. Например,
имеется указание, могут или не могут быть выведены на экран дис-
пл ея комментар и и.
Параметры седьмой группы обеспечивают хранение следующих
констант, показаний, допусков, текущих и предельных значений:
максимальные значения подачи для той ситуации, когда подача’
задана условным одноразрядным кодом и может изменяться вруч-
ную с помощью генератора ручного перемещения;
установка величины отвода сверла и начальной точки резания
в стандартном сверлильном цикле;
допуск, позволяющий внести упрощение в расчет траектории
при безэквидистантном программировании обхода наружного острого
узла, близкого к прямому;
допуск на отклонение текущего положения для каждой коорди-
натной оси в момент перехода к очередному кадру;
допуск на отклонение от заданного положения при остановке,
при движении;
допуск на отклонение частоты вращения шпинделя при резании;
установка скорости быстрых ходов для каждой координатной
оси в отдельности;
ограничения на скорость рабочей подачи; на скорость быстрого
хода, настраиваемую переключателем «ПРОЦЕНТЫ ОТ СКО-
РОСТИ»; на скорость подачи при возвращении в нуль станка; на
скорость подачи в помеченных кадрах, на скорость подачи при
ускоренном прогоне программы;
установление границ рабочего пространства;
выбор числа точек коррекции накопленной погрешности шага
винта для каждой координатной оси;
длина ходового винта (для каждой координатной оси), в пре-
делах которой компенсируется накопленная погрешность шага;
хранение выбранных выдержек времени, хранение показаний
времени;
хранение текущих значений рассогласований следящих приводов
подачи;
установка «перебега» для позиционирования с подходом в одном
направлении для каждой координатной оси;
задержка проверки системой точности позиционирования на
время завершения переходного процесса;
задание допустимого сектора на графике «заданная скорость —
фактическая скорость», определяющего приемистость следящего
привода подачи;
назначение такого рассогласования следящих координатных при-
водов подачи, при котором приостанавливается работа интерполя-
тора.
657
Параметры восьмой группы являются признаками, определя-
ющими протокол обмена информацией устройства ЧПУ, периферии,
станка:
при изменении подачи с ускоренной на рабочую необходимо
(или не требуется) подтверждение приема соответствующего сигнала;
команда «ПУСК» не требует (или требует) подтверждения со
стороны станка;
при выходе в нуль станка формируется сигнал 0 или 1;
команда на останов шпинделя возбуждается при разомкнутом
(или замкнутом) реле;
параметры (в виде временных задержек) выходных и квитиру-
ющих сигналов для функций М, S, Т управления автоматикой;
установка допустимой задержки от подачи S-команды до факти-
ческого пуска привода главного движения;.
при подаче на привод главного движения управляющего сигнала,
который соответствует границам (верхней или нижней) установлен-
ного значения, выдается (либо не выдается) предупредительное
оповещение;
описание каналов связи устройства ЧПУ с периферийными
средствами ввода-вывода (признаки передачи, скорость пере-
дачи).
В девятой группе параметров сосредоточены значения корректи-
рующих и компенсирующих сигналов и смещений, указания на знак
коррекции:
величина зазора по каждой координате и частота импульсов
компенсации зазора;
накопленная погрешность измерительной системы для каждой
координатной оси;
компенсация дрейфа при нулевом сигнале управления частотой
вращения шпинделя;
компенсация дрейфа в следящих приводах всех координат (при
автоматической компенсации дрейфа коды параметров непрерывно
корректируются);
расстояния между первой и второй нулевыми точками для каж-
дой координатной оси;
направление (положительное или отрицательное) подхода к точке
позиционирования для каждой координатной оси;
смещения начала координат обрабатываемой детали по коорди-
натным осям, вводимые автоматически по результатам измерения на
станке;
расстояния между начальными точками третьей, четвертой ко-
ординатных систем и начальной точкой первой координатной си-
стемы — раздельно по координатам;
вводимые автоматически (по результатам измерения) смещения
начальной точки первой координатной системы раздельно по тем
координатам, которые заданы соответствующим параметром как
активные;
коррекция начала координат первой—шестой координатных
систем детали раздельно по координатным осям;
558
коррекция шага винта каждой координаты раздельно по обо-
значенным заранее точкам.
К. десятой группе относятся значения параметров настройки
следящих приводов подачи и сигналов управления этими приво-
дами:
формирование статической характеристики блока сравнения по
положению для следящих приводов каждой координатной оси;
установка значения коэффициента усиления канала позиционной
обратной связи следящего привода для каждой координаты;
настройка добротности для следящих приводов всех координат
одновременно;
время линейного ускорения или торможения для привода каждой
координаты; время экспоненциального ускорения или торможения
для привода каждой отдельной координаты при ручном управлении;
время экспоненциального ускорения или торможения для приводов
всех координат;
уровень управляющего сигнала, при котором в следящих при-
водах подачи отключается обратная связь по скорости.
Параметры одиннадцатой группы предназначены для осуществ-
ления процесса согласования с приводом главного движения, для
настройки привода и сигналов управления приводом:
передаточное отношение от двигателя главного привода к шпин-
делю;
отношение частоты вращения шпинделя к коду скорости главного
движения;
установка максимальной частоты вращения для нижнего и верх-
него скоростных диапазонов, устанавливаемых переборной группой
шпинделя;
установка мивимальной частоты вращения шпинделя для верх-
него скоростного диапазона;
нижнее и верхнее значения сигналов, управляющих частотой
вращения шпинделя;
настройка коэффициента усиления привода главного движения;
установка максимальных значений (соответствующих 10 В) ча-
стоты вращения шпинделя в четырех диапазонах шпиндельной
коробки.
В двенадцатую группу параметров включены признаки, опреде-
ляющие цену дискреты, диапазон изменения, единицы измерения,
масштаб, границы рабочей зоны, наличие.базовых точек и смещений:
минимальная подача равна 0,1 либо 1 мм/мин;
визуализация позиций информации на дисплее осуществляется
с точностью 0,01 либо 0,001 мм;
цена дискреты равна 0,01 либо 0,001 мм;
запретная зона, ограниченная дополнительными линиями, яв-
ляется наружной или внутренней;
указания относительно того, существует ли нуль станка по
каждой координате в отдельности;
признак умножения всех компенсаторов погрешностей шага
винта для всех координат;
559
признак, устанавливающий цену дискреты для генератора руч-
ного задатчика перемещений;
признак изменения (путем введения дополнительного масштаб-
ного коэффициента) цены дискреты для каждой координатной оси
в отдельности;
признак, указывающий на передаточное отношение от шпинделя
к датчику углового положения шпинделя;
признаки, указывающие на передаточное отношение к датчику
обратной связи по положению для каждой координатной оси;
число дискрет датчиков обратной связи по положению на один
оборот для каждой координатной оси;
выбор коэффициента настройки подачи, заданной в программе
одноразрядным условным кодом;
указания на то, применяется ли масштабирование раздельно по
координатным осям;
признаки автоматически устанавливаемого смещения координат-
ной системы относительно нуля станка раздельно по координатным
осям;
введение «модуля круговых осей», который означает, что при
повороте на угол свыше 360° отсчет вновь начинается с нуля;
задание базовой позиции смены инструмента и последователь-
ность движения в эту позицию.
В состав тринадцатой группы входят признаки, определяющие
аппаратные особенности конфигурации системы ЧПУ:
сигналы управления автоматикой станка передаются через си-
стему оптронной развязки либо с помощью реле;
способ распознавания (тип датчика) выхода в нуль станка для
каждой координатной оси в отдельности;
тип датчика обратной связи по положению в приводах подачи
(фазовый, импульсный);
указания для выбора варианта канала связи устройства ЧПУ
с периферийными средствами ввода-вывода.
Четырнадцатая группа параметров составлена из признаков,
задающих либо определяющих автоматическое исйолнение некото-
рых функций: в конце допустимого хода осуществляется экстренное
торможение привода с потерей информации о положении, либо
выполняется плавное торможение привода без потери информации.
Признаки следующие:
автоматическая компенсация дрейфа в следящих приводах подачи
есть (либо нет);
переход к следующему кадру при снижении подачи до нуля осу-
ществляется после получения подтверждения о том, что положение
на станке с определенным допуском соответствует запрограммиро-
ванному (другое значение параметра предполагает
подтверждении нет необходимости);
что в указанном
выполнение диагностических функций возможно (или невозможно)
одновременно с выдачей управляющих команд;
учет знака компенсации зазора по отношению к нулевой точке
станка для каждой координаты в отдельности;
560
указание наибольшего номера места инструмента для автомати-
ческого выбора направления движения инструментальногб мага?
зина, выбор жесткого либо переменного кодирования места инстру-
мента.
Из представленного обзора следует, что полное число параметров
в современных устройствах ЧПУ может достигать нескольких сотен,
и по этой причине общая картина использования параметров трудно-
обозрима. Это усугубляется еще и теми особенностями параметров,
что они существенно различаются по структуре (однобитные
признаки, многоразрядные константы, динамически изменяемые
переменные), назначению (блокировка, условный переход, безуслов-
ный переход, фиксация некоторого численного значения, обозначе-
ния границ и пределов и др.), характеру ввода (однократный при
стыковке с технологическим оборудованием и подготовке к перво-
начальному пуску у потребителя, периодический по мере производ-
ственной необходимости, непрерывный по автоматически действу-
ющим каналам), доступности (требуют испытания и измерений,
вполне очевидны, доступны представителям инженерных служб,
доступны наладчику, оператору) и др.
Таким образом, можно констатировать, что в организации системы
параметров пока еще нет достаточной четкости. Целесообразна
дальнейшая работа по классификации и систематизации параметров,
выделению классов и групп, упорядочению хранения в памяти,
т. е. по организации базы данных, разработке удобного (в лучшем
варианте стандартного) языка ввода параметров и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аверьянов О. И., Бобрик Л. П. Методика формирования унифицированных
узлов металлорежущих станков — Станки и инструмент, 1983, № 7, с. 5—7.
2. Автоматизированные технологические комплексы. М.: НИИМАЩ, 1981.
103 с.
3. Байков В. Д., Вашкевич С. Н. Решение задач интерполяции в системах
ЧПУ. —Станки и инструмент, 1981, № 6, с. 16—17.
.4 . Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные
системы. М.: Радио и связь, 1981. 328 с.
5. Баранов С. И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1979.
232 с.
6. Батов В. П. Токарные станки. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.
7. Беляев В. Г. Расчет механической части привода подач станков с ЧПУ. —
Станки и инструмент, 1982, № 3, с. И—14.
8. Белянин А. Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975. 298 с.
9. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер.
с англ. М.: Мир, 1974. 464 с.
10. Васильев В. С. Оценка производительности и надежности автоматизиро-
ванного оборудования. —Станки и инструмент, 1983, № 10, с. 7—11.
И. Беликовский А. Л., Бейлин Л. П. Динамический расчет главного привода
станка ва_ЭВМ.—Станки и инструмент, 1979, № 7, с. 9—И.
12. Врагов Ю. Д. Анализ компоновок металлорежущих станков. М.: Машино-
строение, 1978 . 208 с.
13. Временные типовые методики и программы испытаний металлорежущих
станков М.: ЭНИМС, 1983. 135 с.
14. Детали и механизмы металлорежущих станков/Под рсд. д-ра техн, наук,
проф. Д. Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1972, т 1, 663 с., т. 2, 520 с.
15. Зверев И. А., Самохвалов Е. И., Левина 3. М. Автоматизированные расчеты
шпиндельных узлов. —Станки и инструмент, 1984, № 2, с. 11 —15.
16. Ивович В. А. Переходные матрицы в динамике упругих систем. М.: Маши-
ностроение, 1969. 199 с.
17. Кедров С. С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение,
1978. 198 с.
18. Колка И. А., Кувшинский В. В. Многооперационные станки. М.: Машино-
строение, 1983. 126 с.
19. Кочииев Н. А., Сабиров Ф. С. Оценка динамического качества станков по
характеристикам в рабочем пространстве. — Станки и инструмент, 1982, № 8,
с. 12—14.
20 Кочииев Н. А., Сабиров Ф. С., Шибаиов Е. И. Экспериментальное иссле-
дование связи резонансной податливости упругой системы токарных станков с «пре-
дельной стружкой». — Изв. вузов. Машиностроение, 1978, № 4, 15—18 с.
21. Кудинов В. А. Динамика станков М.: Машиностроение, 1967. 359 с.
22. Левин А. И. Математическое моделирование в исследованиях и проекти-
ровании станков. М.: Машиностроение, 1978. 184 с.
23. Левина 3. М., Астафьев А. М. Расчеты при автоматизированном проек-
тировании шпиндельных узлов. — Станки и инструмент, 1981, № 6, с. 4—8.
24. Левина 3. М., Решетов Д. Н. Контактная жесткость машин. М.: Машино-
строение, 1971. 264 с.
25. Ленк А. Электромеханические системы. Пер. с нем. М.: Мир, 1978.
283 с.
562
\J 26. Лизогуб В. А. Конструирование и расчет шпиндельных узлов на опорах
качения. — Станки и инструмент, 1980, Xs 3, с. 18—20.
27. Лоскутов В. В., Ничков А. Г. Зубообрабатывающие станки. М.: Машино-
строение, 1978. 192 с.
28. Лурье Б. Г., Комиссаржевская В. Н. Шлифовальные станки и их наладка.
М.: Машиностроение, 1978. 192 с.
29. Металлорежущие станки/Н. С. Ачеркан, А. А. Гаврюшин, В. В. Ермаков
и др. Под ред. Н. С. Ачеркана. М.: Машиностроение, 1965, Т. 1, 764 с., т. 2, 628 с.
30. Металлорежущие станки и автоматы/А. С. Проников, Н. И. Камышный,
Л. И. Волчкевич и др. Под общ. ред. А. С. Проникова. М.: Машиностроение, 1981.
479 с.
31. Михеев Ю. Е., Сосонкин В. Л. Системы автоматического управления стан-
ками. М.: Машиностроение, 1978. 264 с.
32. Модзелевский А. А., Соловьев А. В., Лонг В. А. Многооперационные станки.
М.: Машиностроение, 1981. 215 с.
33. Ничков А. Г. Фрезерные станки. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машинострое-
ние, 1984. 184 с.
34. Опитц Г. Современная техника производства. Пер. с нем. М.: Машино-
строение, 1975. 275 с.
35. Программное управление станками/В. Л. Сосонкин, О. П. Михайлов,
Ю. А. Павлов и др. Под общ. ред. В. Л. Сосонкина. М.: Машиностроение, 1981.
398 с.
36. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов/
К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. Пер. с нем. М.: Мир, 1977. 447 с.
37 Пуш В. Э. Конструирование металлорежущих стенков. М.: Машинострое-
ние, 1977. 390 с.
38. Пуш В. Э., Пигерт Р., Сосонкин В. Л. Автоматические станочные системы.
М.: Машиностроение, 1982. 319 с.
39. Сосонкин В. Л. Математическое обеспечение процессорных устройств ЧПУ.
М.: НИИМАШ, 1981. 80 с.
40. Сосонкин В. Л. Процессорные устройства ЧПУ станками. М.: НИИМАШ,
1980. 104 с.
41. Срибиер Л. А. Цикловое программное управление оборудованием. М.:
Машиностроение, 1980. 150 с.
42. Станки с числовым программным управлением (специализированные)/
Н. А. Богданов, У. Г. Говберг, М. И. Добромыслин и др. Под ред. В. А. Ле-
щенко. М.: Машиностроение, 1979. 592 с.
43. Старостин В. К., Кушнир М. Л. Автоматизированное проектирование
внутришлнфовальных головок. — Станки и инструмент, 1982, Xs 9, с. 9—10.
44. Типовые комплексно-автоматизированные участки типа АСВ из оборудо-
вания с ЧПУ с применением ЭВМ. М.: НИИМАШ, 1983. 41 с.
45. Федотенок А. А. Кинематическая структура металлорежущих станков.
М.: Машиностроение, 1970. 408 с.
46. Хнлбурн Дж., Джулич П. МикроЭВМ и микропроцессоры. Пер. с англ,
М.: Мир, 1979. 463 с.
47. Хомяков В. С., Зайцев В. М. Оптимизация динамических характеристик
станков. — Станки и инструмент, 1978, Xs 8, с. 22—24.
48. Хомяков В. С., Старостин В. К-, Кушнир М. А. Многокритериальная
оптимизация внутришлнфовальных головок на подшипниках качения. — Станки
и инструмент, 1984, Xs 2, с. 17—19.
49. Шимаиович М. А., Кудряшов Л. В. Система «ТОКАТА» программ для рас-
чета прогиба шпинделя в гидростатических подшипниках. — Станки и инструмент,
1982, Xs 5, с. 6—7.
50. Литовский А. В. Управление электроавтоматикой современных станков
с ЦПУ. М.: НИИМАШ, 1981. 64 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автоматическая линия — Компоновка 129, 130, 142, 145, 146, 147 — Назначение
129, 141, 145 — Понятие 9 — Техническое обслуживание 413 — Эксплуатация 413
— роторная — Понятие 141
— спутниковая — Понятие 130
Автомат миогошпиидельный токарный — Назначение 138, 140
Автооператор — Конструкция 315, 317
— Назначение 299, 303
— Схемы 304—305
Агрегатно-модульная конструкция — Назначение 167, 168 1
— Понятие 165
Аккумулятор — Назначение 265
Алгоритм работы системы — Назначение 471
— управления — Понятие 435
Анализ дисперсионный — см. Дисперсионный анализ
Аппаратная система 471
Б
Безотказность — Понятие 16
Блок последовательного интерфейса — Назначение 493
— радиальных прерываний — Назначение 493
В
Вариант оптимальный технологической системы — Понятие 181
Вероятность безотказной работы — Понятие 16, 17
Вибратор электромагнитный—Назначение 396 — Схема 397
Виброустойчивость — Понятие 22
Винты ходовые— Назначение 243
Восстановление деталей — Назначение 425
Выпуск деталей годовой — Понятие 175
Вычислитель виртуальный — Назначение 515
Вязкость — Понятие 259—260
Г
Гибкость — Понятие 19
Гибкий производственный модуль — Назначение 538
— Понятие 9
• — Схемы 154, 155
Гибкая производственная система — Выбор оборудования 175, 176
— Компоновка 159
— Назначение 4, 153 .
Гибкая станочная система — Назначение 120 *
— участка типа АСВ — Компоновка 124, 127
— участка АСК-10 — Компоновка 121 — Назначение 121
Г идромотор — Выбор 277
— Параметры 276
Гидроцилиидр—Типы 268
564
Головка револьверная — Назначение 299
— силовая — Назначение 134, 135
Графика машинная — см. Машинная графика
Группа кинематическая — см. Кинематическая группа
— формообразования 37, 46, 47, 48, 50, 58, 63
д
Движение вспомогательное 29
— главное 73, 77, 78, 87, 89, 109, 111
— делительное 29
— исполнительное 29, 30
— установочное 29
— управления 29
— формообразования 27, 28
Детали базовые — Жесткость 319
— Конструирование 323
— Материал 323—325
— Расчет 325
Диагностирование — Понятие 18
Диапазон регулирования — Понятие 199, 202
Дискретность — Понятие 434
Дисперсионный анализ — Назначение 385
Диспетчер — Назначение 508
Документация рабочая — Разработка 172
Долговечность — Понятие 17
Дроссель — Конструкция 274
— Назначение 274
Ж
Жесткость — Понятие 21, 22, 403
— масляного слоя 347, 355
3
Загрузочное устройство — Назначение 291
— автоматическое 291
— двухместное 297
— многоместное 297
— одноместное 295
— поворотное 291, 293
— рычажное 294
И
Изнашивание — Понятие 420
— механическое 420
— окислительное 421
— при заедании 421
Интегратор — Назначение 476, 477
Интерфейс — Понятие 497
— Схемы 502
Интенсивность отказов — Понятие 16
Интерполятор — Назначение 475, 476, 478
Исследование — Понятие 376
— Этапы 377
Информация — Источники 531
— Основные части 453
— Понятие 435, 453 .
К
Кадр — Понятие 449
Кантователь—: Конструкция 316, 318
— Назначение 303
Кинематическая группа — Понятие 30
565
Клапан обратный — Назначение 273 — Принцип действия 273
— постоянной разности давлений — Назначение 273 — Принцип действия 273
— предохранительный — Назначение 270 — Принцип действия 270—271
— редукционный — Назначение 272 — Принцип действия 272
Код унитарный — Понятие 450
— IS0-7bit 448, 449, 453, 454—458, 468
Комплекс робототехнический — см. Робототехнический комплекс
Компоновка «Станок—робот» 118
Консоль — Назначение 78
Конструкция агрегатио-модульиая — см. Агрегатно-модульная конструкция
Контроль иа четность — Назначение 468
Коробка скоростей автоматическая — Назначение 206
Коэффициент технического использования — Понятие 17
Критерий аддитивный 184
— конфликтный 184
— максимальный 185
— проектный — см. Проектный критерий
Л
Линия автоматическая — см. Автоматическая линия
— производящая — см. Производящая линия
М
Магазин инструментальный—Назначение 300, 302
Манипулятор — Кинематическая схема 161, 162, 163 — Назначение 155 — Схемы
292 — Циклограмма обслуживания станка 157 — Число степеней подвижности 161
— автоматический 166
— загрузки 294
— смены заготовок 296
— смены инструмента 299
Манипулирующие устройства — Назначение 8
Массивы входные 533
— главные 534
— информационные 533, 534
— промежуточные 533
1 Математическое обеспечение ЧПУ — Организация 524—526
Матрица жесткости системы 333
— элемента 333
Машинная графика — Понятие 180
Металлизация — Понятие 427
Метод врезания 30
— гармонического возбуждения 398
— градиента 186
— графоаналитический 200
— «искусственных баз» 422
— касания 43, 49, 53
— кодирования 307—308
— координатного спуска 186
— копирования 43
— начальных параметров 373, 472
— обката 43, 53, 57
— переходных матриц 472
— полного перебора 186
— следа 43, 56, 57
— случайного поиска 188 .
— смазывания 211—212 *
— штрафных функций 187
— экспертных оценок 383
Механизмы переключения передач 207
Микропроцессор — Назначение 496 , 554
— Структура 495
566
МикроЭВМ универсальная — Понятие 485, 486 .
— «Электроника-60» 460 ~
— «Электроника НЦ-80-31» 492 ; ,
Модель полиномиальная 388
— энергетическая 19
Модуль агрегатный — см. Агрегатный модуль
— гибкий производственный — см. Гибкий производственный модуль "
— микропроцессорный 485
— станочный — см. Станочный модуль
— упругости 259
Монитор — Назначение 508
Муфта сильфоииая - Назначение 96, 99
Н
Надежность — Понятие 16, 91
— технологическая — Понятие 18
Направляющие — Давление 344 —Классификация 337—Конструкция 340 — Ма-
териал 339 — Назначение 337, 352 — Расчет 341
— аэростатические 350
— гидродинамические 345
— гидростатические 345
— качения 352, 355
— комбинированные 356
— скольжения 337
Насосы — Назначение 262
— Схемы 266
Настрэйка — Понятие 35, 412
Натяг предварительный — Понятие 353
О
Объект технологический — см. Технологический объект
Обеспечение информационное — Понятие 181
— программное — Понятие 181
Объект технический — см. Технический объект
Ограничения проектные — см. Проектные ограничения
Операционная система — Понятие 507 — Состав 519
— исполнительная — Назначение 510—Функциональные возможности 513 —
Части 511
Опоры аэростатические — Назначение 351
— гидростатические — Жесткость масляного слоя 347 — Назначение 221 — Прин-
цип действия 221
— с воздушной смазкой — Назначение 224
— скольжения — Назначение 218
Оптимизация многокритериальная — Понятие 184
— параметрическая — Понятие 182
— поисковая — Понятие 186
Органы исполнительные — Понятие 30
— настройки — Понятие 32
Отказ — Понятие 16, 17
П
Память стековая — Понятие 497
Параметры движения — Понятие 29
— станочные — см. Станочные параметры
— управления — Понятие 182
Патрон самоцеитрирующий трехкулачковый — Назначение 70, 71
Передача винт—гайка качения — Назначение 243
— винт—гайка скольжения — Назначение 242
— данных — Назначение 504, 505
— зубчато-реечная — Назначение 254
ПереиалаживаемОсть — Понятие 20
Периферия стаиочиая — см. Станочная периферия
567
План-регламент — Понятие 414
Планы второго порядка — Понятие 394
Плита — Назначение 322
— Расчет 329
Плотность жидкости — Понятие 258
Поверхность винтоваи — Понятие 42
Податливость — Понятие 21, 404
Подсистема «Главный привод» — Назначение 208 — Структурная схема 207
— манипулирования — Назначение 6
— низшего уровня 118
— управления — Назначение 6
Подшипники — Жесткость 215 — Потери на тренне 217 — Точность 214
— гидродинамические — Жесткость 220 — Конструктивные параметры 219 — На-
значение 218
— качения — Жесткость 215 — Назначение 213 — Посадка 217 — Точность 214
Позиционирование — Погрешность 407
— Понятие 434, 436, 437
Поле температурное — Понятие 335
Постпроцессор — Понятие 466
Предложение техническое — см. Техническое предложение
Преобразователь тиристорный — Понятие 232
Привод — КПД общий 194 — Крутящий момент 195 — Мощность 192, 195 — На-
значение 191, 196 — Частота вращения 192 — Унификация 191, 192
— бесступенчатый 202
— гидравлический 257—258
— главного движения — Компоновка 207 — Назначение 7, 205
— манипулятора 309
— подач 7
— позиционирования 7
— ступенчатый 195
— электромеханический — Назначение 234 — Расчет 234—236 — Структурная
схема 237
Программа — Пример построения 546— Редактирование 470
— отладочная — Назначение 509
— управляющая — Контроль 468 — Коррекция 470 — Подготовка 462 — Поня-
тие 461 — Узел ввода 472
Программа-ассемблер — Назначение 509
Программатор — Понятие 467
Программирование — Назначение 461
Программоноситель — Виды 447, 448
Проектный критерий — Понятие 174, 177
— ограничения — Понятие 175
Проект технический — см. Технический проект
— эскизный — см. Эскизный проект
Производительность — Понятие 13 — Потери 197
— технологическая 13, 15
— формообразования 14
— штучная 13, 14
Производящая линия — Понятие 25
Промышленный робот — Классификация 150 — Компоновка 164 — Назначение 147—
148 — Размерный ряд 160
— вспомогательный 150
— «Пирин» — Назначение 151 —Устройство 151, 152
— портальный 119
— специализированный 153
— специальный 151 W
— универсальный 154
— 3388-Ш — Конструкция 149—150 — Назначение 148 — Техническая характе-
ристика 166
Пространство рабочее — Понятие 9
— факторное — Понятие 9
668
р
Размер ремонтный — Понятие 425
Распределитель — Конструкция 276 — Назначение 274 — Условное обозначение 275
Регистры — Виды 496
Регулирование дроссельное — Понятие 283 — Схемы 283
— объемное — Понятие 279 — Схемы 280
Регулятор унифицированный — Назначение 232
Редактор текстовой информации — Назначение 508
Резцедержатель — Назначение 299
Ремонт — Категории сложности 418—419
— периодический 417
— планово-предупредительный 416
— по потребности 416
Ремонтопригодность — Понятие 17, 18
Ресурс технический — см. Технический ресурс
Рефлексная система 450
Робот промышленный — см. Промышленный робот
Робототехнический комплекс — Компоновка 155, 156, 159
— Назначение 155
Ряды размерные — Понятие 9
С
Салазки — Назначение 322
— Расчет 329
Связь кинематическая — см. Кинематическая связь
Секции станочная роботизированная — Компоновка 123, 124
Система автоматизированного программирования (САП) — Математическое обеспе-
чение 465 — Понятие 464
— аппаратная — см. Аппаратная система
— гибкая производственная — см. Гибкая производственная система
— команд 505
— операционная — см. Операционная система
— рефлексная — см. Рефлексная система
— ручного переключения 206
— упругая — см. Упругая система
Система управлении копировальная 441
— кулачковая 438, 439, 451
— числового программного управления (СЧПУ) 452
Скорость — Число ступеней 197
Слово — Понятие 448
Способ адресации 500, 501
Станина — Назначение 320
— Типы сечений 320—321
— Форма 328
Станок — Виброустойчивость 360 — Гидравлическая система 287 — Динамический
расчет 357 — Классификация 8, 10, 11 — Классы точности 12 — Модернизация
432 — Назначение 6 — Настройка кинематическая 35 — Несущая система 7 —
Обозначение 12 — Структурная схема 6, 7 — Точность 402, 404
— агрегатный — Компоновка 132, 133, 136 — Назначение 132 — Формула на-
стройки 35
— бесцентрово-шлифовальный — Назначение ПО, 111 — Привод главного движе-
ния 111 — Техническая характеристика 111
— вертикально-фрезерный МА655ФЗ н 6Р13РФЗ — Назначение 86 — Привод глав-
ного движения 87, 89 — Привод подач 87, 90 — Техническая характеристика 88, 89
— внутришлнфовальнын — Компоновка 114 — Назначение 113
— зубодолбежный — Назначение 46, 49 — Формообразование 47, 48
— зуборезный — Группа деления 61, 62 — Группа движения подачи 60 — Кине-
матическая структура 58—59 — Формообразование 57
— зубофрезерный — Назначение 49—53 — Формообразование 50—52
— зубошлифовальный — Формообразование 36
— круглошлнфовальный ЗМ151 — Назначение 108 — Привод вращения заготовки
569
109 — Техническая характеристика 108
— многооперационный 102 — Компоновка 91 — Назначение 90 — Привод по-
дач 96 — Устройства для автоматической смены инструмента 99—101 — Шпиндель-
ная бабка 94—96
— плоскошлифовальный — Кинематическая схема 115 — Назначение 114
— резьбообрабатывающий — Назначение 42, 44 — Формообразование 42, 44
— специализированный — Понятие 9
— специальный — Понятие 9
— токарный 77, 78, 302 — Коробка подач 67 — Назначение 63 —Развертка валов
64 — Резцедержатель 67
— токарно-винторезный 16К20 — Кинематическая схема 74 — Назначение 73 —
Техническая характеристика 73
— универсальный — Понятие 9
— фрезерный — Компоновка 78 — Коробка подач 83 — Коробка скоростей 81 —
Назначение 78 — Шпиндельная головка 82
Стандартный цикл — Понятие 541
— глубокого сверления 542
— резьбонарезания 543
— «схемы сверления» 542
— токарной обработки 544
Станочный модуль — Компоновка 117, 118, 119 — Назначение 4
— для обработки тел вращения 120
Стаиочиая периферия — Понятие 538
— параметры — Группы 555—560 — Назначение 555
Станция иасосиая — Принципиальная схема 289
Стол — Назначение 322 — Расчет 329
— силовой — Кинематическая схема 134 — Назначение 134
Стол-спутиик — Назначение 295,. 297, 299
Стружка предельиаи — Понятие 410
Супервизор — Назначение 508
Суппорт — Назначение 322
Схемы типовые конструктивные 214
Счетчик команд — Назначение 497
Т
Тахогенератор — Назначение 232, 233
Теплостойкость — Понятие 23
Технический объект — Понятие 177, 178
Технологическое предложение — Понятие 171
Технический проект—Понятие 172
— ресурс — Понятие 18
Технологии трудосберегающий — Назначение 291
Точность геометрическая 21
— кинематическая 21
— позиционирования 24
Транспортер-манипулятор — Компоновка 126, 128 — Назначение 125, 126
Транспортер-накопитель — Компоновка 125 — Назначение 124, 125
У
Узел буферной памяти 473
— ввода 472
— вычислительный специализированный — Назначение 480, 482 — Схема 483
— корректирования 473, 474
— связи с электроавтоматикой станка 482
— силовой 134
— температурный 334
— управления 484 ▼
— шпиндельный — см. Шпиндельный узел
Универсальность — Понятие 19
Уплотнение — Способы 263
Управление цикловое 435
Упругая система станка — Понятие 361
570
— Расчетная схема 363, 364
— Уравнения колебаний 366—368
Устройство арифметическое 496 - -
— вспомогательное 434
— загрузочное — см. Загрузочное устройство
— запоминающее 498, 499
— манипулирующее — см. Манипулирующее устройство
— микропереключений 255, 256
— микропроцессорное — Понятие 4, 485 — Назначение 535
— тяговое — Назначение 241 — Расчет 249
— управления 8
— формообразующее 433
— фотосчнтывающее 471
Участок автоматизированный — Назначение 124 — АСВ-10 124
— удаления стружки 126, 128
Ф
Факторный эксперимент дробный 391
— полный 390
Формообразование 436
Функция вспомогательная 456—458
— подготовительная 454—455
— целевая 175, 177, 183
X
Характеристики частотные 359
Хромирование 428
Ц
Цех автоматический — Назначение 129
Цикл автоматический 434
— «готовых форм» 544
— прямоугольный 434
— ремонтный 418
— стандартный 434
Циклограмма — Понятие 451
Ш
Шпиндель — Назначение 208—210 Понятие 208 — Расчет 472
Шпиндельный узел — Быстроходность 211 — Главные размеры 225 — Динами-
ческие характеристики 228 — Долговечность 209 — Жесткость 225 — Конструк-
ция 210 — Методы смазывания 211— Радиальное перемещение 225 — Точность
211
Шины связи — Понятие 501 —Структура 503
Шум — Понятие 406
Э
ЭВМ — Структура 453
Эксперимент факторный — см. Факторный эксперимент
Электропривод — Структурная схема 231
Эффект гидродинамический — Понятие 345
Эффективность — Понятие 12
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................... 3
РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАНКАХ......................... 6
Глава 1. Классификация станков (В. Э. Пуш) ........................... 6
§ 1. Основные определения.......................... 6
§ 2. Классификация станков ............................... 8
Гл а в а 2. Технико-экономические показатели станков (В. Э. Пуш) ... 12
§ 1. Эффективность . . .'................................. 12
§ 2. Производительность................................... 13
§ 3. Надежность........................................... 16
§ 4. Гибкость ............................................ 19
§ 5 Точность ............................................ 21
Глава 3. Формообразование на станках (А. К. Шульга)................... 24
§ 1. Методы образования производящих линий................ 26
§ 2. Образование поверхностей ......................... 27
§ 3. Классификация движений в станках .................... 29
§ 4. Кинематическая группа ............................... 30
§ 5. Кинематическая структура станков..................... 33
§ 6. Кинематическая настройка станков..................... 35
Глава 4. Кинематика станков (А. К. Шульга)............................ 42
§ 1. Резьбообрабатываюшие станки......................... 42
§ 2. Зубообрабатывающие станки для нарезания цилиндри-
ческих колес ............................................ 46
§ 3. Зубошлифовальные станки для нарезания цилиндриче-
ских колес .............................................. 53
§ 4. Зуборезные станки для нарезания конических колес ... 56
Глава 5. Станки для обработки тел вращения (А. А. Гаврюшин). . . 63
§ 1. Устройство токарных станков......................... 63
§ 2. Наиболее распространенные токарные станки........... 73
Глава 6. Станки для обработки призматических деталей (А. А. Гаврю-
шин) ................................................................ 78
§ 1. Фрезерные станки..................................... 78
§ 2. Многооперационные станки............................. 90
Глава 7. Станки для абразивной обработки (А. А. Гаврюшин) .... 104
§ 1. Круглошлифовальные станки......................... 104
§ 2. Плоскошлифовальные станки......................... 114
672
Глава 8. Ставочные модули и гибкие станочные системы (А. А. Гав-
рюшин) .............................................................. 117
§ 1. Станочные модули................................... 117
§ 2. Гибкие станочные системы........................... 120
§ 3. Автоматизированные участки......................... 124
Глава 9. Автоматические линии (Ю. В. Копыленко) ................ . 129
§ 1. Основные понятия и определения.................... 129
§ 2. Автоматические линии для обработки корпусных де-
талей ................................................. 131
§ 3. Автоматические линии для обработки деталей типа тел
вращения...................... ........................ 137
§ 4. Переналаживаемые автоматические линии............. 141
Глава 10. Промышленные роботы к станкам (Ю. А» Павлов)............. 147
§ 1. Общая характеристика и классификация ............. 147
§ 2. Роботизированные технологические комплексы . . » . . 155
§ 3. Промышленные роботы агрегатно-модульного типа . . . 165
I
РАЗДЕЛ 2. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ. . . 171
Глава 11. Процесс конструирования и его автоматизация (В. Э. Пуш,
В. К. Старостин)...................................................... 171
§ 1. Этапы проектирования станков........................ 171
§ 2. Проектные критерии.................................. 174
§ 3. Предпосылки автоматизации проектирования ........... 177
§ 4. Система автоматизированного проектирования.......... 179
§ 5. Оптимизация проектных решений....................... 181
Глава 12. Проектирование привода главного движения станка (А. А. Ка-
койло)................................................................ 191
§ 1. Исходные данные .................................... 191
§ 2. Привод со ступенчатым изменением скоростей.......... 195
§ 3. Привод с бесступенчатым регулированием скорости . . . 202
§ 4. Особенности проектирования и расчета главного привода 205
Глава 13. Шпиндельные узлы станков (А. А. Какойло) ................... 208
§ 1. Основные требования ................................ 208
§ 2. Конструкция шпиндельного узла....................... 210
§ 3. Шпиндельные опоры качения . . ...................... 213
§ 4. Опоры скольжения для шпинделей...................... 218
. § 5. Расчет шпиндельных узлов...................... 225
Глава И. Привод подачи (О. П. Михайлов, В. Г. Беляев)................. 229
§ 1. Выбор электродвигателя.............................. 229
§ 2. Структурная схема электропривода.................... 230
§ 3. Динамика электромеханического привода............... 234
§ 4. Тяговые устройства привода подач.................... 241
Глава 15. Гидравлический привод станков (О. Н. Трифонов).............. 257
§ 1. Общие сведения...................................... 257
' § 2. Рабочая среда и уплотнения .......................... 258
§ 3. Насосы и гидромоторы................................ 262
§ 4. Аппаратура управления............................... 270
' § 5. Выбор гидромотора .................................. 276
§ 6. Регулирование скорости движения..................... 279
§ 7. Расчет гидравлической системы станка................ 285
573
Глава 16. Манипуляторы (Ю. А. Павлов)................................... 291
§ 1. Манипуляторы для смены заготовок ..................... 291
§ 2. Манипуляторы для смены инструментов................... 299
§ 3. Проектирование и расчет манипуляторов ................ 309
Глава 17. Базовые детали и направляющие (Ф. С. Сабиров)............ 319
§ 1. Назначение базовых деталей и направляющих .... 319
§ 2. Конструктивные формы базовых деталей ................. 320
§ 3. Материал для базовых деталей.......................... 323
§ 4. Расчет базовых деталей................................ 325
§ 5. Классификация направляющих............................ 337
§ 6. Направляющие скольжения............................... 338
§ 7. Направляющие качения ................................. 352
"Глава 18. Расчет динамических характеристик станков (В. С. Хомяков) 357
§ 1. Динамическая система стайка ,......................... 357
2. Р азработки расчетной схемы упругой системы станка 361
§ 3. Составление дифференциальных уравнений динамики
упругой системы........................................ 366
§ 4. Расчет динамических характеристик шпиндельных узлов 372
Глава 19. Исследование и испытание станков (В. С. Хомяков). . . . 376
§ 1. Этапы экспериментального исследования ................ 376
§ 2. Выделение существенных факторов....................... 383
§ 3. Идентификация статических объектов.................... 387
§ 4. Идентификация динамических объектов................... 396
§ 5. Испытания станков .................................... 402
Глава 20. Эксплуатация и ремонт станков (Ф. С. Сабиров)................. 411
§ 1. Правила эксплуатации станков.......................... 411
§ 2. Особенности эксплуатации автоматических линий .... 413
§ 3. Организация ремонта .................................. 416
§ 4. Изнашивание деталей .................................. 420
§ 5 Способы обнаружения дефектов и восстановления деталей 424
§ 6. Модернизация станков.................................. 432
РАЗДЕЛ 3. УПРАВЛЕНИЕ СТАНКАМИ .......................................... 433
Глава 21. Задачи управления. Кодирование информации (К). Е. Михеев) 433
§ 1. Основные понятия...................................... 433
§ 2. Задачи управления станками............................ 437
§ 3. Программоносители. Преобразование и кодирование ин-
формации .............................................. 447
§ 4. Особенности систем управления механического типа . . . 450
§ 5. Числовое программное управление ...................... 452
Глава 22. Аппаратные системы числового программного управления
(В. Н. Шурков)................................................ 461
§ 1. Подготовка управляющих программ....................... 461
§ 2. Узлы аппаратных систем................................ 471
Глава 23. Структуры и устройства числового программЛго микропро-
цессорного управления (В. Л. Сосоикии).............................. 485
§ 1. Основные определения............................. “ 485
§ 2. Структуры микропроцессорного управления............... 486
§ 3. Примеры структурных решений микропроцессорного
управления ............................................ 490
§ 4. Аппаратная основа микропроцессорных устройств ЧПУ 495
574
§ 5. Передача информации в микроЭВМ системы управления - 501
§ 6. Системы команд микропроцессора....................... 505
Глава 24. Системное математическое обеспечение числового микропро-
цессорного управления (В. Л. Сосонкии)................................ 506
§ 1. Назначение системного обеспечения устройств упра-
вления ......................................... .... 506
§ 2. Технологические операционные системы ........ 507
§ 3. Исполнительные операционные системы ........ 510
§ 4. Операционная система реального времени........ 512
§ 5. Представление об устройстве ЧПУ как виртуальной
вычислительной машине.................................... 514
Глава 25. Стратегия организации математического обеспечения ЧПУ
(В. Л. Сосоикин)...................................................... 520
§ 1. Содержание проблемы математического обеспечения . . . 520
§ 2. Выделение процессов реального времени .............. 520
§3. Структуризация математического обеспечения ЧПУ . . . 524
§ 4. Организация базы данных ЧПУ ......................... 526
§ 5. Использование в проекте математического обеспечения
принципов построения однородных вычислительных сетей 528
• § 6. Применение аппарата трансляции к разработке матема-
тического обеспечения ЧПУ .................................. 530
Глава 26. Функциональные возможности микропроцессорных устройств
ЧПУ (В. Л. Сосонкин).................................. . 535
§ 1. Варианты устройств ЧПУ с позиций функциональных
возможностей............................................. 535
§ 2. Влияние особенностей объекта иа систему управления 538
§ 3. Языковый уровень управляющих программ микропро-
цессорных систем управления.............................. 541
§ 4. Адаптация систем управления к объекту (станку) и по-
требителю ............................................... 554
Список литературы.................................................... 562
Предметный указатель ........................................... 564
-V