автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Разработка гидромеханического привода с целью упрощения внутренних кинематических цепей металлорежущих станков

М<5сК$----1

ВСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СТАНКИН

с о ..»'<■

На правах рукописи УДК. 62-231.3

Ванин Василий Агафонович

РАЗРАБОТКА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ЦЕЛЬЮ УПРОЩЕНИЯ ВНУТРЕННИХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Специальность: 05.02.03 Системы приводов

05.03.01 Процессы механической и физико-химической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете, Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Трифонов О. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бушу ев В. В.;

доктор технических наук, профессор Навроцкий К. Л.;

доктор технических наук, профессор Ермаков С. А.

Ведущая организация - АО. "Тамбовполимермаш"

Защита диссертации состоится «22» декабря 1998 г. в 14— часов на заседании специализированного Совета Д063.42.01 при Московском государственном техническом университете - СТАНКИН, по адресу: 101472, Москва, ГСП4, Банковский пер., За, тел. 289-43-46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ - СТАНКИН.

Автореферат разослан « »_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

В. И. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Для получения в станке определенного исполнительного движения необходимо создать кинематическую связь между исполнительными звеньями станка - заготовкой и инструментом - и кинематическую связь этих звеньев с источником движения, для осуществления которой в основном традиционно используются механические кинематические цепи, как в цепях главного привода и подач, так и во внутренних цепях станков, которые строятся индивидуально для каждого типа станка, независимо от типа, технологического назначения, количества формообразующих движений, точности кинематической цепи.

При сложном пространственном расположении рабочих органов, при большом числе промежуточных подвижных элементов и при большом расстоянии между подвижными рабочими органами жесткие кинематические цепи, составленные из механических звеньев, становятся сложными, что приводит к усложнению конструкции станка, а также к снижению точности функционально связанных перемещений.

В связи с тем, что резко изменилась структура производства, повысились требования к мобильности производства, его производительности и экономичности, резко сократились сроки морального износа техники, задачи совершенствования металлорежущих станков при одновременном сокращении времени на проектирование, изготовление и отладку предопределили необходимость применения новых методов построения как станка, так и его кинематики. Одним из основных направлений развития станкостроения становится модульный принцип построения техники, который предполагает разделение станка на конструктивно независимые модули (в отличие от разделения на отдельные узлы), на основе которых идет компоновка станка для решения данной технологической задачи.

Однако при разработке станков, имеющих развитые внутренние связи модульный принцип часто трудно реализовать, поскольку каждая компоновка одного и того же станка требует индивидуальной разработки кинематической связи.

В связи с этим становится весьма актуальным разработать такие внутренние кинематические связи, которые позволят использовать в полной мере модульный принцип построения внутренних связей станков и возникает необходимость теоретического обоснования и разработки внутренних кинематических связей, которые возможно построить по модульному принципу.

Целью работы является изучение возможности применения гидромеханических связей с шаговым гидродвигателем с механической редукцией шага во внутренних кинематических цепях металлорежущих станков.

Автор считает необходимым для этого осуществить теоретический анализ и сравнение кинематической точности механических и гидромеханических связей, оценить быстродействие гидромеханических связей и осуществить экспериментальную проверку использования таких связей во внутренних кинематических цепях металлорежущих станков.

Научная новизна работы заключается в научно обоснованных технических решениях применения гидромеханических связей на основе шагового

гидравлического привода с силовыми шаговыми гидродвигателями с механической редукцией шага во внутренних цепях металлорежущих станков, что может способствовать применению агрегатно-модульного принципа разработки станков со сложными внутренними кинематическими цепями.

Практическая значимость работы заключается в рекомендациях по разработке гидромеханических связей на основе шагового гидропривода с силовыми шаговыми гидродвигателями с механической редукцией шага, методики оценки точности гидромеханической связи во внутренних цепях с учетом сжимаемости жидкости, утечек, волновых процессов, точности инструмента и изделия.

Методы исследования. Объектом настоящего исследования являются системы гидравлических связей, построенных по модульному принципу на основе дискретного гидропривода с шаговыми гидродвигателями, используемые для построения внутренних формообразующих цепей металлорежущих станков, а также происходящие в них динамические процессы.

Основные аналитические задачи в работе решались с применением математического аппарата дифференциальных уравнений, методов качественного анализа динамических систем с помощью многолистной фазовой плоскости, теории точности кинематических цепей.

С целью проверки полученных расчетных соотношений, а также учета факторов, не нашедших отражения в теоретических разработках, проведены экспериментальные исследования на специально созданных установках и макетах.

На защиту выносятся:

- научно-теоретические основы построения внутренних кинематических цепей станков на основе гидравлических связей, выполненных по модульному принципу, в виде гидравлического шагового привода с исполнительным силовым шаговым гидродвигателем;

- принципиально новые схемы новых гидравлических кинематических связей металлорежущих станков различных типов, построенных по модульному принципу, когда различные по возможностям и характеристикам внутренние кинематические цепи построены на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно законченных блоков (модулей), обеспечивающие:

а) конструктивную однородность кинематических связей между конечными элементами цепей для различных типоразмеров станков;

б) возможность создания гибкой системы проектирования кинематики станков, обеспечивающей при ограниченном комплекте унифицированных блоков (модулей) построение кинематических цепей различного функционального назначения, выполняющие разнообразные технологические и компоновочные требования;

в) создание гидравлической агрегатной унифицированной системы, при применении которой возможно исключить конструктивное и размерное многообразие кинематических цепей, предназначенных для выполнения однотипных функций и осуществить проектирование станков различных модификаций на основе типизации решений на единой базе унифицированных узлов (модулей).

Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции (НТК) «Повышение технико-эксплуатационных показателей машиностроительной продукции конструкторскими и технологическими методами» (г. Хабаровск, 1980 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Современные пути повышения производительности и точности металлообрабатывающего оборудования и автоматизация технологических процессов в машиностроении» (г. Москва, 1980 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и эффективности эксплуатации металлорежущих станков и их комплексов в машиностроении» (г. Уфа, 1980 г.), Всесоюзном совещании механиков «Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем» (г. Тамбов, 1981 г.), научно-технической конференции «Эффективность комплексного применения оборудования с ЧПУ и САПР в машиностроении» (г. Курган, 1984 г.), научно-технической конференции «Проблемы создания и эксплуатации гибких производственных систем» (г. Саранск, 1985 г.), НТК «Состояние, опыт и направления комплексной автоматизации на основе гибких автоматизированных производств, робототехни-ческих комплексов и промышленных роботов» (г. Пенза, 1985 г.), НТК «Автоматизация технологических процессов в приборостроении и машиностроении средствами пневмоавтоматики» (г. Пенза, 1985 г.), НТК «Гибкие автоматизированные производства и роботизация технологических процессов» (г. Тамбов, 1986 г.), НТК «Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики» (г. Пенза, 1988 г.), НТК «Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики» (г. Пенза, 1988 г.), 3-й Всесоюзный НТК «Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств» (г. Тольятти, 1988 г.), Всесоюзная научная конференция «Автоматизация и роботизация в химической промышленности» (г. Тамбов, 1988 г.), НТК «Ученые вуза-производству» (г. Тамбов, 1989 г.), НТК «Пневматические средства и контроля управления технологическими процессами» (г. Пенза, 1990 г.), НТК «Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики» (г. Пенза, 1991 г.), НТК «Прогрессивные технологические процессы в механосборочном производстве» (г. Санкт-Петербург, 1992 г.), на выездном заседании Головного Совета «Машиностроение» (г. Тамбов, 1997 г.), а также на НТК профессорско-преподавательского состава Тамбовского государственного технического университета с 1975 по 1998 гг.

Публикации. По материалам работы опубликованы более 70 статей и тезисов докладов конференций, получено 16 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы из 175 наименований и приложения. Материал диссертации изложен на 350 страницах и содержит 118 рисунков и таблиц. Объем приложения составляет 67 страниц.

Разработка, теоретические и экспериментальные исследования в рамках данной работы проводились в Тамбовском государственном техническом университете и Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» с 1980 по 1998 гг.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для получения в станке определенного исполнительного движения необходимо создать кинематическую связь между исполнительными звеньями станка - заготовкой и инструментом и кинематическую связь этих звеньев с источником движения, которая в основном в большинстве случаев осуществляется с помощью механических звеньев как в цепях главного привода, так и во внутренних цепях станков, которые строятся индивидуально для каждого типа станка.

На кинематическую точность цепи, составленной из механических звеньев, влияют геометрическая неточность элементов цепи и неточность их взаимного расположения, обусловленная погрешностями обработки и сборки. Кроме того, большое влияние на точность цепи оказывают температурные деформации и крутильная жесткость, которая определяется взаимным углом поворота валов конечных звеньев кинематических цепей в зависимости от приложенного крутящего момента.

Одним из основных направлений развития станкостроения становится модульный принцип построения техники, который предполагает разделение станка на конструктивно независимые модули. При этом целесообразно обеспечить модульное построение внутренних кинематических цепей, благодаря чему различные по возможностям и характеристикам внутренние кинематические цепи станков различных типов выполняются на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно завершенных модулей (блоков) с использованием ограниченного числа узлов и деталей индивидуального проектирования и изготовления.

Модульный принцип дает возможность выполнить внутренние кинематические цепи станков различного назначения и типов на основе гидромеханических связей в виде дискретного шагового привода с гидравлическими шаговыми двигателями.

Структурно шаговый гидропривод можно представить в виде трех элементов: источника рабочей жидкости, управляющего устройства, которое формирует управляющие импульсы и распределяет их по рабочим камерам шагового гидродвигателя (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема шагового гидропривода

Источником рабочей жидкости служит насосная установка. Напорная и сливная магистрали обозначены буквами Н и С соответственно. Управляющее устройство содержит преобразователи сигналов и гидрораспредели-

тели, которые осуществляют переключение магистралей, обозначенных JI1, Л2, ЛЗ.

Входные сигналы x(t) по физической природе могут быть механическими, гидравлическими, электрическими или пневматическими, а по форме - импульсными или релейными. Выходным сигналом ШГП у(() всегда является угловое или линейное шаговое перемещение выходного звена. При этом на выходном звене преодолевается определенная внешняя нагрузка N(t).

В качестве силового органа в шаговом гидроприводе используется специальный шаговый гидродвигатель, выходное звено которого отрабатывает дискретные управляющие сигналы с высокой точностью и большим усилением по мощности.

Скорость вращения и суммарный угол поворота выходного вала ГЩЦ пропорциональны соответственно частоте и количеству поданных управляющих импульсов.

Используя свойство частотного регулирования скорости исполнительных органов гидравлического шагового привода представляется возможным гидромеханические связи на базе шагового гидравлического привода применить в кинематических внутренних цепях металлорежущих станков. К таким цепям относятся винторезные, цепи деления, затылования, круговых подач резьбообрабатывающих станков с различными схемами формообразования.

Основные особенности внутренних кинематических связей станков на основе шагового гидропривода, построенных по модульному принципу:

1. Конструктивная однородность'кинематических связей между конечными элементами цепей для различных типов станков, достигаемая благодаря тому, что выполняется на базе шагового гидропривода в виде конструктивно и функционально завершенных узлов (модулей), имеющих унифицированные габаритно-установочные и присоединительные элементы.

2. Модульный принцип построения кинематических цепей дает возможность создать гибкую систему проектирования кинематики станков, обеспечивающую при ограниченном комплекте унифицированных блоков (модулей) построение кинематических цепей различного функционального назначения, выполняющую разнообразные технологические и компоновочные требования технических заданий (цепи деления, обката, винторезные, подач различного вида, дифференциальные, затылования и т. д.).

3. Модульный принцип построения кинематической структуры станка требует относительно низких затрат на проектирование и изготовление, позволяет преодолевать конструктивное и размерное многообразие кинематических цепей, предназначенных для выполнения однотипных задач и организовать выпуск станков разнообразных модификаций на основе типизации решений на единой базе унифицированных узлов.

4. Значительно сокращаются сроки и трудоемкость проектирования, изготовления и освоения новых моделей станков, поскольку модульный принцип обеспечивает более полное использование выполненных ранее разработок.

5. Модульный принцип дает реальную возможность упростить конструирование кинематики станка, уменьшить разнообразие конструкций

модулей, улучшить условия совместимости, в том числе функциональной, энергетической, эксплуатационной, позволяет придать конструкции станка свойство обратимости, которое допускает возможность многократного применения его элементов в различных комбинациях и сочетаниях в новых компоновках при смене или частичном изменении изготовляемых изделий.

Практическая целесообразность применения модульного принципа построения внутренних цепей металлорежущих станков на основе шагового гидропривода заключается в следующем:

- сокращает до возможного минимума количество промежуточных звеньев, составляющих кинематическую внутреннюю цепь, что существенно упрощает схему станка;

- улучшает технологичность конструкции внутренней цепи, а значит и всего станка, создавая более рациональную компоновку при сложном пространственном расположении рабочих органов станка;

- уменьшается металлоемкость станка и масса станка;

- уменьшается накопленная погрешность изделия, так как погрешность гидромеханической связи не зависит от расстояния между задающим устройством и исполнительным шаговым гидродвигателем, а будет определяться точностью конечных звеньев цепи, точностью шагового гидродвигателя, инструмента и заготовки;

- общая протяженность кинематической цепи между согласуемыми органами, обуславливающая накопление ошибки за счет увеличения угла закручивания по ее длине, в случае применения гидромеханической связи предельно сокращается за счет исключения до минимума составляющих механических звеньев (шестерен, муфт, валов), что одновременно дает повышение жесткости и точности, а также позволяет создать более рациональную компоновку за счет применения принципа агрегатирования узлов, при этом предельно сблизить и удобно расположить узел инструмента и узел заготовки.

Однако, несмотря на очевидные преимущества новых технических решений, до настоящего времени комплексный подход к разработке единой концепции основ теории, расчета, проектирования гидромеханических связей на основе гидравлического шагового привода во внутренних цепях металлорежущих станков, построенных по агрегатно-модульному принципу, как составляющих общей структуры станка, не был проработан.

Для решения поставленной проблемы в ходе исследований предусматривалось решить следующие задачи:

1. Разработка гидромеханических внутренних связей, обеспечивающих жесткую кинематическую связь формообразования между заготовкой и инструментом, используя модульный принцип, на основе гидравлического шагового привода, где в качестве силового исполнительного органа используются шаговые гидродвигатели с разными вариантами настройки таких связей.

2. Разработка математической модели гидромеханической кинематической связи в целом и ее составных элементов.

3. Разработка методики инженерного расчета основных параметров отдельных элементов гидромеханической кинематической связи и системы в целом.

4. Теоретический анализ и экспериментальная проверка динамических характеристик гидромеханической кинематической связи, как системы с распределенными параметрами.

5. Теоретический анализ и экспериментальная проверка точности гидромеханической кинематической связи.

Глава 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ НА ОСНОВЕ ШАГОВОГО ГИДРОПРИВОДА

Агрегатно-модульный принцип построения, предполагает разделение станка на конструктивно независимые модули (в отличие от разделения на отдельные узлы), на основе которых идет компоновка станка для решения данной технологической задачи. При этом целесообразно обеспечить модульное построение внутренних кинематических цепей, благодаря чему различные по возможностям и характеристикам внутренние кинематические цепи станков различных типов выполняются на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно завершенных блоков (модулей) с использованием ограниченного числа узлов и деталей индивидуального проектирования и изготовления.

Особый интерес данные системы, учитывая их достоинства и ранее сделанный вывод о необходимости применения дискретных гидравлических приводов, представляют с точки зрения использования их в металлорежущих станках в качестве гидромеханических связей во внутренних кинематических цепях для осуществления точных формообразующих движений между заготовкой и инструментом.

Разработки и исследования О. Н. Трифонова, К. Л. Навроцкого, В. Л. Со-сонкина, С. А. Ермакова, Д. Н. Попова, М. Я. Т. Рестома, И. С. Лейкина, В. К. Лучкина, Е. М. Солодникова, А. И. Степакова, В. В. Саяпина, С. Л. Самсо-новича и ряда других позволили создать основы теории и конструирования дискретных объемных приводов, выбрать оптимальные методы расчета, определить возможности использования и способы реализации этих приводов, области возможного использования.

Выбору базового шагового гидропривода предшествовали анализ существующих разработок в этой области, который позволил выявить схемные решения и некоторые конструктивные особенности их основных типов. Для решения задачи по применению гидромеханических связей на основе шагового гидропривода при построении внутренних кинематических цепей станков по модульному принципу были рассмотрены объемные дискретные гидроприводы, различные по типу построения, по элементной базе, по способу осуществления шагового перемещения, среди которых выделены дозаторные приводы, объемные приводы с многоплунжерными (в том числе волновыми) двигателями, гидроприводы с гидравлической редукцией шага, шаговые гидроприводы с механической редукцией шага.

В условиях, когда для получения формообразующего движения необходимо обеспечить жесткую кинематическую связь между заготовкой и инструментом из существующих типов шаговых гидродвигателей наиболее

приемлемым представляется использование шаговых гидродвигателей с механической редукцией шага.

В основе применения гидромеханических связей во внутренних цепях станков лежит гидромеханическая синхронная передача "гидравлический вал", разработанная О. Н. Трифоновым, принципиальная схема которой приведена на рис. 2.

Передача «гидравлический вал» выполнена в виде отдельных функционально и конструктивно завершенных блоков (модулей): насосной установки, генератором гидравлических импульсов, гидравлического шагового двигателя.

При использовании шагового гидропривода во внутренних цепях металлорежущих станков передаточное отношение между исполнительными органами гидромеханической связи зависит от соотношения частот управляющих импульсов, формируемых коммутирующим устройством (генератором гидравлических импульсов) и подаваемых к исполнительным шаговым двигателям привода заготовки и инструмента.

При разработке гидромеханических связей на основе шагового гидропривода при построении внутренних кинематических цепей станков необходимо, чтобы обеспечивались:

1. Жесткая функциональная кинематическая связь между исполнительными органами с сохранением точного передаточного отношения, исходя из расчетных перемещений кинематической цепи.

2. Возможность регулирования скоростей движения исполнительных органов и их передаточных отношений в определенном диапазоне.

3. Податливость гидравлической цепи не должна превышать податливости цепи, составленной из механических звеньев.

Используя единый подход к построению внутренних кинематических цепей, разработаны варианты гидромеханических связей, в которых в качестве исполнительного звена привода заготовки и инструмента используются шаговые гидродвигатели с различными схемами управления (коммутации) силовых каналов:

- гидромеханическая связь с двумя ГЩД, управляемых от одного, общего для обоих гидродвигателей, генератора гидравлических импульсов;

- гидромеханическая связь с одним ГШД, управляемым от блока гидравлических усилителей-преобразователей с торцовым распределением рабочей жидкости;

- гидромеханическая связь с двумя ГШД, каждый из которых управляется от отдельного индивидуального блока торцовых распределителей;

- гидромеханическая связь с двумя ГШД, каждый из которых управляется от отдельного генератора гидравлических импульсов, соединенного между собой несиловой гитарой сменных зубчатых колес;

- гидромеханическая связь с шаговым гидродвигателем, управляемым струйной системой управления.

В настоящей главе не указываются все возможные гидромеханические связи, которые могут найти применение во внутренних цепях станков, неисследуются и области наиболее рационального применения той или иной гидромеханической связи. Показывается лишь возможность осуществления

жесткой функциональной связи, построенной по модульному принципу, на основе гидравлического шагового привода.

Подобное решение значительно расширяет области применения шагового гидропривода во внутренних цепях металлообрабатывающих станков различных типов, где необходимо обеспечить жесткую связь для создания взаимосвязанных формообразующих движений заготовки и инструмента, а также в тяжелых и особо точных станках, где наличие тяжелонагруженных длинных садовых кинематических цепей, подверженных значительным механическим и температурным деформациям и износу, требует применения . громоздких, имеющих низкий кпд. механических устройств.

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ШАГОВОГО ПРИВОДА

Рассмотрены вопросы оценки гидромеханической связи на основе шагового гидравлического привода по быстродействию. Для оценки возможностей и получения обоснованных рекомендаций по применению гидромеханических связей во внутренних цепях металлообрабатывающих станков было определено быстродействие привода с ГШД (рис. 3).

Управляющее устройство включает в себя механический генератор гидравлических импульсов с вращающейся золотниковой втулкой и блок торцовых распределителей и обеспечивает поочередное соединение исполнительных гидролиний с рабочими камерами шагового гидродвигателя.

Формирование управляющих гидравлических импульсов осуществляется от вращающейся золотниковой втулки, на периферии которой расположены сквозные рабочие щели, через которые жидкость поступает в торцевые гидрораспределители.

В данном случае определено аналитически и проверено экспериментально быстродействие торцового распределителя и гидравлического шагового двигателя, как без учета волновых процессов в системе, так и с учетом этих процессов.

При выводе линеаризованных уравнений движения шагового гидропривода были сделаны следующие допущения:

1) динамический процесс происходит в окрестности точки нагрузочной характеристики 0 = /(х, р) с координатами х = х^; Рш = Р0; Q¡JЛ = ()0, которые характеризуют стационарное состояние гидропривода;

2) сухое трение (контактное) в гидродвигателе и нагрузке мало и им можно пренебречь;

3) модуль объемной упругости рабочей жидкости, коэффициент ее вязкости, дальние подачи на входе и на сливе величины постоянные;

4) температура жидкости в течении рассматриваемого динамического процесса не изменяется;

5) нагрузка на выходном валу шагового гидродвигателя отсутствует;

6) перекрытие щели в генераторе гидравлических импульсов происходит мгновенно.

При этих допущениях движение элементов гидравлического шагового привода можно представить системой состоящей из двух уравнений: урав-

Рис. 3. Принципиальная схема гидравлической связи с управлением от блока торцовых гвдрораспределителей

нения движения в виде основного уравнения динамики и уравнения расхода, учитывающего условие неразрывности потока жидкости.

и/г 121(Р -Р)-к р —-о (1)

" ДРл| у ^ ну у' ^ут-* у л

/их + Рп5 + с (х - х0) + А;ух - Ру 5у =0 (2)

где: /?г - масса золотникового гидрораспределителя; хос - предварительное

сжатие пружины; х - ход распределителя; с - жесткость пружины; ку - коэффициент вязкого трения; Рп, Ру - давление питания и управления соответственно; 5 - площадь напорного сопла; ¿г- коэффициент расхода; -площадь проходного сопла дросселя; Рщ, Ру - давление масла насоса управления и давления масла в сети после дросселя соответственно; у - удельный вес рабочей жидкости; g - ускорение свободного падения; - коэффициент внутренних утечек генератора гидравлических импульсов; V/ - объем полостей, заполненных рабочей жидкостью; Е - модуль упругости рабочей жидкости.

Уравнения (1) и (2), записанные в безразмерной форме, имеют вид:

з§ (3)

с12х — _ _ —

= ~Р„ - а4 - а5х - а6*1 + а 1Ру (4)

В этих уравнениях принято:

Р - х I PmaxS . — Р\

п > » Л/ ' У D

"пmax -"-max \ хтахт 'max

х=--;

I--fig

Qmax = ^lxmax V Лпах = '

^iy шах V Pmax^ ^ max max

CXoc асцщ . ^"v-^maxл/^тах*^ . ^max

4 = 7—' 5 =7 a6_7—сM' a? = p—•

пии Хтах° ^лтах0\xmzxm 1 "max

Время срабатывания золотника, т. е. время, необходимое для переключения его из одного крайнего положения в другое, определяется при совместном решении уравнений (3) и (4) для рассматриваемой гидравлической системы с определенными конструктивными параметрами.

Для разработки линеаризованной модели гидропривода нелинейное уравнение (3) нужно линеаризовать, разложив функцию двух переменных

хф - Ру в ряд Тейлора по степени малых приращений этих переменных,

взятых в окрестностях точки с установившимся режимом движения. Достаточным условием для выполнения линеаризации нелинейной функции является отсутствие разрывов и неоднозначностей в точке разложения. Обозначив X, = х - Зс0 и У = Ру - Ру$, линеаризованная система уравнений имеет вид:

(к

V1 ~~ ^>0*1 -"

х0

■г-

гуо

- а2у - а3х .

(12ХХ _

2 = -Рп - а4 - 015X1 - а^ —+ а-]Х.

(Бс1

& " - " 1

Уравнение движения после преобразований имеет вид

сЕ,

с1гхл , (Р-х. , их, , _ _

+ + + Б1 =0

йх Лх ах

(5)

(6)

(7)

здесь обозначено:

А. =

«2

«1*0

— + аб ■у 0

; к2 =

а1а6х0 + - ■ _ ■■ + а5«б + азау

а2а5 +

2

■ 040.7

Г-

у о

В, =

Х0

2/1 - Я,

+ а2Р„ + сца2

>0

Решение этого уравнения будет

Зс, = с^11

с2е 2 +с3е

¿3

(8)

Для рассматриваемого конструктивного исполнения привода это решение будет:

5?! = 3,35е°'8т + 4,45е0,97т + ОД2^16'03^ -1,34. (9)

+

Принимая во внимание, что рабочий ход распределителя составляет х = 0,1, время срабатывания при решении уравнения (9) составляет / = 0,0023с.

При исследовании динамической системы с ГШД быстродействие привода определяется быстродействием его составных элементов, т.е. временем прохождения сигнала от задающего устройства до поворота на угловой шаг выходного вала гидравлического шагового двигателя.

Поведение шагового гидродвигателя описывается уравнением моментов сил, действующих на выходной вал ГШД и уравнением расходов рабочей жидкости.

7^ = МД-МС.

(10)

(11)

где I - момент инерции вращающихся масс, приведенных к валу ГШД; со -угловая скорость; Мс - крутящий момент, приложенный к валу шагового гидродвигателя; Мд - крутящий момент, развиваемый на выходном валу ГШД; <2 - расход рабочей жодкости, поступающей к шаговому гидродвигателю; V, - скорость движения толкателя; Р- площадь рабочей камеры ГШД; IV - объем камеры толкателя и подводящих трубопроводов, заполненных рабочей жидкостью; ку - коэффициент утечек; Р - давление питания, действующее на толкатель шагового гидродвигателя.

На основании анализа схемы действия сил, действующих на толкатель и на скос кулачка ротора ГШД получено нормализованное уравнение движения шагового гидродвигателя:

ш" + ^ю" + а2<а" = (?(х)

(12)

где

«1

бтах-/^

в =

А =

ЯР

ш0

\У

аг =

сюр

бтах

бп

'V Афс

ЯЕР

11-&а/+/ I )+ tfft

¡(м±г_+ г21-11], *2(рцг+т)

VI -tgo.f / ] (ва

С =

№

Считая, что движение толкателя гидравлического шагового двигателя начинается при достижении расхода насыщения 0 (х) = £>0 • Применяя кусочно-линейную аппроксимацию нелинейной функции, представим ее в виде (рис. 4).

X»

<2т

Рис. 4. Кусочно-линейная аппроксимация иелипейной функции

От Х>Хт

Ш 0 < х <

О < х < х,

т

где хт - расчетное значение перемещения золотника, при котором наступает ограничение расхода.

Решение уравнения для случая комплексно-сопряженных корней характеристического уравнения записывается в виде

За искомое время х выходной вал гидравлического шагового двигателя повернется на угол

Проинтегрировав выражение (13) по времени в пределах от 0 до г и подставив в него угол, соответствующий повороту выходного вала ГТТТД на один угловой шаг, получим выражение для определения времени срабатывания ГШД

здесь А\ = с^а - с(р ; Л2 = сф + с2а.

Определив корни характеристического уравнения и постоянные интегрирования выражений (13) и (14), при значениях, характеризующих параметры системы, определено время срабатывания ГШД, равное t = 0,0043с.

Для учета волновых явлений в системе в уравнения, описывающие поведение элементов гидравлического шагового привода, введены дополнительно известные дифференциальные уравнения, описывающие волновые процессы в трубопроводе, соединяющем управляющее устройство с ГШД, и который обычно является самым протяженным

и = еа'(с| соб {Зт + с2 51П Рт) + —

(13)

(14)

дР(х,() дУ(х,р

дх ~Р дt дР(х,р _ дУ(х,р а? ~рс дх

Для дальнейшего использования системы волновых уравнений ее решают в общем виде с учетом того, что участок с распределенными параметрами находится внутри общей цепи динамических звеньев.

Эта особенность приводит к тому, что граничные условия не могут быть даны в виде явных функций времени, и позволяет лишь установить уравнение связи давления Р и скорости V на одной границе через параметры управляющего устройства (гидрораспределителя), а на другой через параметры ГШД. В то же время необходимо получить конечный результат решения системы волновых уравнений в виде уравнений связи между граничными значениями параметров с учетом характера распределений. При решении системы волновых уравнений используется прямое двумерное преобразование Лапласа.

Применив к волновым уравнениям преобразования Лапласа ,получим:

- zP(z,S) + P(0,S) = 50рЙ(г,5);

- zñz.S) + V(0,S) = S~P(z,S)--Ц-(z,S),

pe zpc£

здесь S - оператор Лапласа по "?" , a z - по "х".

После совместного решения этих уравнений и некоторых преобразований выражения для Р и V при х = / (граничное сечение трубопровода на входе ГШД с параметрами Р2 и V2), где / - длина трубопровода между управляющим устройством и ГШД будут иметь вид:

Р2(5) = P^S)сЪ(е*/с) - PcFÍ(S) - sh(e^) +

+ Ysp2(0)- ysPmch(eyc);

V2{S) = ^(S)ch(e-%) - ypcP¿S)sh(e%) + /pcS P2{0)sUeS/c).

Наличие гиперболических функций в этих выражениях не позволяет найти точное значение оригиналов обычными методами, для этого аппроксимируем функции ch (еи sh (епервым членом разложения в степенные ряды. В результате будем иметь:

P2(S) = P{(S) ~\^SP2(.0) - epSV^S);

I с

V2{S) = ОД - —[SP^S) - P2(0)].

pc21 1

Имея в виду, что при включении системы из состояния покоя Р2(0) = а р'(0) = (0) = V'(fi) = F'(0) = 0 (здесь и далее штрихом обозначен порядок производной), путем обратного преобразования Лапласа по параметру "f находятся оригиналы исходных функций, вводя обозначения аь = рс,

Т2 = ~, (здесь ть - волновое сопротивление трубопровода, - постоян-

О

ная времени трубопровода).

РгЬ) = РМ -Т2 ® Ь ^'(0;

К2(0 = Уу{1) .

(0В

Эти зависимости представляют собой уравнения связи граничных значений параметров с учетом волнового участка при включении системы из состояния покоя. Математическая модель гидравлического шагового привода с учетом волновых явлений в приводе будет иметь вид:

1а'(Г) = Мд{{) - Мс(() ; Мд(1) = PN(.t)[cosa -/апа]; Риш-т + П№р; Ра(П = Ш - ЪШи;

= -^-хт(1)Р'(1) + /хИ/) + Кури(1);

Pu(t)F-N{t)

(sina + / cosa) + /jj г - — j(cosa - / sin a)

tga

где / - момент инерции вращающихся частей, приведенных к выходному валу ГШД; со (t) - угловая скорость вращения вала; М,){!) - вращающий момент на валу; Mc(t) - момент сил сопротивления, приложенных к валу; /1 - площадь сечения трубопровода; Рпит - давление питания (принимаем Лтит = const); Pu{t), P\(t), P2(t) - давление жидкости в соответствующих сечениях трубопровода; Vi(i),K2(0 - скорость течения жидкости в соответствующих сечениях трубопроводов; с,р, £„ - коэффициенты местных потерь,

соответственно в гидрораспределителе и на входе в рабочую полость цилиндра ГЩЦ; Ец - приведенный модуль упругости рабочей полости толкателя ГШД; х, (г) - перемещение толкателя; Р - площадь сечения толкателя; kv - коэффициент утечек; W - объем рабочей полости толкателя и подводящих трубопроводов; N(t) - сила, нормально действующая на поверхность скоса кулачка ротора ГШД; R - средний радиус точки контакта толкателя с поверхностью скоса кулачка ротора; а - угол давления в точке контакта с поверхностью кулачка; / - коэффициент трения; 1Т - среднее расстояние от

точки контакта до верхней опоры толкателя; h - расстояние между опорами толкателя; р - плотность рабочей жидкости.

Решение полученной системы дифференциальных уравнений по определению закона изменения параметров привода произведено численным методом, для чего система уравнений приводится к системе первого порядка, в которой уравнения разрешены относительно производных.

ух = До + yWAi + y(2)Dn ; УК ' >•(3) 24 y{3) 22 y(3) 21 7(3) 20'

У'(3) = y(4); y'(4) = y(2)i>42 + Z>4o;

где обозначено: Ao

Pmim^iAl'

Ai = --

A 2 =

Т2(Ыр+«>ВУ

'20 =-J—

An =

Ai = -

■ф>-<4)

ЪгР(Ыи+<»в) '

a2 =

+ + /i) ~ /i4]

; A4 = -E1« ;

Ao

MCR (sina+/соба) + - ~-j(cos a - / sin a)

/tga (sina+ / cosa) + /j2^l-^-j(cosa-/sina) + R?( cosa-/sina)(p IV+m)

A2 =-

/?2(cosa- / sina)

/tga

(sina + /cosa) + /^1 - —|(cosa -/sina)

-R2(ccsa-/sina^pH^+m)

Для численного решения системы дифференциальных уравнений использован метод Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага.

В качестве примера выполнен расчет переходных процессов при значении исходных параметров, соответствующих экспериментальному варианту привода.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ШАГОВОГО ПРИВОДА

Гидравлический шаговый привод представляет собой систему, состоящую из гидравлического шагового двигателя, управляемого с помощью коммутирующего устройства, выполненного в виде блока гидравлических распределителей - усилителей с торцовым распределением рабочей жидкости.

Поведение динамической системы с гидравлическим шаговым двигателем описывается системой дифференциальных уравнений

"со7' + <Х[<й' + а2ю = б(х) , (15)

х = с1вк,х + с2е12Х + с3еХ}Т + И.

Первым записано уравнение движения гидравлического шагового двигателя, вторым - уравнение перемещения золотникового распределителя с торцовым распределением рабочей жидкости.

Здесь обозначено

а Щттл^шах а кутЕ^хтйхт ^_

а1 ~ ' а2~~ 1¥РУптхД^ ' утхпа% •

Динамическая система с ГШД в процессе отработки шага описывается уравнением с неоднозначной правой частью, которая представляет собой нелинейную функцию и определяет условие переключения в зависимости от величины перемещения торцового распределителя.

Характеристика хорошо аппроксимируются отрезками прямых, в результате аппроксимации получается кусочно-линейная характеристика с переменным значением коэффициента усиления на отдельных ее участках. При малой зоне нечувствительности статическая характеристика выражается уравнением:

е(г) =

1 х <хл

т

- - _ - при X < хл

хл

О х <ха

здесь хл - зона линейности.

При кусочно-линейной аппроксимации характеристики фазовая плоскость га, у = со' системы с шаговым гидродвигателем разбивается на три области, в каждый из которых фазовые траектории определяются соответствующим линейным уравнением. Края листов областей соответствуют переключениям золотника с торцовым распределением и представляют собой границы действия линейных дифференциальных уравнений.

Листу 1 принадлежит участок характеристики х < 0; где <2 (х) = 0, что соответствует выключенному состоянию торцового гидрораспределителя (гидрораспределитель находится в крайнем левом положении и перекрывает левым торцом канал питания).

Листу 2 принадлежит участок характеристики при х <хл, где

£?(*) = <3 (х)/ хл , что соответствует насыщению по расходу.

Листу 3 принадлежит участок характеристики х > хл , где (2 (х) = 1, что соответствует состоянию гидрораспределителя в крайнем правом положении, когда напорная магистраль соединяется с рабочей камерой толкателя гидравлического шагового двигателя.

На листе 1 движение гидравлической связи с исполнительным шаговым двигателем описывается уравнением:

{¡а а.х

¿у _ „

+ ау + Вш =0

ах

На листе 2:

<Ш

~dz ffy

dx

= у;

+ ау + Р© =Q(x)/xa

На листе 3:

сШ

Их

dy_ dx

= У\

+ ay + рш = 1

Система распадается на три линейных уравнения, последовательно сменяющих друг друга:

1. со" + alo1 + Рш = 0 при х < 0;

2. ш" + аю' + рш =

х

при 0 < х <, хл

(16)

3. о)" + аш' + рш = 1 при х > хл.

В соответствии с этим фазовую плоскость целесообразно разделить на три листа, на каждом из которых справедливо одно из линейных уравнений (15).

Фазовые траектории на каждом из листов полностью определяются линейными уравнениями (16) и не зависят от вида аргумента нелинейной функции 6(х).

Фазовый портрет в зоне насыщения при х> хл, когда поведение системы описывается уравнением ш" + аш' + (Зм = 1, получен методом изоклин, которые представляют собой прямые линии, описываемые уравнением:

1 2,62 У т + 1,84 т + 1,84 '

Фазовая траектория в данном случае представляет собой семейство спиралей, навертывающихся на особую точку ш = 1, у = О, которая является устойчивым фокусом, т. е. система, положению равновесия которой на фазовой плоскости соответствует устойчивый фокус, является асимптотически устойчивой.

Поскольку расход, поступающий в рабочую камеру ГЩД зависит от величины смещения гидрораспределителя, то решив систему:

{«" + с^со' + а2а = £?(х) х = -3,35е0-^ + 4,58е0'97х + 0,12е-16№ -1,34

Получим численные значения со и ю', по которым строится фазовая траектория системы в линейной зоне.

"Сшиванием" листов фазовой плоскости получена полная картина поведения системы с ГШД.

Используя фазовую траекторию в пределах каждой области изменения состояния системы, построен переходной процесс отдельно на каждом листе, а затем путем "сшивания" или припасовывания этих решений получен общей переходный процесс. Полное время протекания переходного

процесса определяется как сумма времени на каждом участке тоб = .

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ НА ОСНОВЕ ШАГОВОГО ГИДРОПРИВОДА ВО ВНУТРЕННИХ ЦЕПЯХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Исследуется точность гидромеханической цепи обката зуборезного станка для нарезания цилиндрических зубчатых колес, где в качестве исполнительных элементов применяются гидравлические шаговые двигатели и проведено сравнение ее с точностью аналогичной цепи, составленной из механических звеньев и настраиваемой гитарой сменных колес.

Сравнительный анализ точности вариантов кинематических цепей проводился с использованием работ Левашова А. В., Плужникова А. И., Бушуева В. В., представляющими дальнейшее развитие теории точности реальных механизмов, разработанной проф. Калашниковым Н. А., что дает возможность оценить точность станка и его внутренней цепи на стадии проектирования.

Расчеты при этом выполняются в табличной форме, что повышает удобство, наглядность, надежность вычислений, особенно при необходимости последующих корректировок.

Для каждого варианта кинематической цепи составлена таблица исходных геометрических и точностных параметров всех звеньев, таблица для вычисления действующих и приведенных погрешностей.

Кинематическая точность рассматривается в предположении, что скорость ведущего звена кинематической цепи постоянна, а все элементы абсолютно жесткие, и из рассмотрения исключаются неравномерность движения привода, упругие деформации, крутильные колебания валов с присоединенными к ним деталями, влияние процесса резания.

Имеющиеся в каждом реальном приводе погрешности изготовления и монтажа звеньев кинематических цепей, их силовые и температурные деформации, а также некоторые другие, вызывают неравномерность движения промежуточных и конечных звеньев кинематических цепей.

В результате действия погрешностей создаются угловые и линейные ошибки положения и ошибки перемещения на соответствующих звеньях станка. На каждом звене точностной цепи могут образовываться несколько составляющих ошибок, ог каждого из перечисленных выше факторов, которые складываясь, создают суммарную ошибку звена. Эта ошибка передается по линии действия кинематических пар цепи и подчиняется зависимостям:

Л<ри - Ащ ;

= (17)

где Л(ри, - соответственно угловая и линейная приведенные погрешности от 1-го звена, преданные на конечное звено (заготовку); Асрь ¿Ц- - соответственно угловая и линейные погрешности (действующие) /-го звена; 4и, ¿'¡л - соответственно угловой и линейный коэффициенты приведения от /-го звена к звену А.

Основная действующая погрешность звена определяется выражением

(18)

где- 5Бр1 - накопленная составляющая погрешность звена, равная допуску соответствующей накопленной погрешности шага колеса червяка; 5 -монтажная составляющая погрешность звена, определяемая через допускаемые погрешности подшипников, валов и других деталей, входящих в состав кинематической цепи.

По данным Плужникова А. И. и из практики изготовления элементов точностных кинематических цепей станков следует, что погрешности изготовления звеньев кинематических цепей изменяются от минимальных

Д1/11"! до максимальных | значений, где всегда (Л™п) > 0, а не равны нулю, как принималось раньше. Параметры рассеяния системы

(кинематической цепи, кинематической системы) определяются выражениями:

шЕ = JZfaSu)2 09)

Л™" = АозХ + ; ¿Г °>г

где - коэффициент приведения звена А (звена приведения); dif (different), equ (equal) - индексы, отражающие суммирование соответственно разночастотных и равночастотных погрешностей. Для любого /'-го звена (фактора) можно записать:

Да,- = ш,- = Jl^^d) ■

где А(оа-, шс/, - параметры рассеяния составляющей погрешности /-го звена (фактора).

Основные показатели точности системы:

- практически предельное значение погрешности;

==Е(вфИw+= ZjlSZ=; (20)

- величина поля рассеяния погрешности; VW V(2)

где £ , 2j9 - смешанная и квадратичная суммы приведенных к звену

(А) погрешностей звеньев кинематической цепи; (8<p;j )v - приведенные погрешности, относящиеся к определенным частотным группам (v); 5фу - групповая приведенная погрешность.

Выходные показатели точности определяются по кинематической (X), циклической (f) и накопленной (р) погрешностям.

Практически предельное значение кинематической погрешности:

цепи офу = ]Г ф^ = ]Г 5q>v ;

станка 5ф|т=^5фСТ, (22)

изделия: бср^3 = .

Величина поля рассеяния кинематической погрешности:

цепи: Й(Р2 =Хф£)=\!Х(5с^)2 ;

станка: соф|т = ; (23)

изделия: шср^ = ^Х(б<Р"3)2 ,

где 5фу, 5ф", 5ф"3 - групповые приведенные погрешности, относящиеся ко всей кинематической цепи без учета инструмента и заготовки, и к изделию А, т. е. ко всей кинематической системе станка.

Практически предельное значение циклической погрешности:

станка: 5Ф}Т= £(5<?") ; (24)

изделия: 6ф?3 = .

Величина поля рассеяния циклической погрешности

цепи: <оФ/ = £ ;

станка:

изделия: соф/" = -Л > 15ф;")2/

На основе групповых погрешностей 5ф" вычислены практически предельные значения кинематической 6ф|т, накопленной 5ф^т и циклической

5ф" погрешностей для станка и проведено их сравнение с допустимыми

значениями. Сравнение расчетных значений показателей точности с допустимыми для станка и для изделия приведено на рис. 5 и рис. 6.

ст «

Рис. 5. Поля рассеяния кинематической погрешности станка с двумя ГШД

в цепи обката

Рис. 6. Поля рассеяния кинематической погрешности изделия на станке с двумя ГШД в цепи обката

Для исследования точности структуры кинематической цепи и наглядного представления о путях ее изменения с целью повышения точности или снижения трудоемкости изготовления проведен анализ баланса точности системы с построением соответствующих диаграмм.

Для наглядного представления баланса точности и облегчения вычисления коэффициентов влияния, все учитываемые при анализе факторы разделяются на группы, например: «заготовка», «делительная пара», «гидравлический шаговый двигатель», «инструмент» и т. п.

Коэффициенты влияния г/-й группы факторов (звеньев) вычисляются по формуле:

системы (КЦ, станка, изделия); а - индекс, отражающий характер суммирования, применявшегося при определении соответствующих показателей точности, по которым анализируется баланс точности.

Определение коэффициентов влияния проведено по величинам 5ср|т

(станка) и 8ф™(для изделия), на основании этого построены диаграммы баланса точности станка и изделия, приведенные на рис. 7, где значения коэффициентов влияния выражены в процентах.

Для оценки точностных характеристик цепей обката анализ производился при одинаковых условиях для случая нарезания прямозубых колес модулем т = 1,25 мм с числом зубьев Z— 128, 192, 256, а также т — 5 мм с числом зубьев 2 = 32, 48, 64.

В результате сравнительного анализа погрешностей изделий (зубчатого колеса), нарезанного с помощью механической цепи обката, настраиваемой гитарой сменных колес, и гидравлической цепи, состоящей из двух ГШД, выяснено, что точность колес, нарезанных с помощью гидравлической цепи обката, несколько выше точности колес, полученных при нарезании с механической цепью обката. Точность колес в обоих случаях по всем параметрам соответствует 7-ой степени точности, а некоторых экземпляров 6-ой и 5-ой степени точности.

(26)

сумма приведенных (или групповых) погрешностей, относящихся к звеньям д-й группы факторов (звеньев); ^Г - то же для всей

ы 00

!

/7?л

* п < 1

2)/)

&

ПС ^

V ■м к.

щ

= У, ¿¿'.-/л,

// (ш)

М

Ч

ВС | 1

1

I

V 1

'•У &

1/

? 1

V

й/зг)

V

а?

с МО

То

/¿?<7 ^¿7 ,¿>^¿7 320

а) у

320У60 ¿¿/О, ¿¿О ¿т/

Рис. 7. Диаграмма баланса точности: а) станка с двумя ГШД в цени обката; б) изделия, обработанного на станке с такой цепью обката

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ НА ОСНОВЕ ШАГОВОГО ГИДРОПРИВОДА

Экспериментальное исследование дискретного шагового гидропривода в гидромеханических кинематических цепях проводились с целью проверки их работоспособности и теоретических выводов, полученных при аналитических исследованиях.

Экспериментальные исследования проводились в следующих основных направлениях:

- получение и оценка основных выходных характеристик гидравлического шагового привода;

- подтверждение возможности построения гидромеханических связей и применения их во внутренних цепях металлорежущих станков;

- оценка параметров гидромеханической связи на основе шагового гидропривода при использовании ее во внутренних цепях станков.

При исследовании была проверена и подтверждена работоспособность гидромеханических связей со следующими схемами управления:

а) гидромеханическая связь с одним ГЩЦ, управляемым генератором гидравлических импульсов с золотниковой втулкой;

б) гидромеханическая связь с двумя ГШД, управляемыми от одного общего для обоих ГШД генератором с вращающейся золотниковой втулкой;

в) гидромеханическая связь с одним ГШД, управляемым от блока торцовых распределителей;

г) гидромеханическая связь с двумя ГШД, каждый из которых управляется от индивидуального блока торцовых распределителей;

д) гидромеханическая связь с двумя ГШД, каждый из которых управляется от отдельного генератора гидравлических импульсов с вращающимися золотниковыми втулками, соединенными между собой несиловой гитарой сменных колес.

Экспериментально проверялась синхронность вращения выходных валов всех гидромеханических связей, включающих два шаговых гидродвигателя с различными схемами управления.

Экспериментальное исследование рассогласований отработки угловых перемещений выходных валов шаговых гидродвигателей в установившихся и переходных режимах выполнялось с помощью датчика угла поворота Ки-856 фирмы МТ, тензонометрическими датчиками балочного типа.

Исследования на экспериментальном стенде позволили определить быстродействие гидромеханической связи, состбящей из шагового гидродвигателя и управляющего устройства, выполненного в виде блока гидрораспределителей с торцовым распределением рабочей жидкости.

Возможность применения гидромеханической связи с силовым шаговым гидродвигателем во внутренних цепях станков была проверена на экспериментальных стендах при нарезании зубчатых колес:

1. Методом зубодолбления на стенде, выполненном на базе зубодол-бежного станка мод. 5М14, в котором за счет некоторых конструктивных изменений вместо механической кинематической цепи, настраиваемой гитарой сменных колес, была применена гидромеханическая связь, состоящая из двух шаговых гидродвигателей для привода заготовки и инструмента, а передаточное отношение такой цепи настраивается за счет числа рабочих щелей во вращающейся золотниковой втулке генератора гидравлических импульсов. Для нарезания одновенцовых зубчатых колес использовалась гидромеханическая связь, состоящая из двух шаговых гидродвигателей, которые управляются от одного, общего для обоих ГЩЦ, генератора гидравлических импульсов.

При нарезании блоков зубчатых'колес на зубодолбежном станке с гидромеханической связью во внутренней цепи использовалась связь, состоящая из двух шаговых гидродвигателей для привода инструмента и заготовки и двух генераторов гидравлических импульсов, соединенных с шаговыми гидродвигателями через двухпозиционный гидрораспределитель (рис. 8).

При использовании гидромеханической связи были нарезаны зубчатые колеса и блоки зубчатых колес с числом зубьев Z= 30,60,120 модулем т — = 1,5 мм и т — 2 мм из стали 45 и алюминия.

Замеры ошибки шага нарезанных зубчатых колес показали, что точность зубчатых колес по разности соседних окружных шагов соответствует 7-8 степени точности. Для сравнения были нарезаны колеса с аналогичными характеристиками с применением механической связи, настраиваемой гитарой сменных колес. Замеры точности по шагу показали соответствие восьмой степени точности.

2. Методом зубофрезерования на стенде, выполненном на базе широкоуниверсального фрезерного станка мод. 675 (рис. 9), где показана принципиальная схема гидромеханической связи во внутренней цепи.

Вращение золотниковой втулки с расчетным числом рабочих щелей, определяющим передаточное отношение цепи, осуществляется от шпинделя инструмента, а вращение заготовки производится от шагового гидродвигателя через делительную головку, установленную на столе станка.

При использовании такой гидромеханической связи были нарезаны зубчатые колеса 2 = 60, т = 1,5 мм и т = 2 мм. Точность зубчатых колес по накопленной погрешности и разности соседних окружных шагов соответствует 6-8 степени точности.

Рис. 9. Принципиальная схема экспериментального стенда дм нарезания зубчатых колес методом зубофрезерования

Глава 7. ПОСТРОЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ЦЕПЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ПО МОДУЛЬНОМУ ПРИНЦИПУ НА ОСНОВЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Опираясь на положения теоретических основ анализа, настройки и расчета кинематических цепей металлорежущих станков, разработанные профессором Головиным Г. М. и созданной профессором Федотенком А. А. методики анализа кинематической структуры станка с любыми кинематическими цепями и типовых структурных схем металлообрабатывающих станков впервые предложены гидромеханические связи на основе шагового гидропривода во внутренних цепях металлорежущих станков, построенные по модульному принципу.

Использование модульного принципа построения внутренних кинематических цепей на основе шагового гидропривода дает возможность не конструировать кинематические цепи каждый раз заново для каждого типа и модели станка, а компоновать их из функционально и конструктивно законченных модулей, взятых в таком сочетании, при котором обеспечиваются необходимые формообразующие движения, выходная точность станка, рациональная компоновка кинематики станка, что позволяет резко упростить кинематическую структуру станка за счет исключения до всех промежуточных элементов цепей.

При построении внутренних кинематических цепей на основе шагового гидропривода в зубодолбежных станках предложены гидромеханические связи между инструментом и заготовкой для всех схем обработки при различных относительных геометрических положениях осей вращения долбяка и заготовки.

При построении внутренних кинематических цепей в виде гидромеханической связи с силовым исполнительным шаговым гидродвигателем предложены гидромеханические связи для обработки резьб и червяков как многопрофильным фасонным инструментом - кольцевой фрезой или широким кругом, так и однопрофильным фасонным инструментом - дисковой фрезой.

Использование модульного принципа обеспечивает построение внутренних цепей зубофрезерных станков для всех схем формообразования: для фрезерования червячной фрезой цилиндрических колес с прямым и винтовым зубом, червячных колес, конических колес с прямыми и тангенциальными зубьями, шлицефрезерных станков.

Кинематические гидромеханические связи во внутренних цепях на основе гидравлического шагового привода предложены для всех схем формообразования токарно-затыловочных станков: при затыловании дисковых фрез, когда кинематическая структура станка состоит из одной кинематический группы, при затыловании гребенчатых резьбовых фрез, когда структура станка будет состоять из двух групп; при затыловании червячных фрез с винтовыми стружечными канавками, когда структура станка состоит из трех групп; при затыловании червячных конических фрез, когда структура станка состоит из четырех групп.

Предложены гидромеханические связи во внутренних цепях станков для обработки некруглых колес, методами зубодолбления и зубофрезерова-ния.

выводы

1. На основании рассмотрения наиболее распространенных внутренних кинематических связей в металлорежущих станках показана возможность использования во внутренних кинематических цепях металлорежущих станков гидромеханических связей на основе шаговых гидродвигателей с механической редукцией шага.

2. Разработанная математическая модель гидравлического шагового привода позволила оценить быстродействие привода и его элементов, которое составляет: для шагового гидродвигателя - 0,0048 с, для золотникового переключателя с торцовым распределением рабочей жидкости - 0,0028 с.

3. Разработанная нелинейная математическая модель шагового гидропривода, учитывающая сжимаемость, утечки рабочей жидкости, волновые процессы в системе позволила на многолистной фазовой поверхности определить характер движения и динамические характеристики привода, включая построение переходного процесса, на каждом из листов многолистной фазовой плоскости.

4. Проведенный сравнительный анализ точности внутренней кинематической цепи, составленной из механических звеньев и настраиваемой гитарой сменных колес и разработанной гидромеханической связи на основе шагового гидропривода с силовыми шаговыми гидродвигателями с механической редукцией шага может быть не ниже аналогичной механической цепи и укладывается в пределы, соответствующие (6V7) степени точности для зубчатых колес диаметром до 300 мм.

5. Проведенные экспериментальные исследования на экспериментальных стендах с гидравлической связью на основе шагового гидропривода с механической редукцией шага подтвердили работоспособность конструктивных решений гидравлических связей; точность зубчатых колес, нарезанных с применением гидравлических связей, соответствует значениям (6+7) степени точности.

6. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования гидромеханических связей, выполненных на основе шаговых гидродвигателей с механической редукцией шага, показали возможность их применения при модульном построении внутренних кинематических цепей с использованием крайне ограниченного числа узлов и деталей, при этом возможно реализовать блочно-модульное построение металлорежущих станков.

7. На основе исследуемого гидромеханического привода с использованием силовых шаговых гидродвигателей с механической редукцией шага предложены структурные схемы внутренних связей различных металлорежущих станков, на которые получены авторские свидетельства на изобретения и патенты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Трифонов О.Н., Ванин В.А. Определение быстродействия золотникового распределителя для управления гидравлическим шаговым двигателем. // Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.:1974. - вып.1 - с. 171-177.

2. Трифонов О.Н., Ванин В.А. Расчет времени срабатывания гидравлического шагового двигателя.// Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1974. - вып.1 - с. 178-184.

3. Трифонов О.Н., Ванин В.А. Применение гидравлических шаговых моторов в цепи , обката зубодолбежного станка. // Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1977. -вып.2 - с. 98-104.

4. Трифонов О.Н., Ванин В.А. Анализ переходного процесса гидравлического шагового привода. // Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1979. - вьш.4 - с. 25-31.

5. Трифонов О.Н., Ванин В.А. "Гидравлический вал" в приводе металлорежущих станков. // Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1974. - вып.1 - с. 178-184.

6. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Исследование динамики гидравлического шагового привода цепи обката зубодолбежного станка // Повышение технико-эксплуатационных показателей машиностроительной продукции конструкторскими и технологическими методами: Тез. докл. научн.-техн. конф. 10-11 декабрь 1980г. - Хабаровск., 1980. - с.20-21.

7. Трифонов О.Н., Ванин В.А. Использование гидравлических связей в цепях обката зубообрабатывающих станков. // Актуальные проблемы проектирования и эффективной эксплуатации станков и их комплексов в машиностроении: Тез. докл. Уральской научн.-техн.конф. 16-18 сентябрь 1980г. - Уфа.,1980.-с.45-47.

8. Ванин ВА., Трифонов О.Н., Генкин Б.И. Анализ динамических характеристик гидравлического шагового привода. // Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн.трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1980.

- вып.5 - с. 71-75.

9. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Вынужденные колебания элементов гидравлического шагового привода. // Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем: Тез. докл. Всесоюзн. совещания 15-18 июнь 1981г.-Тамбов,1981,- с.75.

10. Трифонов О.Н. Ванин В.А. Андрианов Д.П. Определение частотных характеристик гидравлического шагового привода // Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем:Тез. докл. Всесоюзн. совещания 15-18 июнь 1981г.-Тамбов,1981,- с.90-91.

11. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Расчет эффективности виброизоляции насосной установки гидропривода станка.//Гидравличсские системы металлорежущих станков: Межвузовский сб.научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова

- М.: 1981. - вып.6 - с.63-67.

12. Ванин В.А. Лучкин В.К. Математическая модель гидравлического шагового привода.// Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н.Трифонова- М.: 1984. - вын.7 - с. 33-42.

13. Лучкин В.К. Ванин В.А. Алгоритмы расчета переходного процесса гидропривода микроподачи .//Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1984. - вып.7 - с. 72-84.

14. Ванин В.А., Лучкин В.К. Привод микроподачи в гибких автоматизированных производственных системах. //Состояние, опьгг и направление работ по комплексной автоматизации на основе гибких автоматизированных производств, робо-тотехнических комплексов и промышленных роботов: Тез. докл. зон. семинара. -Пенза 11-12 апрель1985г,- Пенза, 1985.-C.68-69.

15. Лучкин В.К., Ванин В.А. Точность электрогидравлического дискретного привода микроподачи. / Тамб. ин-т хим. машиностроение- Тамбов, 1985-8с. Деп. в ВНИИТЭМР 12(170), с. 136.

16. Лучкин В.К., Ванин В.А. Анализ режимов регулирования скорости в электрогидравлическом дискретном приводе микроподачи./Тамб. ин-т хим. машиностроение- Тамбов, 1985-9с. Деп. в ВНИИТЭМР12(170), с. 135.

17. Ванин В.А. Лучкин В.К. Анализ точности гидравлического шагового привода в зуборезных станках. / Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1985-10с. Деп. в ВНИИТЭМР 12(170), с. 135.

18. Ванин В.А. Математическое моделирование шагового гидропривода зуборезного станка. //Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики: Тез.докл.зон.конф.-Пенза, 17-18 март 1986.-е. 1У-18.

19. Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К. Использование гидравлического шагового привода в цепи обката зуборезного станка.//Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики: Тез. докл. зон. конф.-Пенза, 1986.-C.19-20.

20. Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К. Исследование гидромеханического транспортного модуля //Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики: Тез. докл. зон. конф. - Пенза, 1986,- с.23-24.

21. Ванин В.А. Математическое моделирование шагового гидропривода в автоматических манипуляторах. //Гибкие автоматические производства и работизация технологических процессов. Тез. докл. науч.-техн. -конф. -Тамбов, 18-19 сентябрь

1986.-C.31-33.

22. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Исследование динамики гидромеханического транпортного модуля с ГШД. / Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1987-5с. Деп. в ВНИИТЭМР.

23. Кулешов Ю.В., Ванин В.А. Динамика манипуллционного модуля дискретного привода микроподачи. / Тамб. ин-т хим. машиностроение- Тамбов, 1987-7с.-Деп. в ВНИИТЭМР 11(193), с. 128.

24. Трифонов О.Н., Ванин В.А. Анализ баланса точности гидравлической цепи обката зуборезного станка./ Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1987-10с. Деп. в ВНИИТЭМР 8(190), с. 140.

25. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Динамика манипуляционной системы дискретного привода микроподачи. / Тамб. ин-т хим. машиностроение- Тамбов, 1987-9с. Деп. в ВНИИТЭМР 8(190), с. 140.

26. Лучкин В.К., Ванин В.А. Определение параметров элекгрогидравлического дискретного привода микроподач.// Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов /Под. ред. О.Н.Трифонова - М.: 1987. - вып.8 -с. 25-34.

27. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Исследование динамики и программирование упругого манипулятора. // Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб. научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.:

1987. - вып.9 - с. 29-35.

28. Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К. Струйная система управления шаговым гидродвигателем зуборезного станка. //Пневматические средства контроля и управления технологическими процессами.: Тез. докл. зон. конф. - Пенза, 1990.-с.46-48.

29. Ванин В.А., Хватов Б.Н. Разработка ротационного пневмодвигателя к шлифовальной машине. //Пневматические средства контроля и управления технологическими процессами.: Тез. докл. зон. конф. Пенза, 1990.-C.69-70.

30. Ванин В.А. Кулешов Ю.В- Математическая модель манипулятора с замкнутой математической цепью./ Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1990-8с. Деп. в ВНИИТЭМР 19, с. 95.

31. Ванин ВА., Хватов Б.Н. Малогабаритный ротационный гидропривод к переносному шлифовальному устройству.//Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики: Тез. докл. зон. конф. -Пенза, 1991.-C.21-22.

32. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Шаговый гидропривод манипулятора с замкнутой кинематической цепью .//Проектирование и эксплуатация промышленных гид-

роприводов и систем гидропневмоавтоматики: Тез. докл. зон. конф. - Пенза, 1991.-с.25-26.

33. Кулешов Ю.В., Ванин В.А. Программирование роторного манипулятора./ Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1991-6с. Деп. в ВНИИТЭМР 9, с. 75.

34.Ванин В.А., Хватов Б.Н. Лентошлифовальные машины с малогабаритным ротационным пневмо-гидродвигателем для ручной зачистки поверхностей. //Прогрессивные технологические процессы в механосборочном производстве: Тез. докл. науч.-техн. конф. - С-Петербург, 1992.-C.33-34.

35. Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К. Следящий привод микроподачи для прецизионных станков. //Динамика станочных систем гибких автоматизированных прозводств.: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. - Тольятти, 1988.-c.275-276.

36. Ванин В.А., Кулешов В.Ю., Медведев A.B. Динамика и программирование манилуляционных систем колебательного типа. // Автоматизация и роботизация в химической промышленности.: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. - Тамбов, 1988.-C.107-109.

37. Кулешов Ю.В., Ванин В.А. Исследование динамики упругого манипулятора./ Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1988-12с. Деп. в ВНИИТЭМР 19(205), с. 140.

38. Ванин В А., Кулешов Ю.В., Медведев A.B. Динамика манипулятора с гибкими элементами. //Уеные вуза - производству: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Тамбов, 1989.-С.18-19.

39. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Расчет динамических характеристик гидравлического шагового привода цепи обката зубодолбежного станка.//Ученые вуза - производству: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Тамбов, 1989.-C.89-90.

40. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Анализ динамики манипулятора с гибкими элементами. //Ученые вуза - производству: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Тамбов, 1989--с.89.

41. Кулешов Ю.В., Ванин В.А. Динамика роторного манипулятора./ Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1989 - Юс. Деп. в ВНИИТЭМР № 11, с. 125.

42. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Математическая модель манипулятора с гибкими элементами. / Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1989-8с. Деп. в ВНИИТЭМР 11, с. 125.

43. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Динамика автоматизированной манипуляционной системы промышленного робота. //Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвузовский сб.научн. трудов / Под. ред. О.Н. Трифонова - М.: 1989. - выл.9 - с.43-49.

44. Ванин В.А., Лучкин В.К. Система управления приводом подач./ Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1993 - 4с. Деп. в ВНИИТЭМР 9.

45. Ванин В.А., Кулешов Ю.В. Динамика роторного манипулятора с шаговым гидроприводом. / Тамб. ин-т хим. машиностроение - Тамбов, 1993-5с. Деп. в ВНИИТЭМР 9.

46. Ванин В.А., Мамонов Д.Н. Струйная система управления гидроприводом зуборезного станка. Тез. докл. 1-й научн. конф. ТГТУ-Тамбов,1994.

47Ванин В.А., Вьггузов В.Н. Струйная система управления шаговым гидродвигателем. Тез. докл. 1-й научн. конф. ТГТУ -Тамбов,1994.

48. Ванин В.А, Кулешов Ю.В., Бородаев А.Г. Использование гидравлического шагового привода в цепи обката зубошлифовального станка. // Вестник ТГТУ - 1995 т.1 - 1-2 - с.115-117.

49. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Угланова О.В. Шаговый гидропривод с пневматической (струйной) системой управления.// Вестник ТГТУ -1995 т.1 - 3-4 - с.373-377.

50. Ванин В.А., Лучкин В.К. Варианты дозаторов малых расходов рабочей жидкости для приводов микроподач./Тамб. гос. техн. ун-т.- - Тамбов, 1994-4с. Деп. в ВНИИТЭМР 1268-В94.

51. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Лучкин В.К. Гидравлическая цепь затылова-ния токарно-затыловочного станка./Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 1994-6с. Деп. в ВНИИТЭМР I267-B94.

52. Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К. Шаговый гидропривод в резьбо-обрабатывающих (затыловочных) станках./Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 1993-5с. Деп. в ВНИИТЭМР 1584-В96.

53. Трифонов В.А., Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К., Угланова О.В., Потапочкина М.И. О точности гидравлического шагового привода в цепи обката зуборезного станка. //Вестник ТГТУ - 1996 т.2 - 1-2 - с. 118-129.

54. Ванин В.А., Кулешов Ю.В., Лучкин В.К. Динамика роторно-конвсйерной линии с манипулятором. /Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 1996 - 9с. Деп. ВИНИТИ 2228-В96.

55. Кулешов Ю.В., Ванин В.А., Потапочкина М.И. Взаимодействие роторно-конвейерной линии и манипулятора./Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 1996 - 7с. Деп. ВИНИТИ 2167-В96.

56. Ванин В.А Кулешов Ю.В. Динамика роторно-конвейерной машины с манипулятором. // 3-ья науч. конф.: Крат. тез. докл. /Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 1996 , с.180.

57. Ванин В.А., Лучкин В.К., Кулешов Ю.В. Моделирование динамических характеристик гидравлического шагового привода цепи обката зубодолбежного станка.// 3-ья науч. конф.: Крат. тез. докл./ Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 1996, с. 179180.

58. Ванин В.А., Лучкин В.К. Разработка и исследование приводов станков.// 3-я науч. конф.: Крат. тез. докл. / Тамб. гос. техн. ун-т. -Тамбов, 1996 , с.178-179.

59. Трифонов О.Н., Ванин В.А., Коптев A.A., Потапочкина М.И. Нарезание зубьев некруглых зубчатых колес на зубодолбежном станке с применением гидравлического шагового привода.// Вестник ТГТУ -1996 т.2 3 - с.321-325.

60. Ванин В.А. Применение гидравлических связей во внутренних цепях резь-бообрабатыващих станков.//Вестник ТГТУ - 1997, т.З № 4. - с. 474-481.

61. Ванин В.А. Кинематические связи во внутренних цепях затыловочных станков на основе гидравлического шагового привода.//Вестник ТГТУ - 1998, т.4 № 1. - с. 110-115.

62. А.С.1562071 СССР B23F5/12. Гидравлическая цепь обката зубодолбежного станка. / В.А. Ванин - 4457677/31-08; заявл.11.07.88, опубл. 07.05.91, Бюл. 17.

63. А.С.1757795 СССР В23 5/12. Гидравлическая цепь обката зубодолбежного станка. / В.А. Ванин, Е.И. Овчинников, - 4887539/08; заявл.04.12.90, опубл. 30.08.92, Бюл. 32.

64. А.С.1760187 СССР F15B23/12, 13/02.Устройство для управления шаговым гидродвигателем. / В.А. Ванин, Е.И. Овчинников. 4901152/29; заявл.09.01.91,опубл. 07.09.92, Бюл. 33.

65. A.C.I827327 СССР В23В5/42. Цепь затылования токарно-затыловочного станка. / В.А. Ванин, A.B. Витютин, A.B. Ключников. - 4919708/08; заявл. 31.01.91, опубл. 15.07.93, Бюл. 26.

66. Патент Р.Ф. № 2074806 МКИ 6B23Q5/26. Гидравлическая цепь подач токарно-затыловочного станка. /Трифонов О.Н., Ванин В.А. //Открытия. Изобретения. 1996, N1, с.102.

67. Патент Р.Ф. № 2074807 МКИ 6B23Q5/26. Гидравлическая цепь подач токарно-затыловочного станка для обработки конических поверхностей. / Ванин В.А., Бородаев А.Г., Дикарев И.А., Полуэктов К.В.//Огкрытия. Изобретения. 1997, N7, с. 162.

68. Патент Р.Ф. № 2087276 МКИ 6B23F5/06, 5/08.Цепь обката зубошлифо-вального станка. / Ванин В.А., Трифонов О.Н. // Открытия. Изобретения. 1997, N23, с.204.

69. Патент Р.Ф. № 2090318 МКИ 6B23G1/32. Гидравлическая цепь продольной подачи резьбофрезерного станка. / Ванин В .А., Канищев С.А., Макаров А.Ф. //Открытия. Изобретения. 1997, N26, с.324.

70. A.C. МКИ 6B23F5/20.1/06 по заявке N9519241/02 (016210) Шлицефрезер-ный станок с гидравлическими связями в цепях деления и продольной подачи. / Ванин В.А. //Открытия. Изобретения. 1997,N10, с.44.

71. A.C. МКИ 6B23F5/24 по заявке № 951121273/02 (037539), Зубофрезерный станок с гидравлическими связями для нарезания конических колес. / Ванин В.А. //Опубл.04.10.96.

72. A.C. МКИ 6B23F5/16 по заявке № 94042025/02 от 22.11.94. Гидравлическая цепь обката (деления) долбежного станка. / Ванин В.А., Трифонов О.Н., Петров В.И., Сурненков C.B. //Открытия. Изобретения. 1996,N34, с.99.

73. A.C. МКИ 6В23В5/42.5/22 по заявке № 93040078/08 от 06.08.93.Цепь продольной подачи токарно-затыловочного станка. / Ванин В.А., Трифонов О.Н., Боро-даев А.Г., Сазонов С.А. //Открытия. Изобретения. 1996, N10.

74. A.C. МКИ 6B23F5/16 по заявке № 95111229/02 (016210) Станок с гидравлическими связями для нарезания цилиндрических зубчат!« колес методом зубото-чения. /Ванин В.А. //Открытия. Изобретения. 1997,N14, с.9.

75. A.C. МКИ 6B23G3/00 по заявке N95111228/02 Резьбонарезной станок с гидравлическими связями для нарезания глобоидных червяков. / Ванин В.А., Коптев A.A., Трифонов О.Н. //Открытия. Изобретения. 1997,N14, с.9.

76. A.C. МКИ 6B23F13/02 по заявке № 9510425/02 Станок с гидравлическими связями для точения долбяком цилиндрических червяков./ Ванин В.А. //Открытия. Изобретения. 1997, N10, с.45.

A.C. МКИ 6B23F5/16 по заявке № 95105041/02/02 Гидравлическая цепь деления зубодолбежного станка для нарезания реек./ Ванин В.А., Трифонов О.Н., Коптев A.A. //Открытия. Изобретения. 1996,N15, с.88.

ЛР № 02085 от 13.01.94 г. Плр N9 020079 от 28.04.97 г.

Подписано к печати 16.09.98 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 2,3 усл. печ. л.; 0,2 тыс. усл. л.-отт.; 2,6 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С.

Издательско-полиграфический центр ТГГУ 392032, Тамбов, Мичуринская, 112

Введение

Состояние вопроса и задачи исследования

Кинематическая связь с механическими звеньями во внутренних цепях станка

Кинематические связи с немеханическими связями во внутренних цепях металлорежущих станков

Кинематические связи с электрической синхронизацией движения Кинематические связи, создаваемые гидравлическими и электрическими двигателями

Кинематические связи во внутренних цепях станков на основе гидравлического шагового привода Дискретные гидроприводы дозаторного типа Дискретные гидроприводы с многопоршневыми двигателями Дискретные шаговые гидроприводы с гидравлической редукцией шага

Дискретные шаговые гидроприводы с механической редукцией шага

Принципы построения и разработка гидромеханических связей на основе шагового гидропривода

Предпосылки создания гидравлических связей во внутренних цепях станков. Структура гидравлической связи на основе шагового гидропривода

Гидравлическая связь с двумя шаговыми гидродвигателями, управляемыми от единого генератора гидравлических импульсов Гидравлическая связь с раздельным управлением исполнительных шаговых гидродвигателей через гитару сменных колес Гидравлическая связь с управлением от блоков торцовых гидрораспределителей

Гидравлическая связь с шаговым гидродвигателем, управляемым струйной (пневматической) системой управления

Выводы

Теоретические исследования гидравлического шагового привода Определение быстродействия золотникового распределителя с торцовым распределением рабочей жидкости

Определение быстродействия шагового гидравлического двигателя с механической редукцией шага

Быстродействие шагового гидравлического привода с учетом волновых процессов в магистралях

Динамика цепи обката с гидравлическим шаговым двигателем Выводы

Исследование динамических характеристик гидравлического шагового привода

Построение фазового портрета гидравлического шагового привода Фазовая плоскость динамических систем, описываемых уравнением с неоднородной правой частью

Аналитическое определение фазовых траекторий динамической системы с ГШД

Расчет переходного процесса гидравлического шагового привода

Выводы

Исследование точности гидравлических связей на основе шагового гидропривода во внутренних цепях металлорежущих станков Общие вопросы методики расчета и анализа вариантов кинематических цепей

Основные погрешности типового звена кинематической цепи Определение составляющих погрешностей звеньев в кинематических цепях

Определение действующих, приведенных и выходных погрешностей в кинематических цепях станков

Сравнительный анализ вариантов построения кинематической цепи по критериям точности Выводы

Экспериментальное исследование гидравлических связей на основе шагового гидропривода

Гидравлическая связь с двумя ГШД с управлением от механического распределителя

Гидравлическая связь с раздельным управлением гидравлическими шаговыми двигателями

Экспериментальное исследование гидравлической связи с блоком торцовых распределителей

Экспериментальное проверка применения гидравлических связей во внутренних цепях станков Измерительная аппаратура Выводы

Построение внутренних цепей металлорежущих станков по модульному принципу на основе гидромеханического привода Основы выбора рациональной структуры и компоновок кинематических цепей станков на основе шагового гидропривода Применение гидравлических связей во внутренних цепях резьбо-обрабатывающих станков

Кинематическая структура зубодолбежных станков с гидравлическими связями во внутренних цепях

Гидравлические связи во внутренних цепях зубофрезерных и зу-бошлифовальных станков

Кинематические связи во внутренних цепях затыловочных станков на основе гидравлического шагового привода

В настоящее время перед машиностроением стоят задачи, принципиально отличающиеся от тех, которые решались на предыдущих этапах развития, когда техника даже одного и того же функционального назначения с однотипными аналогичными параметрами создавалась как индивидуализированная конструкция. Задачи ускорения научно-технического прогресса предопределили необходимость появления новых методов построения техники, позволяющие уменьшить сроки проектирования, разработки, освоения, упростить и удешевить эксплуатацию.

Это обусловлено следующими причинами:

• резко изменилась структура производства;

• сократились сроки морального износа техники;

• значительно повысились требования к мобильности производства, его экономичности и производительности.

Перед станкостроением стоит задача выпускать станки, соответствующие конкретным производственным условиям заводов-потребителей, что обуславливает резкое увеличение номенклатуры станков, различающихся по своим размерным, функциональным и техническим характеристикам.

В этих условиях разработка, производство и эксплуатация технических систем, в основу которых положен принцип агрегатно-модульного построения техники, становится одним из основных направлений развития машиностроения.

Актуальность темы. Для получения в станке определенного исполнительного движения необходимо создать кинематическую связь между исполнительными звеньями станка - заготовкой и инструментом - и кинематическую связь этих звеньев с источником движения, для осуществления которой в основном традиционно используются механические кинематические цепи, как в цепях главного привода и подач, так и во внутренних цепях станков, которые строятся индивидуально для каждого типа станка, не зависимо от типа, технологического назначения, количества формообразующих движений, точности кинематической цепи.

Кинематические цепи с механическими звеньями обладают тем достоинством, что дают возможность получить весьма точное передаточное отношение выходных звеньев и не требует дополнительных поднастроек в процессе работы. 6

Внутренние цепи с механическими звеньями при большой их протяженности становятся громоздкими и по этому не всегда обеспечивают необходимую кинематическую точность работы цепи. Работая в тяжелых динамических условиях и передавая конечным звеньям большие усилия, элементы кинематических цепей быстро изнашиваются и первоначальная точность станка теряется.

Особенно большое значение приобретает влияние крутильной жесткости в винторезных цепях, цепях деления, цепях обката значительной протяженности, при этом цепи становятся громоздкими и не всегда обеспечивают необходимую кинематическую точность, так как повышенное трение, изнашивание приводят к постоянному снижению точности кинематических цепей.

При сложном пространственном расположении рабочих органов, при большом числе промежуточных подвижных элементов и при большом расстоянии между подвижными рабочими органами жесткие кинематические цепи, составленные из механических звеньев, становятся сложными, что приводит к усложнению конструкции станка, а также к снижению точности функционально связанных перемещений.

В связи с тем, что резко изменилась структура производства, повысились требования к мобильности производства, его производительности и экономичности, сократились сроки морального износа техники, задачи совершенствования металлорежущих станков при одновременном сокращении времени на проектирование, изготовление и отладку предопределили необходимость применения новых методов построения как станка в целом, так и его кинематики. Одним из основных направлений развития станкостроения становится модульный принцип построения техники, который предполагает разделение станка на конструктивно независимые модули (в отличие от разделения на отдельные узлы), на основе которых идет компоновка станка для решения данной технологической задачи. При этом целесообразно обеспечить модульное построение внутренних кинематических цепей, благодаря чему различные по возможностям и характеристикам внутренние кинематические цепи станков различных типов выполняются на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно завершенных модулей (блоков) с использованием ограниченного числа узлов и деталей индивидуального проектирования и изготовления.

Перспективным направлением в этой области является использование гидравлических связей на основе дискретного шагового гидравлического привода, 7 где в качестве силового исполнительного органа применяются шаговые гидродвигатели с механической редукцией шага, выходное звено которого отрабатывает дискретные управляющие сигналы с высокой точностью, а скорость вращения и суммарный угол поворота выходного вала ГШД пропорциональны соответственно частоте и количеству поданных управляющих импульсов.

Используя свойство частотного регулирования скорости исполнительных органов гидравлического шагового привода представляется возможным гидравлические связи на базе шагового гидравлического привода применить в кинематических внутренних цепях металлорежущих станков. Наиболее наглядно это проявляется в станках, имеющих сложные разветвленные многозвенные переналаживаемые кинематические цепи значительной протяженности, где необходимо обеспечить жесткую связь для создания взаимосвязанных формообразующих движений заготовки и инструмента, а также в тяжелых и особо точных станках, где наличие тяжелонагруженных длинных силовых кинематических цепей, подверженных значительным механическим и температурным деформациям и износу, требует применение громоздких, имеющих низкий к.п.д. механических устройств. К таким цепям относятся резьбонарезные, цепи деления, затылования, круговых подач резьбообрабатывающих станков с различными схемами формообразования. Автономные функционально и конструктивно завершенные модули шагового гидропривода имеют типовые стыковочные устройства или поверхности, обладают взаимозаменяемостью и могут выполнять заданные функции либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями в зависимости от сложности и назначения кинематической цепи, количества формообразующих движений, точности кинематической цепи.

Практическая целесообразность применения модульного принципа построения внутренних цепей металлорежущих станков на основе шагового гидропривода заключается в следующем:

- сокращается количество промежуточных звеньев, составляющих внутреннюю кинематическую цепь, что существенно упрощает схему станка;

- улучшается технологичность конструкции внутренней цепи, а следовательно, и всего станка за счет создания более рациональной компоновки при сложном пространственном расположении рабочих органов станка;

- уменьшается металлоемкость и масса станка; 8

- уменьшается накопленная погрешность изделия, так как погрешность гидравлической связи не зависит от расстояния между управляющим устройством и исполнительным шаговым гидродвигателем, а будет определяться точностью конечных звеньев цепи, точностью шагового гидродвигателя, инструмента и заготовки;

- общая протяженность кинематической цепи между согласуемыми органами, обуславливающая накопление ошибки за счет увеличения угла закручивания по ее длине, в случае применения гидравлической связи предельно сокращается за счет исключения до минимума составляющих механических звеньев (шестерен, валов, муфт), что одновременно дает повышение жесткости и точности, а также позволяет создать более рациональную компоновку благодаря применению принципа агрегатирования узлов, при этом предельно сблизить и удобно расположить узел заготовки и узел инструмента.

Однако, несмотря на очевидные преимущества новых технических решений, до настоящего времени комплексный подход к разработке единой концепции теории, расчета, проектирования гидравлических связей на основе гидравлического шагового привода во внутренних цепях металлорежущих станков, построенных по агрегатно-модульному принципу, как составляющей общей структуры станка, не был проработан.

Этим определяется актуальность выбранной темы исследования.

Целью работы является изучение возможности применения гидромеханических связей с шаговыми гидродвигателями с механической редукцией шага во внутренних кинематических цепях металлорежущих станков.

Методы исследования

Объектом настоящего исследования являются системы гидравлических связей, построенных по модульному принципу на основе дискретного гидропривода с шаговыми гидродвигателями, используемые для построения внутренних формообразующих цепей металлорежущих станков, а также происходящие в них динамические процессы.

Основные аналитические задачи работы решались с применением математического аппарата дифференциальных уравнений, методов качественного ана9 лиза динамических систем с помощью многолистной фазовой плоскости, теории точности кинематических цепей.

С целью проверки полученных расчетных соотношений, а также учета факторов, не нашедших отражения в теоретических разработках, проведены экспериментальные исследования на специально созданных установках и макетах.

Научная новизна работы заключается в научно обоснованных технических решениях применения гидромеханических связей на основе шагового гидравлического привода с силовыми шаговыми гидродвигателями с механической редукцией шага во внутренних цепях металлорежущих станков, что может способствовать применению агрегатно-модульного принципа разработки станков со сложными внутренними кинематическими цепями.

Создана методология построения внутренних кинематических цепей станков по модульному принципу на основе гидравлического шагового привода, когда различные по характеристикам и возможностям внутренние кинематические цепи станков различных типов можно построить на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с использованием крайне ограниченного числа узлов и деталей индивидуального проектирования и изготовления.

Получены новые теоретические результаты при построении внутренних кинематических цепей по модульному принципу на основе гидравлических связей с шаговым гидродвигателем в качестве силового исполнительного органа.

На основании решения уравнений, описывающих процессы в динамической системе разработаны математические модели, являющиеся основой для практической реализации, выявлены точностные характеристики гидравлической кинематической связи с исполнительными шаговыми двигателями, определено удельное влияние каждого фактора (или группы факторов) на точность станка.

Предложен комплекс новых, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения и патентами, внутренних кинематических цепей различного функционального назначения, выполняющие разнообразные технологические и компоновочные требования технических заданий (цепи деления, обката, подач различного вида, затылования, винторезные и т.д.), на основе гидравлических связей, построенных по модульному принципу.

10

На защиту выносятся:

- научно-теоретические основы построения по модульному принципу внутренних кинематических цепей станков на основе гидромеханических связей, в виде гидравлического шагового привода с исполнительным силовым шаговым гидродвигателем;

- принципиально новые схемы гидромеханических кинематических связей металлорежущих станков различных типов, построенных по модульному принципу, когда различные по возможностям и характеристикам внутренние кинематические цепи построены на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно законченных блоков (модулей), обеспечивающие: а) конструктивную однородность кинематических связей между конечными элементами цепей для различных типоразмеров станков; б) возможность создания гибкой системы проектирования кинематики станков, обеспечивающей при ограниченном комплекте унифицированных блоков (модулей) построение кинематических цепей различного функционального назначения, выполняющие разнообразные технологические и компоновочные требования; в) создание гидравлической агрегатной унифицированной системы, при применении которой возможно исключить конструктивное и размерное многообразие кинематических цепей, предназначенных для выполнения однотипных функций и осуществить проектирование станков различных модификаций на основе типизации решений на единой базе унифицированных узлов (модулей).

- техническую новизну применения гидравлических связей, выполненных по модульному принципу, во внутренних цепях станков для осуществления точных формообразующих движений с заданными расчетными перемещениями между заготовкой и инструментом.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы из 175 наименования и приложения. Материал диссертации изложен на 3^0 страницах и содержит 118рисунков и 31 таблиц. Объем приложения составляет страниц.