Привод подачи металлорежущего станка

Предлагается привод металлорежущего станка, содержащий двигатель постоянного тока, преобразователь переменного напряжения в постоянное и систему импульсно-фазового управления преобразователем. Для повышения стабильности работы привода по скорости он снабжается датчиком скорости и устройством диагностики состояния режущего инструмента по силам резания, состоящим из динамометра и блока индикации. Выходные сигналы датчика скорости и динамометра через компаратор и сумматор используются для коррекции сигнала, подаваемого на систему импульсно-фазового управления и задающего скорость работы двигателя.

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к приводам формообразующих движений металлорежущих станков.

Приводы, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, привод, описанный в книге «В.Л.Косовский и др. Программное управление станками и промышленными роботами. - М.: Высшая школа, 1986, стр.168-169». Он состоит из двигателя постоянного тока, преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого связан с двигателем, и системы импульсно-фазового управления, выход которой соединен с управляющим входом преобразователя, а вход - с задатчиком напряжения. При использовании такого привода с помощью задатчика на систему импульсно-фазового управления подается низковольтный управляющий сигнал. В ответ на него система формирует импульсы, сдвинутые во времени по фазе на ту или иную величину. Импульсы поступают на преобразователь переменного напряжения в постоянное (он питается от источника общеизвестной конструкции) и, в зависимости от их фазы, заставляют преобразователь подавать на двигатель то или иное выпрямленное напряжение. Задавая с помощью задатчика определенный управляющий сигнал, можно получать определенную скорость вращения двигателя.

Описанный привод достаточно прост, однако он имеет серьезный недостаток. При существенных колебаниях нагрузки на него (момента сопротивления) скорость вращения выходного вала его двигателя также существенно изменяется. При больших нагрузках двигатель даже может остановиться. В результате, область применения привода весьма ограничена. Этого недостатка в значительной мере лишен привод, описанный, например, в работе «В.Л.Сосонкин и др. Программное управление станками. - М.: Машиностроение, 1981, стр.119, рис.2.11», принятый нами за прототип. Он в меньшей степени реагирует на колебания момента сопротивления, а потому область его применения оказывается шире, чем у привода-аналога.

Привод-прототип содержит двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, систему - импульсно фазового управления, выход которой подключен к управляющему входу преобразователя, компаратор, выход которого соединен со входом системы импульсно-фазового управления, задатчик скорости, выход которого соединен со вторым входом компаратора, и датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, а выход соединен с первым входом компаратора.

При эксплуатации привода-прототипа с помощью задатчика скорости на привод подают управляющий сигнал. Этот сигнал, прохода через компаратор, задает системе импульсно-фазового управления определенный сдвиг выходных импульсов по фазе во времени. Импульсы поступают на управляющий вход преобразователя переменного напряжения в постоянное и, в зависимости от их фазы, заставляют преобразователь подавать на двигатель определенное постоянное напряжение. Двигатель вращается с определенной скоростью, а датчик скорости, кинематически связанный с ним, выдает сигнал, характеризующий скорость. Этот сигнал, поступая на первый (вычитающий) вход компаратора, вычитается из сигнала, поступающего от задатчика скорости, в результате чего на систему импульсно-фазового управления поступает разность указанных сигналов. Она и обеспечивает нужную скорость вращения двигателя при некоторой данной нагрузке. Если нагрузка на двигатель (момент сопротивления) возрастает, то двигатель начинает терять скорость. Датчик скорости будет выдавать сигнал, меньший, чем. раньше. Разность между сигналом, поступающим от задатчика и датчика скорости возрастает. При этом сигнал на выходе компаратора увеличивается, и, в конечном итоге, увеличивается скорость двигателя. В случае, когда нагрузка на двигатель падает, скорость его вращения возрастает. Датчик скорости выдает сигнал больший, чем раньше. На выходе компаратора разность сигналов оказывается меньше, чем раньше, и двигатель обороты сбавляет. Таким образом, скорость вращения двигателя при колебаниях момента сопротивления остается примерно постоянной, соответствующей определенному сигналу от задатчика.

Привод-прототип работает более надежно (остановка его при перегрузках менее вероятна), скорость двигателя, которую он обеспечивает, более стабильна, и в целом он более эффективен, чем аналоги. Однако он, все же, не свободен от недостатков. Главный из них состоит в том, что снижение (или превышение) скорости двигателя в нем обнаруживается тогда, когда оно уже произошло. Привод его быстро компенсирует, и скорость восстанавливается, однако некоторые ее колебания остаются. Причем в ту и другую сторону - в «плюс» и в «минус» от номинала. Обусловлены они инерционностью двигателя, и чем она больше, тем больше амплитуда колебаний.

Задачей создания предлагаемой полезной модели является дальнейшее повышение стабильности работы привода. Достигается решение этой задачи тем, что привод подачи металлорежущего станка, содержащий двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, систему импульсно-фазового управления, выход которой подключен к управляющему входу преобразователя, задатчик скорости, компаратор, выход которого соединен со входом системы импульсно-фазового управления, и датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, а выход соединен с первым входом компаратора, отличается тем, что он снабжен двухвходовым сумматором, первый вход которого подключен к задатчику скорости, устройством диагностики состояния режущего инструмента по силам резания, состоящим из динамометра, вход которого кинематически связан с двигателем, и блока индикации, соединенного с выходом динамометра при этом второй вход сумматора подключен к выходу динамометра, а выход - ко второму входу компаратора.

Схема предлагаемого привода приведена на рисунке. Она включает в себя двигатель постоянного тока 1, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное 2 (это может быть стандартный тиристорный преобразователь, питающийся от трехфазной силовой сети), систему импульсно-фазового управления 3, выход которой подключен к управляющему входу преобразователя 2, задатчик скорости 4, компаратор 5, выход которого соединен со входом системы импульсно-фазового управления 3, и датчик скорости 6, вход которого через механическую передачу 7 (а может и напрямую) кинематически связан с двигателем 1, а выход соединен с первым входом компаратора 5. Кроме того, привод содержит сумматор 8, устройство диагностики состояния режущего инструмента по силам резания, состоящее из динамометра 9, вход которого кинематически, через механическую передачу 10, связан с двигателем 1, и блока индикации 11, соединенного с выходом динамометра. Первый вход сумматора 8 подключен к задатчику скорости 4, второй вход - к выходу динамометра 9, а выход - ко второму входу компаратора 5. При этом система импульсно-фазового управления 3 выполнена по известной схеме, описанной, например, в книге «В.Л.Сосонкин и др. Программное управление станками. - М.: Машиностроение, 1981, стр.128, рис.2.17», а устройство диагностики состояния режущего инструмента по силам резания выполнено в соответствии с описанием, приведенным в книге «М.С.Городецкий и Д.Л.Веденский. Контроль и диагностика в ГПС. - М.: Высшая школа, 1989, стр.83-84» или в книгах «В.А.Лещенко и др. Гибкие производственные комплексы. - М.: Машиностроение, 1984, стр.69-70, рис.2.7» и «Г.И.Трановский и В.Г.Грановский. Резание металлов. - М.: Высшая школа, 1985, стр.100-102, рис.7.6 и 7.7».

При использовании привода с помощью задатчика 4 в привод вводят сигнал, обеспечивающий требуемую скорость вращения двигателя 1 при данной нагрузке. При этом датчик скорости 6 выдает сигнал, характеризующий скорость двигателя, а динамометр 9 - сигнал, характеризующий момент сопротивления на его валу, являющийся функцией силы резания при обработке на станке данной детали. Сигнал от динамометра 9 поступает на блок индикации 11 и предоставляет оператору информацию о состоянии режущего инструмента. Одновременно с этим он поступает на сумматор 8 и складывается с сигналом от задатчика 4. Сигнал с выхода сумматора 8 поступает на второй вход компаратора 5. На первый вход компаратора 5 поступает сигнал от датчика 6 и вычитается из поступившего на второй вход. В результате на выходе компаратора 6 будет сигнал, который, задавая режим работы системы 3 и преобразователя 2, обеспечивает требуемую скорость двигателя 1. Если скорость двигателя 1 из-за возрастания силы резания (а значит, и момента сопротивления) снизится, то датчик 6 уменьшит сигнал на выходе и сигнал на выходе компаратора 5 возрастет, что приведет к обратному увеличению скорости. Если скорость двигателя 1 из-за уменьшения силы резания (момента сопротивления) возрастет, то датчик 6 свой сигнал на выходе увеличит, на выходе компаратора 5 сигнал уменьшится, и скорость двигателя 1 соответственно уменьшится. Одновременно с этим, если момент сопротивления на двигателе возрастет и двигатель 1 начнет снижать обороты, динамометр 9 добавит свой сигнал через сумматор 8 к сигналу задатчика 4, на выходе сумматора сигнал увеличится, на выходе компаратора 5 тоже, что будет способствовать обратному возрастанию оборотов двигателя. Если же момент сопротивления на двигателе упадет, то динамометр 9 убавит сигнал на выходе сумматора 8, и увеличивающуюся скорость двигателя 1 сигнал на выходе компаратора 5 уменьшит. Таким образом, совместное действие датчика скорости и устройства диагностики состояния инструмента будет обеспечивать уменьшение скорости двигателя 1, если она возросла, или ее увеличение, если она уменьшилась. Указанное совместное действие приведет к снижению колебаний скорости при колебаниях нагрузки.

Докажем последнее утверждение следующим образом. Охарактеризуем работу привода моделью =A·U-В·М, где - угловая скорость вращения двигателя, U - уровень сигнала на выходе компаратора 5, М - момент сопротивления, обусловленный действием на двигатель сил резания, А и В - коэффициенты пропорциональности, обусловленные конструкцией двигателя. У привода - прототипа U=U ₄-U₆, где U₄ - уровень сигнала от задатчика 4, а U₆ - уровень сигнала от датчика скорости 6, равный С·, где С - коэффициент пропорциональности, обусловленный конструкцией датчика 6. Отсюда следует, что для прототипа =A·(U₄-С·)-В·М и . Продифференцируем последнее выражение по М и получим . Это показывает, что при увеличении момента сопротивления на dM, скорость двигателя уменьшается на d. И наоборот.

Обратимся теперь к предлагаемому приводу. Для него U=U₄+U₉-U₆ , где U₉ - уровень сигнала от динамометра 9, равный D·M, где D - коэффициент пропорциональности, обусловленный конструкцией динамометра 9. Отсюда следует, что для предлагаемого привода =A(U₄+D·M-С·)-В·М и . Продифференцировав это выражение по М, будем иметь , что означает: увеличение момента сопротивления на dM приводит к изменению на d. Но коэффициент при dM во втором случае меньше, чем коэффициент при dM в первом случае на величину . А это означает, что в предлагаемом приводе изменение момента сопротивления на dM приведет к существенно меньшему изменению , чем в прототипе. Следовательно, привод будет работать с меньшими колебаниями скорости, а значит, более стабильно, что и требовалось.

Привод подачи металлорежущего станка, содержащий двигатель постоянного тока, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное, систему импульсно-фазового управления, выход которой подключен к управляющему входу преобразователя, задатчик скорости, компаратор, выход которого соединен со входом системы импульсно-фазового управления, и датчик скорости, вход которого кинематически связан с двигателем, а выход соединен с первым входом компаратора, отличающийся тем, что он снабжен двухвходовым сумматором, первый вход которого подключен к задатчику скорости, устройством диагностики состояния режущего инструмента по силам резания, состоящим из динамометра, вход которого кинематически связан с двигателем, и блока индикации, соединенного с выходом динамометра при этом второй вход сумматора подключен к выходу динамометра, а выход - ко второму входу компаратора.