Устройство для управления обработкой на металлорежущем станке

В заявке предлагается устройство, компенсирующее погрешности обработки, обусловленные износом режущего инструмента и направляющих станка. Погрешности от износа инструмента определяются по количеству обработанных деталей, а погрешности направляющих - по положению суппорта станка, определяемого с помощью многооборотного потенциометра, связанного с приводом перемещения суппорта. Сигнал от потенциометра подается на преобразователь напряжения в распределительный код, будучи считанным с каждого выхода преобразователя усиливается пропорционально погрешности того или иного участка направляющих, а затем суммируется с сигналом, характеризующим износ инструмента. Суммарный сигнал поступает на компенсатор износа.

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для компенсации погрешностей обработки, обусловленных износом режущего инструмента и направляющих на токарных станках.

Устройства, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, приведенное в описании к авторскому свидетельству СССР 1440670, кл. В23Q 15/00. Оно содержит датчик, анализирующий об окончании обработки каждой очередной детали (фотодатчик, установленный в станине станка и фиксирующий падение деталей в корыто станка); программируемый счетчик, соединенный с выходом датчика; привод (шаговый электромеханический привод), который через передачу винт-гайка соединен со щелевым пневмосоплом; копир-заслонку, выполненную в виде профильной линейки и закрепленную неподвижно на станке вдоль направляющих; механизм компенсации погрешностей, состоящий из пневмогидравлического преобразователя, связанного с резцедержателем, закрепленном на упругом параллелограмме (внутри параллелограмма размещен гидроцилиндр со штоком). Пневмосопло закреплено на суппорте станка с возможностью перемещения перпендикулярно направляющим. Суппорт закреплен на станке с возможностью перемещения приводом подачи станка через ходовой винт вдоль направляющих. Копир-заслонка имеет профиль, копирующий в увеличенном масштабе погрешность обработки, обусловленную износом направляющих.

Кроме перечисленного, устройство-аналог содержит также еще один (второй) программируемый счетчик, вход которого соединен с выходом первого счетчика, а выход - с системой останова станка, входящей в систему его электроавтоматики.

Перед использованием устройства в процессе его проектирования и изготовления вначале профилируют заслонку и определяют, после обработки скольких деталей целесообразно подавать корректирующий сигнал на компенсирующий механизм. Для этого, зная радиальный износ режущего инструмента t, приходящийся на одну деталь, и допустимую погрешность обработки k, обусловленную износом инструмента, определяют величину [k/r] =А, [·] - знак округления в меньшую сторону. После этого в процессе настройки системы в первый программируемый счетчик вводят в двоичном коде число А, ограничивая тем самым его емкость, а привод перемещения сопла устанавливают в исходное положение. Во второй счетчик вводят число , где Т - стойкость инструмента, исчисляемая наибольшим числом деталей, которое может обработать инструмент. Это число, аналогично А для первого счетчика, ограничивает емкость второго счетчика.

Работа устройства при его эксплуатации происходит следующим образом. При обработке детали на станке суппорт перемещается вдоль направляющей. Перекрытие отверстия сопла изменяется во время движения суппорта на величину М. Указанное изменение вызывает соответствующее изменение Р' давления Р' в полости сопла и перемещение плунжера пневмогидравлического преобразователя. Цилиндр и поршень смещаются друг относительно друга, деформируют упругий параллелограмм и вызывают перемещение резца на L. По окончании обработки детали последняя автоматически извлекается из зажимного приспособления станка и заменяется новой заготовкой. Обработанная деталь падает вниз в корыто станка. Датчик фиксирует окончание обработки детали и подает импульс в первый датчик. Далее обрабатывается следующая деталь и все повторяется. Так происходит до момента переполнения первого счетчика. При переполнении счетчика он сбрасывается на ноль и на его выходе появляется сигнал, заставляющий привод перемещения сопла повернуть винт и переместить сопло на один шаг. Перекрытие сопла увеличивается, давление Р' возрастает, что ведет к дополнительному перемещению резца на k. В результате обработка (А+1)-ой детали будет производится с коррекцией L+k. Аналогично, по следующему импульсу, поступившему на привод перемещения сопла после переполнения первого счетчика, произойдет следующее дополнительное перемещение резца на k и обработка (2А+1)-ой детали будет производиться с коррекцией L+2k. После того, как дополнительное перемещение резца на величину k будет произведено В раз, ресурс инструмента будет исчерпан. Второй счетчик переполнится и выдаст импульс на остановку станка в систему электроавтоматики станка.

Таким образом, в течении всего периода стойкости инструмента обработка деталей на станке производится с одновременной компенсацией погрешностей обработки, обусловленных износом инструмента и направляющих станка.

Следует, однако, отметить, что устройство-аналог имеет существенные недостатки. Первый из них - недостаточно высокая точность, что обусловлено колебаниями зазора между поверхностью заслонки и торцом сопла при перемещении сопла вдоль заслонки. Второй недостаток связан со сложностью перенастройки устройства при изменении износа направляющих. Для того, чтобы выполнить перенастройку нужно изготовить и установить новую заслонку, что трудоемко и требует значительных затрат и времени.

Более точным и легче переналаживаемым является, вместе с тем, устройство, защищенное авторским свидетельством СССР 1757848, кл. В23Q 15/00 и принятое нами за прототип. Оно включает в себя механизм компенсации погрешностей обработки, выполненный так же, как и в устройстве-аналоге, и закрепленный на суппорте станка; датчик (фотодатчик) контроля окончания обработки каждой очередной детали, устанавливаемый на станине станка и соединенный со входами первого программируемого счетчика импульсов; второй программируемый счетчик импульсов, вход которого связан с шиной переполнения первого счетчика, а выход через преобразователь код - напряжение непосредственно соединен со вторым входом второго сумматора и через пороговый элемент - с сигнализатором предельного износа инструмента (например, сигнальной лампой). Кроме того, устройство содержит импульсный датчик перемещения (положения) суппорта (он соединяется, например, с приводом продольной подачи станка); блок определения направления перемещения суппорта, вход которого соединен с выходом датчика перемещения; реверсивный регистр сдвига, шины правого и левого сдвига информации в котором связаны с выходами блока определения направления перемещения через делители частоты импульсов; усилители с переменными (регулируемыми) коэффициентами усиления, рабочие входы которых соединены с выходами ячеек регистра, а выходы - через первый сумматор с первым входом второго сумматора. Следует также отметить, что выход второго сумматора через электропневматический преобразователь связан с механизмом компенсации погрешностей обработки. Указанный преобразователь имеет общеизвестную конструкцию и представляет собой пневматический редуктор давления, питающийся от пневмосети и управляемый электромагнитным соленоидом (при увеличении или уменьшении напряжения на входе соленоида происходит аналогичное изменение давления на выходе редуктора). В качестве усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления используются типовые операционные усилители. В качестве блока определения направления перемещения суппорта используется общеизвестная схема, описанная, например, в книге «Управление электроприводами» (А.Б.Башарин и др.). Делители частоты, сумматоры, усилители и другие элементы построены аналогично описанным в книге «Справочник по средствам автоматики» (Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. - М.: Энергоавтомиздат, 1983).

В процессе проектирования устройства рассчитывают коэффициент деления делителей по формуле L/N=М, где L - длина направляющих, погрешность которых компенсируется (обычно это продольные направляющие), N - число разрядов регистра, - дискретность датчика перемещения (положения). При L, например, равном 1500 мм, N равном 150, -0,01 мм (это типичные данные средних токарных станков), М получается равным 1000.

При использовании устройства вначале производят его настройку. Для этого, зная радиальный износ режущего инструмента r, приходящийся на одну деталь, и допустимую погрешность обработки k, обусловленную износом инструмента, определяют величину , где [·] - знак округления в меньшую сторону. В двоичном коде число А вводят в первый счетчик, ограничивая тем самым его емкость. Далее по формуле , где Т - стойкость инструмента, исчисляемая числом деталей, которое может обработать инструмент, a U - дискретность выходного сигнала преобразователя код - напряжение, рассчитывают необходимый порог срабатывания порогового элемента и настраивают его на этот порог. Затем определяют погрешность обработки, обусловленную износом направляющих по всей длине последних, и условно разбив направляющие по длине на отрезки величиной L/N, рассчитывают среднюю погрешность для каждого отрезка. После этого, пронумеровав отрезки и ячейки регистра в одном направлении, например, справа налево, настраивают коэффициенты усиления усилителей, соединенных с ячейками регистра, так, чтобы коэффициент усиления всякого усилителя, соединенного с Д-ой ячейкой регистра, был пропорционален средней погрешности на Д-ом отрезке.

Перед началом обработки суппорт устанавливают в исходное положение (крайнее правое), а в первую ячейку регистра вводят «единицу». Далее начинают обрабатывать деталь. В процессе обработки каждой детали суппорт перемещается приводом вдоль направляющих и синхронно с ним в регистре сдвигается «единица». Если суппорт перемещается вправо, то импульсы, выдаваемые датчиком перемещения, блоком определения направления перемещения направляются через делитель на шину правого сдвига регистра. Если суппорт перемещается влево, то импульсы от датчика перемещения направляются через делитель на шину левого сдвига регистра. Сигнал «единица» с выхода регистра проходит через тот или иной усилитель, первый сумматор, и на первый вход второго сумматора поступает напряжение, пропорциональное погрешности обработки, обусловленной износом направляющих именно на том участке направляющих, где в данный момент находится суппорт. Проходя через второй сумматор, это напряжение в электропневматическом преобразователе преобразуется в давление, которое, воздействуя на механизм компенсации погрешностей, заставляет его сместить режущий инструмент в направлении, перпендикулярном направляющим, на величину, равную погрешности обработки из-за износа направляющих на данном отрезке. Указанное происходит при обработке всех деталей. Вместе с тем, по окончании обработки каждой детали последняя извлекается из зажимного приспособления станка и заменяется новой заготовкой. (Механизмы, выполняющие это, имеют общеизвестную конструкцию и на рисунке не показаны). Обработанная деталь падает вниз в корыто станка. Датчик фиксирует окончание обработки детали, подает импульс в первый счетчик. Далее обрабатывается следующая деталь и все повторяется. Так происходит до переполнения счетчика. При переполнении первого счетчика на его шине переполнения появляется импульс, поступающий на второй счетчик. На его выходе появляется двоичное число, характеризующее число серий обработанных деталей по А штук. Преобразователь преобразует это число в напряжение, которое подается на второй вход второго сумматора и добавляется к напряжению, поступающему от первого сумматора. Таким образом вводится поправка на износ режущего инструмента. Когда период стойкости Т инструмента будет исчерпан, произойдет срабатывание порогового элемента и на сигнализатор предельного износа инструмента будет подан сигнал. Сигнализатор срабатывает и либо информирует оператора о необходимости замены инструмента, либо заставит сработать механизм автоматической замены.

Как видно из изложенного, описанная система компенсирует погрешности обработки, обусловленные износом инструмента и направляющих, подобно аналогу. Однако она не содержит пневматического элемента «сопло-заслонка» и колебания зазора между соплом и заслонкой на ее точность не влияют. Вместе с тем, устройство-прототип значительно проще и быстрее перенастраивается. Для его перенастройки нет необходимости изготавливать новый копир-заслонку и тратить время на ее установку и выверку. Достаточно лишь изменить (перенастроить) коэффициент усиления усилителей, порог срабатывания порогового элемента и в первый счетчик ввести другое число А.

Тем не менее, устройство-прототип также не лишено недостатков. Главный из них - выход устройства из строя (неверная его работа - отказ) при сбое в работе датчика перемещения (положения), суппорта станка. Поскольку устройство работает с импульсным датчиком перемещения суппорта, и только с ним (с другими датчиками оно работать не может), то в результате воздействия, например, электрической помехи устройство перестает работать ? даже тогда, когда помеха уже исчезла. Из-за помехи на выходе датчика может потеряться импульс (или группа импульсов); положение «единицы» в регистре сдвига перестает соответствовать положению суппорта, и на первый сумматор и далее будет поступать ошибочный сигнал. Все это означает, что устройство-прототип недостаточно надежно.

В соответствии с изложенным, задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, в котором бы сбои в работе датчика перемещения суппорта не приводили бы к отказам всего устройства. Иначе говоря, задачей является создание более надежного устройства.

Достигается решение поставленной задачи тем, что устройство для управления обработкой на металлорежущем станке, содержащее механизм компенсации погрешностей, закрепленный на суппорте станка, датчик контроля окончания обработки детали, соединенный с входом первого программируемого счетчика импульсов, второй программируемый счетчик импульсов, вход которого связан с шиной переполнения первого счетчика, первый и второй сумматоры, сигнализатор предельного износа режущего инструмента, датчик положения суппорта, усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, выходы которых через первый сумматор соединены с первым входом второго сумматора, выход второго программируемого счетчика через преобразователь код - напряжение соединен непосредственно с вторым входом второго сумматора и через пороговый элемент - с сигнализатором предельного износа инструмента, а выход второго сумматора связан с механизмом компенсации погрешностей, вместо регистра сдвига снабжено преобразователем напряжения в распределительный код, выходы которого соединены с входами усилителей, датчик положения суппорта выполнен в виде многооборотного потенциометра, выход которого связан со входом преобразователя напряжения в распределительный код.

На рисунке показана схема предлагаемого устройства. Она включает в себя механизм компенсации погрешностей обработки 1, выполненный так же, как и в прототипе, и закрепленный на суппорте 2 станка; датчик 3 (фотодатчик) контроля окончания обработки каждой отдельной детали, устанавливаемый на станине станка и соединенный со входами первого программируемого счетчика импульсов 4; второй программируемый счетчик импульсов 5, вход которого связан с шиной переполнения первого счетчика 4, а выход через преобразователь код - напряжение 6 непосредственно соединен с вторым входом сумматора 7 и через пороговый элемент 8 - с сигнализатором предельного износа 9 инструмента (например, сигнальной лампой). Кроме того, устройство содержит датчик положения суппорта, выполненный в виде многооборотного потенциометра 10 (он соединен, например, с приводом 11 продольной подачи станка), и преобразователь напряжение - распределительный код 12, вход которого подключен к потенциометру 10 (этот преобразователь состоит, в частности, из n настраиваемых пороговых элементов 13, входы которых параллельно соединены со входом преобразователя, а выходы - с рабочими входами n-1 логических элементов запрета 14, управляющий вход каждого 1-го из которых связан с рабочим входом (i+1)-го, i=1, 2,, n-1, a n - число выходов преобразователя). Выходы преобразователя 12 (ими являются выходы n-1 элементов запрета 14 и выход n-го порогового элемента 13) через усилители 15 с переменными (регулируемыми) коэффициентам усиления соединены со входами первого сумматора 16, а выход этого сумматора соединен с первым входом второго сумматора 7. Все пороговые элементы, элементы запрета, сумматоры и усилители имеют общеизвестные конструкции, аналогичные описанным в книге «Справочник по средствам автоматики» (Под ред. В.Э.Низе и И.В.Антика. - М.: Энергоатомиздат, 1983). Следует также отметить, что выход сумматора 7 через электропневматический преобразователь 17 связан с механизмом 1. Указанный преобразователь имеет также общеизвестную конструкцию и представляет собой такой же, как в прототипе, пневматический редуктор давления, питающийся от пневмосети и управляемый электромагнитным соленоидом (при увеличении или уменьшении напряжения на входе соленоида происходит аналогичное изменение давления на выходе редуктора).

При использовании устройства вначале производят его настройку. Для этого, зная радиальный износ режущего инструмента r, приходящийся на одну деталь, и допустимую погрешность обработки k, обусловленную износом инструмента, определяют величину , где [·] - знак округления в меньшую сторону. В двоичном коде число А вводят в счетчик 4, ограничивая тем самым его емкость. Далее по формуле где Т - стойкость инструмента, исчисляемая числом деталей, которое может обработать инструмент, a U - дискретность выходного сигнала преобразователя код - напряжение 6, рассчитывают необходимый порог срабатывания порогового элемента 8 и настраивают его на этот порог. Затем определяют погрешность обработки, обусловленную износом направляющих по всей длине последних, и, условно разбив направляющие по длине на отрезки величиной L/N, где L - длина направляющих, рассчитывают среднюю погрешность для каждого отрезка. После этого, пронумеровав отрезки и пороговые элементы 13 (соответственно и усилители 15) в одном направлении, например, слева направо, настраивают коэффициенты усиления усилителей 15 так, чтобы коэффициент усиления всякого усилителя, соединенного с i-ым выходом преобразователя 12, был пропорционален средней погрешности на i-ом отрезке. Далее настраивают пороговые элементы 13. Для этого вначале снимают характеристику потенциометра 10 как V=f(I), где I - текущее положение суппорта 2 на направляющих (01L), а V - электрический сигнал (напряжение) на выходе потенциометра 10, являющийся функцией I. Затем в соответствии с границами отрезков, на которые условно была разбита вся длина L направляющих, вычисляют значения V для всех границ отрезков и настраивают на эти значения пороговые элементы 13. Настройку ведут в порядке возрастания этих значений и номеров условно выделенных отрезков направляющих (это обусловлено тем, что V=f(I), как правило, функция монотонно возрастающая, а чаще всего даже линейная).

Работа устройства после его настройки происходит следующим образом. При перемещении суппорта 2 вдоль направляющих слева направо сигнал от потенциометра 10 возрастает, отображая текущее положение суппорта величиной напряжения на выходе. При этом последовательно срабатывают 1-ый; 1-ый, 2-ой; 1-ый, 2-ой, 3-ий и т.д. (считая слева) пороговые элементы 13. Каждый последующий элемент 13 подает сигнал на управляющий вход предыдущего элемента запрета 14 и запирает его. Получается, что преобразователь 12 формирует сигнал «единица» всегда только на одном из своих выходов, и эта «единица» перемещается по входам вместе с перемещением суппорта. Проходя через соответствующий усилитель 15, сигнал «единица» умножается на число, соответствующее средней погрешности направляющих на участке, где находится суппорт, и через первый сумматор 16 поступает на второй сумматор 7, где складывается с сигналом, поступившим от преобразователя код - напряжение 6. Напряжение на выходе преобразователя 6 является результатом преобразования двоичного числа, формирующегося на выходе счетчика 5. Последний же отсчитывает циклы работы счетчика 4, который считает обработанные детали. Отсчитав число обработанных деталей, на которое запрограммирован счетчик 4, этот счетчик выдает импульс на счетчик 5, на выходе того число увеличивается на «единицу» и на выходе преобразователя 6 сигнал возрастает на U. Получившийся в результате сигнал В на выходе преобразователя 6 и складывается в сумматоре 7 с сигналом, поступившим от 16. С выхода сумматора 7 сигнал поступает на преобразователь 17, а затем на механизм 1. Этот механизм компенсирует погрешность обработки очередной детали, вызванную износом инструмента на текущее время и износом направляющих в зоне текущего нахождения суппорта.

Таким образом, точность обработки на станке повышается так же, как и в прототипе. Вместе с тем, выполнение датчика положения в виде многооборотного потенциометра вместо датчика импульсов сделало устройство более надежным. Если электрическая помеха, действующая на устройство извне, исказит сигнал на выходе потенциометра, то после «ухода» помехи устройство снова окажется работоспособным. Дальше оно будет снова работать правильно, в отличие от прототипа. Кроме того, предлагаемое устройство существенно проще по конструкции, чем прототип. И это также способствует повышению его надежности.

Устройство для управления обработкой на металлорежущем станке, содержащее механизм компенсации погрешностей, закрепленный на суппорте станка, датчик контроля окончания обработки детали, соединенный с входом первого программируемого счетчика импульсов, второй программируемый счетчик импульсов, вход которого связан с шиной переполнения первого счетчика, первый и второй сумматоры, сигнализатор предельного износа режущего инструмента, датчик положения суппорта, усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, выходы которых через первый сумматор соединены с первым входом второго сумматора, выход второго программируемого счетчика через преобразователь код - напряжение соединен непосредственно с вторым входом второго сумматора и через пороговый элемент - с сигнализатором предельного износа инструмента, а выход второго сумматора связан с механизмом компенсации погрешностей, отличающееся тем, что оно снабжено преобразователем напряжения в распределительный код, выходы которого соединены с входами усилителей, датчик положения суппорта выполнен в виде многооборотного потенциометра, выход которого связан со входом преобразователя напряжения в распределительный код.