Разработка гидромеханического привода с целью упрощения внутренних кинематических цепей металлорежущих станков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.03, доктор технических наук Ванин, Василий Агафонович

• Ванин, Василий Агафонович
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Ванин, Василий Агафонович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка гидромеханического привода с целью упрощения внутренних кинематических цепей металлорежущих станков»

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.