АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ВОЛОЧЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2000 года по МПК B21C1/00 B21C3/12 

Изобретение относится к производству длинномерных изделий методом волочения.

Известны аналоги самоустанавливающегося волокодержателя, выполненного таким образом, что обойма с волокой имеет две степени свободы по отношению к жестко закрепленному корпусу волокодержателя, волока смещена по отношению к плоскости опоры обоймы по направлению волочения и закреплена в обойме так, что может перемещаться в плоскости, перпендикулярной продольной оси обоймы.

В качестве прототипа выбрано устройство для автоматического управления волочением с использованием виброэнергии (патент на изобретение 2.169.906 от 10 апреля 1974 года, Франция), включающее в себя устройство измерения действительной скорости волочения; средства преобразования выходного сигнала устройства для получения предварительно заданной величины; средства уравнивания полученного выходного сигнала, определяемого действительным значением виброскорости, и выходного сигнала преобразователя; устройство полосовой фильтрации выходного сигнала средств выравнивания; схему для приложения выходного сигнала высокочастотного генератора мощности и сигнала с выхода полосового фильтра на вход электроакустического преобразователя.

Целью предлагаемого технического решения является повышение качества изделий, изготавливаемых способом волочения, путем уменьшения их кривизны.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого автоматического устройства волочения длинномерных изделий.

На фиг. 2 изображена схема закрепления датчика силы с пружиной на штоке исполнительного привода.

На фиг. 3 изображена схема закрепления волоки во внутреннем стакане.

На фиг. 4 изображена структурная схема системы автоматического управления (САУ) движением самоустанавливающегося волокодержателя с качающейся волокой (СВКВ) в вертикальном канале.

На фиг. 5 изображен график изменения угла θ_в(t) при наличии демпфирования колебаний СВКВ.

На фиг. 6 изображен график изменения угла θ_в(t) при отсутствии демпфирования колебаний СВКВ.

Указанная цель достигается тем, что самоустанавливающийся технологический инструмент для волочения изделий содержит станину, внешнюю раму, установленную в станине на вертикальных осях с возможностью качания, внешний стакан, установленный во внешней раме на горизонтальных осях с возможностью качания, внутреннюю раму, установленную во внешнем стакане на вертикальных осях с возможностью качания, внутренний стакан, несущий волоку и установленный во внутренней раме на горизонтальных осях с возможностью качания, демпфер, шарнирно соединенный со станиной и внешней рамой, демпфер, шарнирно соединенный с внешней рамой и внешним стаканом, демпфер, шарнирно соединенный с внешним стаканом и внутренней рамой, демпфер, шарнирно соединенный с внутренней рамой и внутренним стаканом, и вертикальный и горизонтальный каналы управления, имеющие каждый последовательно соединенные исполнительный привод, датчик силы и пружину, усилитель мощности, блок дифференцирования и сумматор, при этом в каждом канале управления второй вход сумматора соединен с выходом усилителя мощности, выходные штоки исполнительных приводов вертикального и горизонтального каналов управления механически соединены с соответствующими датчиками силы, исполнительный привод горизонтального канала управления установлен с помощью шарнира на внешнем стакане, а его выходной шток через датчик силы и пружину соединен с помощью шарнира с внутренней рамой, исполнительный привод вертикального канала управления установлен с помощью шарнира на внутреннем стакане, а его выходной шток через датчик силы и пружину соединен с внутренней рамой.

Введенные в устройство четыре демпфера:
- демпфер 8, шарнирно соединенный со станиной 1 и внешней рамой 2 таким образом, что демпфирующий момент, развиваемый этим демпфером, приложен к внешней раме 2 относительно вертикальной оси 24;
- демпфер 9, шарнирно соединенный с внешней рамой 2 и внешним стаканом 4 таким образом, что демпфирующий момент, развиваемый этим демпфером, приложен к внешнему стакану относительно горизонтальной оси 23;
- демпфер 11, шарнирно соединенный с внешним стаканом 4 и внутренней рамой 5 таким образом, что демпфирующий момент, развиваемый этим демпфером, приложен к внутренней раме 5 относительно вертикальной оси 22;
- демпфер 10, шарнирно соединенный с внутренней рамой 5 и внутренним стаканом 6 таким образом, что момент, развиваемый этим демпфером, приложен к внутреннему стакану относительно горизонтальной оси 21, позволяют демпфировать колебания внешнего и внутреннего стаканов волокодержателя, возникающие в процессе волочения. В результате уменьшается влияние задемпфированных колебаний на процесс волочения, что приводит к уменьшению кривизны изделий и, следовательно, к повышению их качества.

Устройство включает в себя СВКВ, который состоит из станины 1, внешней рамы 2, закрепленной в станине 1 с помощью опор качения 3, внутренней рамы 5, закрепленной внутри внешнего стакана 4 с помощью опор качения 3, волоки 7, жестко закрепленной во внутреннем стакане 6, демпфера 8, соединенного одностепенными шарнирами 12 со станиной 1 и внешней рамой 2, демпфера 9, соединенного шарнирами 12 с внешней рамой 2 и внешним стаканом 4, демпфера 10, соединенного шарнирами 12 с внутренней рамой 5 и внутренним стаканом 6, демпфера 11, соединенного шарнирами 12 с внешним стаканом 4 и внутренней рамой 5.

С внутренним стаканом 6 СВКВ соединен вертикальный канал управления (ВКУ), содержащий последовательно соединенные исполнительный привод 13 (ИП), датчик силы 14 и пружину 15, а также усилитель мощности 16 (УМ), блок дифференцирования 17 (БД), фильтр низких частот 18 (ФНЧ), сумматор 19.

Исполнительный привод 13 закреплен на внутреннем стакане 6 с помощью одностепенного шарнира 12, а его шток 20 через датчик силы 14 и пружину 15 соединен с внутренней рамой 5 с помощью шарнира 12.

Горизонтальный канал управления (ГКУ) содержит такие же элементы, что и ВКУ. Отличие состоит в том, что исполнительный привод 13 закреплен с помощью шарнира 12 на внешнем стакане 4 в плоскости, перпендикулярной плоскости действия ВКУ.

Внутренний стакан 6 вращается во внутренней раме 5 вокруг оси 21, а внутренняя рама 5 вращается во внешнем стакане 4 вокруг оси 22. Внешний стакан 4 вращается во внешней раме 2 вокруг оси 23, а внешняя рама 2 вращается в станине 1 вокруг оси 24. Ось 21 перпендикулярна оси 22 и ось 23 перпендикулярна оси 24.

Как показано на фиг. 2, датчик силы 14 ВКУ (ГКУ) механически соединен со штоком 20 исполнительного привода 13. Пружина 15 механически соединена с датчиком силы и штоком 20. Ось чувствительности датчика силы и продольная ось штока 20 совпадают. сила, приложенная к внутреннему стакану со стороны исполнительного привода ВКУ; составляющая поперечной (вертикальной) возмущающей силы, приложенная к штоку 20 исполнительного привода со стороны внутреннего стакана. Для ГКУ аналогичные силы имеют обозначения:
Основной причиной возникновения кривизны изделий (см. фиг. 3) является несовпадение оси волоки 7 АВ с направлением силы волочения . Пластический шарнир В, через который сила волочения прикладывается к волоке, расположен на оси волоки 7 АВ.

Предлагаемое автоматическое устройство устраняет эту причину, т.е. обеспечивает с требуемой точностью совпадение оси волоки с направлением силы волочения Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Пусть ось волоки АВ не совпадает с направлением силы волочения Тогда в результате несимметричного течения материала изделия через канал волоки возникает возмущающее воздействие под действием которого оба стакана волокодержателя совершают пространственное движение.

Составляющая (вертикальная) поперечной возмущающей силы приложенная к штоку 20 исполнительного привода 13, измеряется датчиком силы 14 вертикального канала управления. Сигнал с датчика силы через усилитель мощности 16, блок дифференцирования 17 и фильтр низких частот 18 поступает на один из входов сумматора 19. На второй вход сумматора сигнал поступает с усилителя мощности 16. Сигнал с сумматора 19 поступает на исполнительный привод 13 вертикального канала управления, который управляет движением волоки в вертикальной плоскости с помощью управляющей силы (см. фиг. 2), приложенной к внутреннему стакану волокодержателя. Управляющая сила вырабатывается так, что под ее воздействием внутренний и внешний стаканы занимают устойчивые положения в вертикальной плоскости P_B, образованной осью 22 и осью внутреннего стакана 6, а проекции силы и оси волоки AB на вертикальную плоскость P_B совпадают по направлению.

В горизонтальном канале управления (ГКУ) сила вырабатывается аналогично на основании сигнала с датчика силы о составляющей (горизонтальной) возмущающей силы Под действием управляющей силы подвижные элементы волокодержателя также занимают устойчивые положения в горизонтальной плоскости P_г, образованный осью 21 и осью внутреннего стакана 6, а проекция силы волочения и оси волоки AB на горизонтальную плоскость P_г совпадают по направлению.

Совместное функционирование вертикального и горизонтального каналов управления автоматического устройства обеспечивает устойчивое движение волоки в условиях внешних возмущений и требуемую точность совпадения ее оси с направлением силы волочения в течение изготовления каждого изделия.

Проведем качественный анализ влияния введенных в устройство демпферов на кривизну изготавливаемых изделий. С этой целью рассмотрим динамику возмущенного движения СВКВ в вертикальном канале управления (ВКУ). При наличии широкополосного исполнительного привода (ИП) можно пренебречь его инерционностью по сравнению с инерционными характеристиками СВКВ и описать динамику подсистемы "ИП-ВКУ" передаточной функцией вида W_yB(S)=K_yB. Динамику возмущенного движения СВКВ в вертикальном канале управления можно описать с достаточной степенью точности передаточной функцией вида:

где θ_в(s) - преобразование Лапласа от угла рассогласования θ_в(t) между проекциями оси волоки АВ и силы волочения на вертикальную плоскость P_B; F_yB(s) - преобразование Лапласа от управляющей силы F_yB(t), развиваемой исполнительным приводом вертикального канала управления; K_CBB - коэффициент передачи СВКВ; T_CBB - постоянная времени СВКВ; ξ_свв - коэффициент демпфирования СВКВ, который определяется характеристиками двух демпферов вертикального канала управления.

Упрощенная структурная схема замкнутой системы управления движением СВКВ в вертикальном канале представлена на фиг. 4. Дифференциальное уравнение, описывающее изменение угла θ_в(t) во времени, имеет вид

К_B ²= 1+K_CBBK_yB, K_yB - коэффициент усиления УМ при начальных условиях:
Решение уравнения имеет вид:

График изменения θ_в(t) во времени изображен на фиг. 5. Из графика видно, что соответствующим выбором коэффициента демпфирования ξ_{свв =} (конструктивных параметров демпферов) можно добиться существенного подавления колебаний угла около номинального нулевого значения, то есть уменьшить кривизну изготавливаемого изделия.

Отсутствие демпферов в устройстве приводит к развитию колебательного движения СВКВ, которое описывается дифференциальным уравнением вида:

при начальных условиях:
Решение уравнения имеет вид:
θ_в(t) = θ_m2вsinω_2вt, где
и амплитуда θ_m2в определяется с помощью начальных условий.

График изменений θ_в(t) во времени изображен на фиг. 6.

Проведенный качественный анализ работы устройства позволяет сделать вывод: предлагаемое устройство по сравнению с прототипом создает качественно более благоприятные условия для протекания управляемого процесса волочения и при надлежащем выборе параметров позволяет улучшить качество изготавливаемых изделий путем уменьшения их кривизны.

Изобретение относится к производству изделий методом волочения. Устройство включает в себя самоустанавливающийся волокодержатель с качающейся волокой (СВКВ). СВКВ состоит из неподвижной опоры внешней рамы, внешнего стакана, внутренней рамы непосредственно внутреннего стакана, волоки и демпферов. При этом внешняя рама закреплена в станине с помощью опор качения. Внешний стакан закреплен во внешней раме с помощью опор качения. Внутренняя рама закреплена внутри внешнего стакана с помощью опор качения. Внутренний стакан закреплен во внутренней раме с помощью опор качения. Волока жестко закреплена во внутреннем стакане. С внутренним стаканом СВКВ соединен вертикальный канал управления (ВКУ). ВКУ содержит последовательно соединенные исполнительный привод, датчик силы и пружину, а также усилитель мощности, блок дифференцирования, фильтр низких частот, сумматор. Исполнительный привод вертикального канала управления закреплен на внутреннем стакане с помощью одностепенного шарнира. Горизонтальный канал управления (ГКУ) содержит такие же элементы, что и ВКУ. При этом исполнительный привод закреплен с помощью шарнира на внешнем стакане. Изобретение позволяет повысить качество изделий путем уменьшения их кривизны. 6 ил.

Самоустанавливающийся технологический инструмент для волочения изделий, включающий волоку и каналы управления, отличающийся тем, что он содержит станину, внешнюю раму, установленную в станине на вертикальных осях с возможностью качания, внешний стакан, установленный во внешней раме на горизонтальных осях с возможностью качания, внутреннюю раму, установленную во внешнем стакане на вертикальных осях с возможностью качания, внутренний стакан, несущий волоку и установленный во внутренней раме на горизонтальных осях с возможностью качания, демпфер, шарнирно соединенный со станиной и внешней рамой, демпфер, шарнирно соединенный с внешней рамой и внешним стаканом, демпфер, шарнирно соединенный с внешним стаканом и внутренней рамой, демпфер, шарнирно соединенный с внутренней рамой и внутренним стаканом, и вертикальный и горизонтальный каналы управления, имеющие каждый последовательно соединенные исполнительный привод, датчик силы и пружину, усилитель мощности, блок дифференцирования и сумматор, при этом в каждом канале управления второй вход сумматора соединен с выходом усилителя мощности, выходные штоки исполнительных приводов вертикального и горизонтального каналов управления механически соединены с соответствующими датчиками силы, исполнительный привод горизонтального канала управления установлен с помощью шарнира на внешнем стакане, а его выходной шток соединен с помощью шарнира с внутренней рамой, исполнительный привод вертикального канала управления установлен с помощью шарнира на внутреннем стакане, а его выходной шток соединен с помощью шарнира с внутренней рамой.