Устройство для автоматического позиционирования рабочего органа Советский патент 1981 года по МПК B23Q23/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА

1

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в координатнорасточных, координатно-шлифовальных станках и координатно-измерительных машинах портального типа.

Известно устройство для автоматического позиционирования поперечины, содержащее электропривод для перемещения и позиционирования почтеречины относительно стоек и систему автоматического управления (САУ)двумя гидравлическими исполнитель ными элементами микроперемёщений концов поперечины, предназначенную для стабилизации взаимного параллельного положения поперечины и стола. При этом базовые торцы ходовых винтов через упорные подщипники установлены в корпусах, подкоторыми размешены исполнительные элементы микроперемещений, выполненные в виде гидроопор. Такое конструктивное исполнение элементов микроперемещений обеспечивает возможность вертикального перемещения ходовых винтов без их поворота, и тем самым достигается исключение трения, имевшего место в резьбовых соединениях исполнительных элементов с ходовыми винтами 1.

Недостатком известного устройства является то, что остаются нескомпенсированными силы трения в направляющих «поперечина-стойки. Применение специальных антискачковых масел дает возможность лишь уменьшить коэффициент трения покоя и сделать его достаточно близким к коэффициенту трения движения, т. е. обеспечить независимость силы трения от скорости движения, но не устранить ее. В свою очередь, трение в направляющих обусловливает наличие так

IQ называемой «зоны застоя, которая приводит к возникновению автоколебаний в САУ гидроопорами, что не позволяет обеспечить высокую точность позиционирования поперечины.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков и повышение точности позиционирования рабочего органа.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для автоматического позиционирования рабочего органа, например поперечины станка портального типа, содержащем

20

систему автоматического управления перемещениями рабочего органа, например состоящую из двух каналов управления, каждый из которых включает в себя задатчик и

датчик перемещения рабочего органа, блок сравнения, усилитель, управляемый силовой преобразователь, например электрогидропреобразователь, и гидравлический исполнительный элемент, например выполненный в виде гидроопоры, к каждому гидравлическому исполнительному элементу подключено индивидуальное управляемое гидравлическое сопротивление, связанное через релейный элемент с блоком воздействия по производной выходного давления соответствующего управляемого силового преобразователя.

Кроме того, блок воздействия по производной выходного давления управляемого силового преобразователя выполнен в виде последовательно соединеных электронной модели управляемого силового преобразователя и дифференцирующего звена, реализованных на операционных усилителях, при этом выход усилителя, входящего в состав соответствующего канала системы автоматического управления перемещениями рабочего органа, связан со входом блока воздействия по производной выходного давления управляемого силового преобразователя, а выход упомянутого блока подключен ко входу релейного элемента.

На чертеже изображен станок с устройством для автоматического позиционирования рабочего органа, общий вид.

Станок содержит станину 1, стол 2, стойки 3 и 4, поперечину 5 и щпиндельную бабку 6. Ходовые винты 7 и 8, взаимодействующие с гайками 9 и 10, предназначены для перемещения г оперечины 5 по направляющим стоек 3 и 4 и соединены через червячные редукторы 11 и 12 с валами 13 и 14 электродвигателя 15 постоянного тока. Два прецизионных датчика 16 и 17 линейных перемещений, например, индукционные импульсные датчики, встроены в левом и правом концах поперечины 5, а соответствующие этим датчикам 16 и 17 щкалы 18 и 19 отсчета монтируются на стойках 3 и 4 параллельно осям ходовых винтов 7 и 8. Для обеспечения возможности вертикального перемещения ходовых винтов 7 и 8 (без их поворота) вместе с закрепленной на них поперечиной 5 базовые торцы 20 и 21 ходовых ВИНТИВ 7 и 8 через упорные подщипннки 22 и 23 установлены в корпусах 24 и 25, под которыми размещены гидроопоры 26 и 27.

Устройство для автоматического позиционирования рабочего органа состоит из двухканальной САУ с гидроопорами 26 и 27. При этом один из каналов (условно, первый), содержит блок 28 ввода задания, датчик 16 перемещения левого конца поперечины 5 относительно щкалы 18 отсчета, блок 29 сравнения, цифроаналоговый преобразователь 30, усилитель 31, управляемый силовой преобразователь 32, например электрогидропреобразователь типа «сопло-заслонка, и гидроопору 26. Кроме того, для компенсации влияния трения, возникающего в направляющих «поперечина 5-стойка 3, этот канал оснащен блоком 33 воздействия по производной выходного давления электрогидропреобразователя 32, релейным элементом 34 и золотником 35 - распределителем рабочей жидкости с электромагнитным управлением. Блок 33 воздействия по производной выходного давления электрогидропреобразователя 32 выполнен, например в виде последовательно соединенных электронной модели электрогидропреобразователя 32 и дифференцирующего звена, реализованных на операционных усилителях. Релейный элемент 34 представляет собой однополярный релейный усилитель. Двухпозиционный золотник 35 с одним электромагнитом постоянного тока и пружинным возвратом в исходное положение имеет внешние каналы, один из которых связан с гидроопорой 26 и выходом электрогидропреобразователя 32, а к двум другим подключены

различные по величине постоянные гидравлические сопротивления 36 и 37.

Другой канал системы управления (условно, второй) содержит блок 28 ввода задания, датчик 17 перемещения правого конJ ца поперечины 5 относительно щкалы 19 отсчета, блок 38 сравнения, цифроаналоговый преобразователь 39, усилитель 40, управляемый силовой преобразователь 41, например электрогидропреобразователь типа «сопло-заслонка, и гидроопору 27. Кроме

0 того, для компенсации влияния трения, возникающего в направляющих «поперечина 5 - стойка 4, этот канал оснащен блоком 42 воздействия по производной выходного давления электрогидропреобразователя 41, релейным элементом 43 и золотником 44-

5 распределителем рабочей жидкости с электромагнитным управлением. Двухпозиционный золотник 44 с одним электромагнитом постоянного тока и пружинным возвратом в исходное положение имеет внешние каналы, один из которых связан с гидроопорой 27 и выходом электрогидропреобразователя 41, а к двум другим подключены различные по величине постоянные гидравлические сопротивления 45 и 46.

Устройство работает следующим образом.

5 Предварительно, при наладке станка, согласовывается положение нулевых точек отсчета на шкалах 18 и 19 таким образом, чтобы они лежали в плоскости зеркала стола 2. При этом обеспечение равенства координат положений левого и правого концов

поперечины 5 относительно соответствующих шкал 18 и 19 одновременно означает и обеспечение параллельности поперечины 5 и зеркала стола 2. Одновременно устанавливается «гидравлический ноль электро5 гидропреобразователей 32 и 41 таким образом, чтобы при нулевом управляющем сигнале на входах электрогидропреобразователей 32 и 41 давление в гидроопорах 26 и 27 было одинаковым и равным половине максимально допустимого давления. Тем самым достигается возможность изменения давления в гидроопорах 26 и 27 в процессе работы устройства как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.

Ускоренные перемещения поперечины 5 из одной позиции в другую, осуществляются с помощью электродвигателя 15, который сообщает вращение через валы 13 и 14 и редукторы 11 и 12 ходовым винтам 7 и 8, взаимодействующим с гайками 9 и 10. Однако за счет погрешностей изготовления элементов кинематической цепи привода поперечины 5, из-за различия упругих деформаций ходовых винтов 7 и 8, вызванных перераспределением нагрузки на них при перемещении щпиндельной бабки 6 по поперечине 5 и т. п., перемещения концов поперечины 5 будут неодинаковыми, и ее точное позиционирование производится с помощью двухканальной САУ гидроопорами 26 и 27, которая включается в зоне малых отклонений поперечины 5 от заданного положения (например, в зоне - 1 мм) после отключения электродвигателя 15).

Рассмотрим работу САУ гидроопорами 26 и 27 на примере одного канала управления (условно, первого). Сигналы с блока 28 ввода задания и датчика 16 поступают в блок 29 сравнения, на выходе последнего возникает разностный сигнал, который посредством цифроаналогового преобразователя 30 преобразуется из цифровой формы в напряжение, и после усиления в усилителе 31 поступает на электрогидропреобразователь 32. Последний изменяет давление в гидроопоре 26. Одновременно сигнал с усилителя 31 подается на вход блока 33 воздействия по производной, и на его выходе возникает электрический сигнал, пропорциональный производной выходного давления электрогидропреобразователя 32. Предположим для определенности, что этот сигнал, поступающий на вход однополярного релейного усилителя 34, имеет положительную полярность, тогда на выходе релейного усилителя 34 также появляется электрический сигнал, который подается на электромагнит золотника 35. Происходит перемещение золотника 35 из исходной позиции (она показана на чертеже: гидроопора 26 через золотник 35 подключена к гидравлическому сопротивлению 36) в другую, при которой гидроопора 26 через золотник 35 оказывается подключенной к гидравлическому сопротивлению 37. Гидравлические сопротивления 36 и 37 различны по величине (в частности сопротивление 36 меньще сопротивления 37) и, следовательно, при срабатывании золотника 35 происходит скачкообразное изменение гидравлического сопротив ления, связанного с гидроопорой 26 на величину, равную разности значений гидравлических сопротивлений 36 и 37. Это сопровождается скачкообразным увеличением давления в гидроопоре 26. ТаКИМ образом, управляющий сигнал - давление в гидроопоре 26 - формируется из двух составляющих: во-первых, давления, регулируемого со стороны электрогидропреобразователя 32, и, во-вторых, давления, 5 обусловленного изменением гидравлического сопротивления, связанного через золотник 35 с гидроопорой 26. Каждая tile этих составляющих давления обусловливает возникновение соответствующих составляющих усилия, действующего через корпус 24 0 и ходовой винт 7 на левый конец поперечины 5, причем при соответствующем выборе величин гидравлических сопротивлений 36 и 37 составляющая усилия, вызванная изменением гидравлического сопротивления, связанного через золотник 35 с гидроопо5рой 26, равна по величине силе трения, возникающей в направляющих «поперечина 5- стойка 3, и противоположно ей направлена. Вследствие инерционности элементов, включенных в первый канал управления, скорость изменения давления электрогирдропреобразователя 32 существенно меньше скорости изменения давления, вызванного переключением гидравлических сопротивлений 36 и 37 посредством практически скачкообразного перемещения золотника 35, 5 можно дополнительно пояснить физическую сущность работы первого канала управления, следующим образом. По знаку производной выходного давления электрогидропреобразователя 32 (т. е. по полярности сигнала на выходе блока 33) определяется же0лаемое направление движения левого конца поперечины 5 и за счет срабатывания золотника 35 формируется упреждающий сигнал - усилие, развиваемое гидроопорой 26 и компенсирующее зону застоя, порожденную силами трения в направляющих «поперечина 5 - стойка 3. Дальнейшее изменение давления электрогидропреобразователя 32, следовательно, и соответствующей ему составляющей усилия, развиваемого гидроопорой 26, приводит к перемещению корпуса 24, а вместе с ним ходового винта 7 и закрепленного на нем левого конца поперечины 5. Перемещение происходит до тех пор, пока левый конец поперечины 5 не займет положение, предписанное блоком 28 ввода задания, с погрешностью, не пре5 выщающей величины допустимой статической ошибки. Принципиально важным является то, что при возникновении усилия со стороны гидроопоры 26, вызванного из менением давления электрогидропреобразователя 32, движение левого конца попе0речины 5 начинается немедленно, поскольку ему не препятствуют силы трения, действующие в направляющих «поперечина 5 - стойка 3, так как влияние указанных сил трения устраняется упреждающим сигналом, компенсирующим зону застоя.

Если процесс выхода левого конца поперечины 5 на заданную координату носит не монотонный, а колебательный характер, то при позиционировании изменяется знак производной выходного давления электрогидропреобразователя 32, т. е. полярность сигнала на выходе блока 33. Это свидетельствует об изменении желаемого направления движения левого конца поперечины 5 на противоположное, что сопровождается и изменением направления действия сил трения в направляющих «поперечина 5-стой-. ка 3, Следовательно, возникает необходимость компенсации зоны застоя, т. е. алияния сил трения, которые будут препятствовать движению левого конца поперечины 5 в измененном направлении. В частности, если полярность сигнала на выходе блока 33 становится отрицательной, то на выходе однополярного релейного усилителя 34 сигнал равен нулю, и лишается питания электромагнит золотника 35. Под действием пружины золотник 35 возвращается в исходное положение, и к гидроопоре 26 вместо гидравлического сопротивления 37 вновь оказывается подключенным гидравлическое сопротивление 36. Это также приводит к скачкообразному уменьшению давления в гидроопоре 26 и компенсации зоны застоя. Таким образом, в процессе работы первого канала системы управления непрерывно происходит упреждающая компенсация сил трения, действующих в направляющих «поперечина 5 - стойка 3, что предотвращает возможность возникновения автоколебаний и обеспечивает высокую точность позиционирования левого кбнца поперечины 5. Позиционирование правого конца поперечлны 5 осуществляется вторым каналом управления (САУ гидроопорой 27), работа которого полностью аналогична описанной выше работе первого канала системы управления. Использование предлагаемого изобретения позволяет компенсировать влияние сил трения, возникающих в направляющих сколь жения при перемещениях рабочего органа, и обеспечить высокую точность его позицинирования. Это способствует рещению роблемы создания станков класса С. Формула изобретения 1.Устройство для автоматического позиционирования рабочего органа, например поперечины станка портального типа, содержащее систему автоматического управления перемещениями рабочего органа, например состоящую из двух каналов управления, каждый из которых включает в себя задатчик и датчик перемещения рабочего органа, блок сравнения, усилитель, управляемый силовой преобразователь и гидравлический исполнительный элемент, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности позиционирования рабочего органа, каждый канал управления снабжен управляемым гидросопротивлением, релейным элементом и блоком воздействия по производной выходного давления силового преобразователя, при этом указанный блок воздействия связан с гидравлическим исполнительным элементом через релейный элемент. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок воздействия по производной выходной давления силового преобразователя выполнен в виде последовательно соединенных электронной модели управляемого силового преобразователя и дифференцирующего звена, реализованных на операционных усилителях, при этом выход усилителя, входящего в состав соответствующего канала системы автоматического управления перемещениями рабочего органа, связан со входом блока воздействия по производной выходного давления управляемого силового преобразователя, а выход блока воздействия по производной - со входом релейного элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельством СССР № 557883, кл. В 23 О 7/04, 1976. iгЕИ и