Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
136
В  станкостроительной  промышленности  применяется  достаточно  большое 
количество  токарных  станков  универсального  и  специального  назначений  без 
программного  управления,  на  которых  обработка  нежестких  валов  является 
проблемной  задачей  (малая  производительность,  низкое  качество  изготовления 
изделия),  возникает  необходимость  создания  новой  технологии  обработки  таких 
изделий. 
При  разработке  новой  технологии  обработки  нежестких  валов  необходимо 
решить следующие задачи: 
1)  увеличение  производительности,  т.е.  за  один  проход  должна  осуществляться 
вся обработка без применения различных дорогостоящих приспособлений, например, 
использование люнетов и других устройств; 
2)  повышение  точности  геометрических  размеров  изделий.  Диаметр  детали 
должен  быть  постоянным  по  всей  его  длине  и  отсутствие  изменений  формы,  т.е.  нет 
бочкообразности или седлообразности; 
3)  повышение  качества  обрабатываемой  поверхности  за  счет  стабилизации 
режимов обработки путем применения адаптивной системы управления; 
4)  увеличение  стойкости  инструмента  за  счет  обеспечения  стабильных  условий 
его работы; 
5)  увеличение  срока  службы  оборудования  по  тем  же  выше  приведенным 
причинам; 
6)  автоматическая  система  должна  быть  переналаживаемой  при  обработке 
различных типов нежестких валов. 
Всё  это  доказывает,  что  разработка  новой  автоматической  системы  управления 
режимами обработки, обеспечивающей решение перечисленных выше задач, является 
актуальной. 
При  разработке  новой  технологии  обработки  нежестких  валов,  отвечающих 
современным  требованиям,  были  изучены  материалы  из  источников  патентной 
информации стран США, Германия, Япония, Великобритания, Франция,  Россия.  
При  изучении  источников  было  найдено  большое  количество  патентов,  что 
характеризирует  тему  как  актуальную.  В  таблице 1 предоставлена  информация  об 
изобретениях, наиболее близких по технической сущности к решаемой проблеме. 
Проведем  некоторый  анализ  способов  обработки  нежестких  валов  наиболее 
близких по своей сути к рассматриваемой нашей задаче. 
Целью  изобретения  «Способ  механической  обработки  нежёстких  деталей» 
(рисунок 1) являлось  обеспечение  минимального  объёма  вводимой  информации, 
повышение  точности  и  производительности /1/. Для  этого  формообразующему 
инструменту сообщают подачу по программе, одновременно измеряют силы резания всех 
инструментов,  определяют  среднеарифметическое  значение  сил  резания  всех 
инструментов,  включая  формообразующий,  последним  назначают  радиальное 
перемещение в пределах общего припуска. 
 
Таблица 1 - Изобретения, наиболее близкие по технической сущности 
 
№ п/п 
Наименование изобретения 
Страна 
Год 
№ патента 
1 
Способ  механической  обработки  нежёстких 
деталей (В23 В1/00) 
RU 
1975 
484937 
2 
Устройство диагностики токарных станков по 
параметрам  точности  изготовляемой  детали 
(В23 Q15/007) 
RU 
2000 
2154565 
3 
Устройство определения погрешностей 
изготовления детали на токарном станке (В23 
В25/06) 
RU 
2002 
2190503 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
137
4 
Способ 
и 
устройство 
для 
обработки, 
оптимизирующей  форму  заготовки  (В23 
В1/00) 
DE 
2001 
19958616 
5 
Способ  токарной  обработки  длинномерных 
заготовок (В23 В1/00) 
JP 
1999 
2983050 
6 
Способ и станок для механической обработки 
длинномерных  прутковых  заготовок  (В23 
В1/00) 
US 
1998 
5758554 
7 
Резцедержатель  с  плавающим  роликом  и 
способ  токарной  обработки  длинномерных 
заготовок  с  помощью  этого  резцедержателя 
(В23 В1/00) 
US 
2001 
6182542 
8 
Способ  механической  обработки  нежестких 
деталей (В23 В1/100) 
RU 
1981 
880633 
9 
Устройство  для  механической  обработки 
поверхностей вращения детали (В23 В1/100) 
RU 
1998 
211089 
10 
Способ  диагностики  токарных  станков  по 
параметрам точности и устройство для него. 
RU 
1998 
2123923 
 
Недостаток  этого  способа  заключается  в  том,  что  радиальные  смещения  каждого 
резца  происходят  только  через  определённый  промежуток  времени  после  контроля  сил 
резания. Наличие указанного временного сдвига обусловлено тем, что система управления, 
включающая сумматор, блоки сравнения и блоки управления, а также приводы радиальных 
подач  имеют  конечное  быстродействие.  За  это  время  за  счёт  постоянного  продольного 
перемещения  многоинструментальной  головки  с  резцами  последние  успевают 
переместиться  в  осевом  направлении  относительно  обрабатываемой  детали.  Таким 
образом,  контроль  осуществляется  в  одном  сечении  детали,  а  обработка  с 
откорректированным  радиальным  положением  резцов  по  результатам  этого  контроля  в 
другом  месте,  сдвинутом  в  осевом  направлении  по  траектории  движения  резцов.  За  счет 
этого точность обработки детали при реализации данного способа невелика. 
Технической  задачей  устройства  диагностики  токарных  станков  по  параметрам 
точности  изготовляемой  детали  (рисунок 2) является  совмещение  процесса  изготовления 
детали  и  процесса  диагностики,  упрощение  системы  измерения  и  обработки  первичной 
информации /2/. Технический  результат  в  устройстве  (рисунок 2) достигается  за  счет 
использования  более  рационального  способа  измерения  взаимных  перемещений 
формообразующих элементов токарного станка что, в конечном счете, и определяет форму 
детали и ее показатели точности. 
К  недостаткам  данного  способа  следует  отнести  то,  что  он  позволяет  производить 
только  диагностику  точности  детали  после  её  обработки  и  не  позволяет  повысить  эту 
точность в процессе обработки до требуемой величины. 
 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
138
 
 
Рисунок 1 - Способ механической обработки нежестких валов 
 
В  способе  диагностики  токарных  станков  по  параметрам  точности  (рисунок 3) 
задачей  является  повышение  точности  измерений,  а  также  расширение  технических 
возможностей при диагностике обработки на токарном станке по параметрам точности /3/. 
Технический  результат  в  способе  диагностики  обработки  на  токарном  станке  по 
параметрам  точности  достигается  тем,  что  задний  конец  шпинделя  соединяют  с 
отметчиком  угла  его  поворота,  а  на  переднем  конце  шпинделя  устанавливают  оправку, 
которую  обрабатывают  резцом  по  выбранным  режимам  резания.  При  этом  на  станине 
станка  предварительно  закрепляют  микрометрическую  линейку  и  две  пары  датчиков 
перемещения,  которые  размещают  в  двух  поперечных  сечениях  оправки,  а  на 
резцедержавке  устанавливают  дополнительную  пару  датчиков  перемещения  вершины 
резца, связанных с микрометрической линейкой. В каждой из трех указанных пар датчики 
перемещения располагают под углом 90° относительно друг друга. 
К недостаткам технического решения следует отнести то, что диагностика обработки 
на токарном станке производится перед изготовлением детали, для чего после регулировки 
положения 
всех 
датчиков 
и 
настройки 
аппаратуры 
производится 
процесс 
диагностирования, который по продолжительности составляет несколько секунд. Сам же 
процесс  установки  устройства  диагностики  на  станке  и  разборка  его  после  испытаний 
составляет  по  продолжительности  не  менее 2 часов.  Естественно  в  это  время  станок  не 
изготавливает  детали,  что  снижает  общую  производительность  станка.  Другим 
недостатком  известного  технического  решения  является  его  сложность.  Большое 
количество  датчиков  и  деталей  для  их  установки  требует  значительных  экономических 
затрат, а большое количество информации осложняет ее обработку. 
Аналогичные  недостатки  имеют  представленные  в  таблице 1 другие  способы 
обработки  нежестких  валов,  т.е.  в  них  не  решаются  те  задачи,  которые  были 
сформулированы выше. 
 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
139
 
 
Hисунок 2 - Cхема устройства 
 
 
 
Hисунок 3 - Cхема способа 
 
После  изучения  процессов  и  основных  элементов  адаптивной  системы 
управления /4/, разработана  принципиальная  схема  адаптивной  системы  управления, 
представленная на рисунке 4. 
Устройство  работает  следующим  образом.  Обработка  детали 4 производится 
обычным  способом.  Чувствительный  наконечник  бесконтактного  датчика 6 
взаимодействует с неподвижной основой станка. С него постоянно снимается информация 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
140
о  величине  отжатия  резца.  Этот  сигнал  усиливается  усилителем 7, а  в  интерфейсе 3 
преобразуется  в  двоичный  код  и  поступает  в  компьютер 2, где  заранее  заложена 
информация  о  требуемых  геометрических  размерах  и  физических  свойств  материала 
детали.  Полученный  в  результате  виртуальный  геометрический  образ  сравнивается  в 
компьютере 2 с  требуемыми  размерами  и  в  случае  их  расхождения  формируется 
программа  локальных  поперечных  перемещений  резца  по  длине  детали 4. После  этого 
компьютер 2 даёт  команду  на  повторную  обработку  детали 4, после  чего  весь  процесс 
обработки и контроля повторяется. Это осуществляется тем, что сигнал рассогласования 
поступает  из  памяти  компьютера 2 на  интерфейс 3, где  преобразуется  в  аналоговый 
сигнал, воздействующий на электромагнит 11. В этом случае золотник 9 смещается вдоль 
своей оси, пружина 10 сжимается и тем самым уменьшается кольцевая щель h. Для масла, 
поступающего  из  гидравлического  насоса 1, закрывается  свободный  проход  в  силовой 
цилиндр 8, на котором расположен суппорт с резцом 5. 
Таким  образом,  поперечная  подача  резца  изменяется.  При  этом  контроль  точности 
изготовляемой  детали  повторяется  и  при  необходимости  компьютер 2 снова  формирует 
программу  локальных  перемещений  резца  и  даёт  повторную  обработку,  и  контроль 
точности изготовляемой детали повторяется. 
Основные  элементы  системы: 1 - гидравлический  насос; 2 – компьютер  с 
микропроцессором; 3 – интерфейс; 4 – обрабатываемая деталь; 5 – суппорт с резцом; 6 – 
индуктивный  датчик  для  измерения  упругих  перемещений; 7 – усилитель; 8 – силовой 
цилиндр; 9 – регулятор  расхода; 10 – регулируемый  клапан; 11 – электромагнит; 12 – 
предохранительный клапан с переливным золотником. 
 
 
 
Рисунок 4 -  Принципиальная схема двухконтурной адаптивной системы для 
обработки нежестких валов на токарном станке  
 
Указанная  задача  достигается  тем,  что  в  способе  механической  обработки  деталей  на 
токарном  станке,  включающий  механическую  обработку  детали  резцом,  одновременно 
проводится  контроль  получаемых  поперечных  размеров.  Значения  полученных  размеров 
заносятся в память компьютера для компьютерной обработки экспериментальных данных 
и построения виртуального геометрического образа детали. В компьютер предварительно 
закладывают  информацию  о  требуемых  геометрических  размерах  и  фактических 
физических свойствах материала детали. Полученный геометрический образ сравнивается 
в компьютере с заданными размерами и в случае их расхождения компьютер формирует 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
141
программу локальных поперечных перемещений резца по длине детали и даёт команду на 
её  повторную  обработку,  после  чего  весь  процесс  обработки  и  контроля  точности 
изготовляемой детали повторяется. 
 
Качественный  результат  достигается  за  счёт  того,  что  в  предлагаемом  способе 
обработки  обеспечивается  обратная  связь  между  параметрами  резания  (величиной 
радиальной  подачи  и  скоростью  продольного  перемещения  резца)  и  геометрическими 
размерами обрабатываемой детали. Тем самым, за счёт совмещения процесса обработки и 
диагностики  размеров,  обеспечивается  возможность  обработки  деталей,  в  том  числе 
нежёстких, с любой заданной степенью точности. 
Выводы 
Разработанная  двухконтурная  адаптивная  система  к  обычным  станкам  токарной 
группы  эффективно  решает  качественную  обработку  нежестких  валов  и  при  этом  не 
требуется выполнение большого объема работ по повышению жесткости технологической 
системы:  станка,  приспособления,  инструмента,  качественного  изготовления  их, 
жесткости заготовок путем приложения дополнительных опор. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
1.  Пат. 484937 СССР.  Способ  механической  обработки  нежёстких  деталей  /Яцкевич  А.А.; 
опубл. 12.03.76, Бюл.№12, 2 с. 
2.  Пат. 2154565 РФ.  Устройство  диагностики  токарных  станков  по  параметрам  точности 
изготовляемой детали /Шебашов В.П.; опубл. 21.05.2001, Бюл.№15, 2 с. 
3.  Пат. 2112923 РФ.  Способ  диагностики  токарных  станков  по  параметрам  точности  и 
устройство для него /Горохов В.С.; опубл. 15.06.1999, Бюл.№18, 3 с. 
4.  Адаптивное управление станками. /Под ред. Б.С. Балакшина М., Машиностроение, 1997, 
397с. 
 
УДК 681.51:621.91 
 
Усупов Сабий Сейтказиевич - к.т.н., доцент (Алматы, КБТУ) 
 
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ДВУХКОНТУРНОЙ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ 
УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ  
 
В  машиностроительных  предприятиях  эксплуатируется  огромный  парк 
металлорежущих  станков,  не  имеющих  программного  управления,  на  которых 
обработка  нежестких  валов  является  проблемной  задачей.  Для  решения  данной 
проблемы в работе предложена новая автоматическая системы управления режимами 
обработки таких изделий /1/. 
Для    разработки  структурной  схемы  данной  системы  необходимо  определить 
передаточные функции всех её элементов. Под передаточной функцией любого элемента 
/2/, понимают отношение его выходного параметра в изображениях Лапласа к входному, 
тоже представленного в изображениях Лапласа при нулевых начальных условиях. 
1. Передаточная функция регулятора расхода (золотник - электромагнит), структурно 
представляется в виде: 
 
Используя  принцип  Д’Аламбера,  уравнение  динамики  регулятора  расхода  можно 
записать в виде 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
142
                                                    
ch
dt
dh
dt
h
d
m
R
2
2
ЭМ
+
ϑ
+
=
                                                      (1) 
 
Если  преобразовать  дифференциальное  уравнение (1) с  введением  обозначений:  
c
m
T
m
=
 - механическое постоянное время; 
m
cT
2
V
=
ξ
 - коэффициент относительного демпфирования; 
1/с = К
ЭМ
 – коэффициент усиления, то оно преобразуется в следующий вид: 
 
ЭМ
ЭМ
m
2
2
2
m
R
K
h
dt
h
d
T
2
dt
h
d
T
=
+
ξ
+
,    (2) 
)
p
(
R
K
)
1
p
T
2
p
T
)(
p
(
h
ЭМ
ЭМ
m
2
2
m
=
+
ξ
+
, 
 
 
 
 
1
p
T
2
p
T
К
)
p
(
R
)
p
(
h
)
p
(
W
m
2
2
m
ЭМ
ЭМ
3
+
ξ
+
=
=
, 
   (3) 
 
2. Расходная характеристика регулятора. 
В связи с тем, что к регулятору расхода параллельно подключен редукционный 
клапан /1/, перепад давления на нем будет постоянным и независимым от нагрузки в 
силовом цилиндре. 
Расход жидкости через регулятор выравнивается следующей зависимостью /3/: 
 
h
)
p
p
(
g
2
d
Q
н
⋅
−
γ
μπ
=
, 
                                        (4) 
 
где   μ – коэффициент расхода, μ = 0,6; d – диаметр золотника; g – ускорение свободного 
падения; γ – удельный вес жидкости; р
н 
- давление насоса, считаем  р
н
= const; р – давление 
в силовом цилиндре; 
h – величина открытия рабочего окна щели. 
const
p
p
p
Н
=
−
=
Δ
, 
следовательно 
 
                         
 
h
К
Q
З
=
, 
     
 
 
         (5) 
где  
p
g
2
d
К
З
Δ
γ
μπ
=
 - коэффициент усиления регулятора расхода.  
Структурно можно записать: 
 
 
3.Силовой цилиндр, как известно, может быть представлен апериодическим звеном 
второго порядка при учете сжимаемости рабочей жидкости, структурно имеет вид: 
4. 
 
 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
143
где    К
сц
 – коэффициент усиления силового цилиндра;  Т
2
  и  Т
1
 – постоянные  времени 
силового цилиндра. 
4. Передаточная функция суппорта (подача – сила резания). 
)
p
(
S
)
р
(
P
)
p
(
W
рез
суп
=
, 
где 
Kp
V
S
t
С
P
Пр
Ур
Хp
p
рез
=
,   
Структурно  имеет вид: 
 
 
5.  Перемещение  инструмента  под  действием  силы  резания  структурно 
представляется: 
 
)
р
(
P
)
p
(
)
p
(
W
рез
g
f
=
, 
 
Прогиб детали определяется по формуле: 
 
ЕJ
70
Р
3
у
l
=
f
,   
 
 
 
 
 (6) 
 
где Р
у
 – радиальная составляющая силы резания. 
6. Передаточная функция индуктивного датчика в связи с тем, что её инерционность 
мала  по  сравнению  с  более  инерционными  элементами  системы:  силовой  цилиндр, 
регулятор расхода, может быть представлена как идеальное звено. 
)
p
(
K
)
p
(
U
g
g
f
=
, 
где К
g
 –коэффициент усиления датчика. 
Структурно представляется: 
 
 
7.  Аналогично  по  тем  же  соображениям  представляется  передаточная  функция 
усилителя: 
)
p
(
U
K
)
p
(
U
g
yc
у
=
, 
где Кус –коэффициент усиления усилителя. 
Структурно представляется: 
 
 
После установления передаточных функций элементов системы, представим полную 
структурную схему системы на рисунке 1. 

ҚККА Хабаршысы № 1 (50), 2008 
 
 
144
 
 
 
Рисунок 1 - Структурная схема двухконтурной адаптивной системы управления 
режимами работ станка 
 
Определим  зависимость  изменения  подачи  от  выходного  напряжения  с  интерфейса 
U
вых. 
Основной технической характеристикой, выбранного в данной работе, интерфейса, 
является его выходное напряжение U
вых
: 5В, 6В, 9В, 12В, 15В, ...  
Так как соединение последовательно, то U = U
0
 + U
вых
,  
где U
0
- питающее напряжение, U
0
 = 220 В. 
Сила электромагнита определяется по формуле: 
 
0
2
p
м
/
э
2
/
S
B
R
μ
=
, 
     
 
 
 
(7) 
 
где μ
0
 - магнитная постоянная, μ
0
 = 1,256· 10
3
 Гн/мм; В
р
 – индукция в рабочем зазоре; 
2
2
14
,
3
4
/
4
14
,
3
4
/
мм
d
S
=
⋅
=
=
π
. 
Подставляя все известные значения, получим  
 
.
U
039
,
0
)
10
256
,
1
2
/(
)
U
14
,
3
14
,
3
(
R
3
м
/
э
=
⋅
⋅
⋅
⋅
=
.  
(8) 
 
В тоже время противодействующая сила электромагниту определяется по формуле: 
 
h
c
R
м
/
э
Δ
⋅
=
,   
 
 
 
          (9) 
 
где с - жёсткость пружины, была выбрана с = 32,97 Н/мм
2
 , тогда  R
э/мJ
=32,97∆h. 
Решая совместно уравнения (8) и (9)  получаем зависимость: 
 
∆h = 0,039U/32,97 = 0,001183·U 
 

жүктеу/скачать 5,12 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: