Понятие о кинематической группе

Каждое исполнительное движение в станках осуществляется кинематической группой. Структура кинематической группы может быть различной и зависит от характера осуществляемого движения, числа исполнительных органов, необходимости регулирования параметров движения.

Под исполнительными органами понимают подвижные конечные звенья кинематической группы, непосредственно участвующие в образовании траектории исполнительного движения. Исполнительные органы, осуществляющие абсолютное или относительное движение заготовки или режущего инструмента в процессе формообразования, называют рабочими. Например, рабочими органами являются такие звенья станка, как стол, шпиндель, суппорт, ползун и т.п.

В большинстве случаев исполнительные органы совершают вращательное или прямолинейное движение, т.е.являются подвижными звеньями вращательной или поступательной исполнительной кинематической пары (рис. 2.6).

В зависимости от числа исполнительных органов кинематические группы делятся на простые и сложные. Простые группы имеют один исполнительный орган, а сложные – два и более исполнительных органов.

Рассмотрим сложное двухэлементарное винтовое исполнительное движение формообразования, оно же – движение скорости резания Ф_v(В₁П₂), необходимое для нарезания фасонным резцом однозаходной цилиндрической резьбы. Для создания траектории этого движения (рис. 2.7) соединим подвижные звенья исполнительных пар шпиндель 1, несущий заготовку, и продольный суппорт 2, несущий резец, жесткой кинематической связью в виде штриховой линии 3 – 4. Эта связь, состоящая из последовательно соединенных а б

Рис. 2.6. Исполнительные кинематические пары:

а – вращательная корпус передней бабки 1 – шпиндель 2;

б – поступательная направляющие станины 1 – суппорт 2

 

передач, накладывает условия ограничения на шпиндель и суппорт, не позволяющие им занимать произвольные положения относительно друг друга и иметь произвольные скорости.

Рис. 2.7. Структурная схема винторезной кинематической группы

 

Кинематическая связь (кинематическая цепь), включая передачу винт – гайка 5, преобразующую вращательное движение в поступательное, соединяющая между собой шпиндель и продольный суппорт создает потенциальную возможность винтового движения. Для реализации этой возможности соединим произвольное промежуточное звено 6 кинематической связи 3 – 4, подобной кинематической связью 6 - 7 с источником энергии движения – электродвигателем М. При включении электродвигателя энергия движения по кинематической связи 7 - 6 будет сообщаться через звено 6 в кинематическую связь 3 – 4. Это вызовет вращение В₁ шпинделя и продольное перемещение П₂ суппорта. В итоге резец будет совершать относительно заготовки винтовое движение. При этом соотношение элементарных движений В ₁ и П₂ зависит только от передаточного отношения кинематической связи 3 – 4. Следовательно эта связь обеспечивает качественную характеристику движения Ф_v(В₁П₂), т.е. его траекторию. Будем называть кинематическую связь воспроизводящую траекторию исполнительного движения внутренней связью. Количественную характеристику исполнительного движения, т.е. его скорость обеспечивает кинематическая связь 7 – 6, соединяющая источник энергии с внутренней связью. Будем называть такую связь внешней связью. Внутренняя и внешняя связи имеют общее кинематическое звено 6. Будем называть его звеном соединения связей.

Совокупность источника энергии движения исполнительных пар, внутренней и внешней связей, называется кинематической группой с названием, соответствующим названию движения, которое создает эта группа.

Для возможности получения исполнительного движения с различными параметрами в кинематической группе используется необходимое количество специальных устройств, называемых в общем случае органами настройки. На структурной схеме такие органы настройки, как гитары сменных зубчатых колес и коробки скоростей, будем изображать ромбами, у которых заштрихованная часть указывает на фактическое направление передачи движения через орган настройки. Органы настройки, располагаемые во внутренней связи и служащие для настройки траектории исполнительного движения, будем обозначать символами i_x, i_y, i_z и т.д., а органы настройки, располагаемые во внешней связи – символами i_v, i_s, i_s1 и т.п. Органы настройки на направление исполнительного движения будем обозначать квадратом с двумя противоположно направленными стрелками. Органы настройки исполнительного движения на путь и исходную точку в большинстве случаев на структурных схемах не показывают так как регулирование этих параметров обычно осуществляются вручную или по упорам системы управления.

В рассматриваемой кинематической группе настройка на траекторию винторезного движения осуществляется двумя органами настройки: гитарой сменных зубчатых колес i_x (на шаг резьбы) и реверсом R₁ - на направление (правая или левая резьба). Параметр скорость исполнительного движения настраивается или коробкой скоростей, или гитарой сменных зубчатых колес i_v. Направление нарезания резьбы к передней бабки или от нее обеспечивается технологическим реверсом R₂. Настройка на путь осуществляется упорами, на продольном суппорте, расположенными на расстоянии L друг от друга, где L – длина заготовки, а на исходную точку – установкой этих упоров на размер H от характеристического образа инструмента (вершины резца) до первого упора, не изменяя относительного положения упоров.

В кинематическую группу входит передача винт – гайка 5. Ее функция – преобразование вращательного движения в поступательное. Подобную функцию в станках выполняет также зубчато – реечная передача. Механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное будем называть тяговым валом. Характеристика тягового вала, используемая при кинематических расчетах – есть величина поступательного перемещения ведомого звена этого механизма за один оборот его ведущего звена. Например, характеристика тягового вала винт – гайка равна шагу (ходу при многопроходной резьбе) передачи, а зубчато – реечной передачи равна πmz, где m – модуль передачи, z – число зубьев реечного колеса.

В рассмотренном примере структура кинематической группы описана на вербальном языке. Ее можно также описать на языке символов. При анализе (изучении) кинематической структуры станков использованию языка символов следует отдать предпочтение, так как это обеспечивает большую наглядность и компактность описания. Приведем описание рассмотренной кинематической группы на этом языке.

Внутренняя связь:

В₁ ← 1← 3 ← 6 → i_x → R₁ → 4 → 5 → 2 → П₂.

Внешняя связь:

М → 7 → R₂ → i_v → 6.

Разнонаправленные стрелки в описании внутренней связи показывают направление разветвление энергии движения после звена соединения связей 6 по обеим ветвям внутренней связи.

Рассмотренная кинематическая группа выполнена на основе механических связей между исполнительными органами. Однако изложенные закономерности ее синтеза и функционирования справедливы также и при использовании электронных связей на базе больших интегральных схем вместо механических между исполнительными органами. Рассмотрим сложное формообразующее движение Ф_v(В₁В₂), необходимое для воспроизведения профиля зубьев цилиндрического зубчатого колеса червячной фрезой. На рис 2.8 приведена схема взаимодействия исполнительных органов: шпинделя червячной фрезы 1 и делительного стола заготовки 2, имитирующая станочное зацепление. Оба исполнительных органа оснащены отдельными высокомоментными управляемыми электродвигателями постоянного тока соответственно М₁ и М₂. Функциональная (внутренняя) связь между исполнительными органами осуществляется системой отслеживающей синхронизации (показана двойной пунктирной линией), выполненной по схеме ведущая координата – ведомая координата. Связь механики с системой синхронизации обеспечивается посредством импульсных измерительных преобразователей 3 и 4, установленных соответственно на ведущей координате – шпинделе фрезу и на ведомой координате – делительном столе заготовки. Система синхронизации состоит из цепи 5 (электрический вал), выполняющей функцию внутренней связи группы (станочное зацепление), и цепи адаптации 6, обеспечивающей повышение точности функционирования группы посредством устранения девиации механики ведомого исполнительного органа. Выходы обеих цепей соединены с блоком 7 автоматического управления электродвигателя М₂ ведомой координаты – делительного стола.

Схема отслеживащей синхронизации (рис.2.9) содержит управляемый делитель частоты, состоящий из счетчика импульсов 1 и блока 2 установки коэффициента деления. Вход счетчика 1 соединен с импульсным измерительным преобразователем 3, установленном на шпинделе, а выход – с входом импульсно-аналогового преобразователя 3 и первыми входами знакового дискриминатора 4 и фазового дискриминатора 5. Вторые входы дискриминаторов 4 и 5 соединены с выходом счетчика 6, соединенного своим входом с импульсным измерительным преобразователем 4, установленном на делительном столе. Выход импульсно-аналогового преобразователя 3 соединен с первым входом сложения параллельного сумматора 7. Выход знакового дискриминатора 4 соединен с управляющими входами аналоговых ключей 8, управляемого отрицательным потенциалом, и 9, управляемого положительным потенциалом. Выход фазового дискриминатора 5 через импульсно-аналоговый преобразователь 10 соединен с аналоговыми входами ключей 8 и 9. Выход ключа 8 соединен с вторым входом сложения параллельного сумматора 7, а выход ключа 9 – с входом вычитания этого сумматора. Выход параллельного сумматора 7 соединен с блоком 7 (рис. 2.8) автоматического управления электродвигателем М₂ ведомой координаты – делительного стола. В качестве источника энергии для электродвигателя М₁ задающей координаты используется задатчик, выполненный в виде делителя напряжения.

 

Рис. 2.8. Схема кинематической группы обката с электрическим валом	Рис. 2.9. Блок-схема системы отслеживающей синхронизации

 

При наладке передаточное отношение червячная фреза – заготовка (параметр настройки “траектория”) задается блоком 2 установки коэффициента деления. Этот блок является аналогом гитары сменных зубчатых колес i_x, устанавливаемой во внутренней связи группы обката станка с механическими связями. Круговая подача (параметр настройки “скорость”) задающей координаты устанавливается посредством задания величины напряжения на выходе источника энергии электродвигателя этой координаты.

Система синхронизации работает следующим образом. При включении электродвигателя М₁ шпиндель 1 получает движение круговой подачи В₁. Одновременно импульсный измерительный преобразователь 3 (рис. 2.8) вырабатывает сигнал с частотой, пропорциональной круговой подаче В₁. Этот сигнал поступает на вход счетчика 1 управляемого делителя частоты, где происходит деление сигнала в соответствии с заданным на блоке 2 коэффициентом деления. Сигнал с выхода счетчика 1 преобразуется в импульсно-аналоговом преобразователе 3 в напряжение, пропорциональное частоте входного сигнала, и с его выхода поступает на первый вход сложения параллельного сумматора 7. С выхода этого сумматора задающий сигнал поступает в блок 7 автоматического управления электродвигателя М₂ ведомой координаты, который сообщает движение круговой подачи делительному столу. В результате такого прохождения сигнала от задающей координаты (шпинделя) к ведомой координате (делительному столу) обеспечивается профилирование зубьев нарезаемого колеса движением обката Ф(В₁ В₂).

Одновременно следующим образом осуществляется коррекция задающего сигнала, действующего на выходе параллельного сумматора 7, обеспечивающая устранение девиации механики ведомой координаты. На вход счетчика 6 поступает с импульсного измерительного преобразователя 4 (рис.2.8) импульсный сигнал – аналог круговой подачи движения В₂ делительного стола. Этот сигнал с выхода счетчика 6 поступает на вторые входы знакового 4 и фазового 5 дискриминаторов, у которых на первых входах действует задающий сигнал с выхода счетчика 1. В результате сравнения сигналов на выходе знакового дискриминатора образуется отрицательный потенциал при отставании делительного стола от заданного значения и положительный потенциал при его опережении. Этот потенциал поступает на управляющие входы ключей 8 и 9. Одновременно на выходе фазового дискриминатора образуется сигнал абсолютной погрешности, который после преобразования в аналоговую форму в импульсно-аналоговом преобразователе 10 поступает на аналоговые входы ключей 8 и 9. Этот сигнал поступает на параллельный сумматор 7 через один из ключей в зависимости от знака управляющего воздействия. При отставании делительного стола сигнал абсолютной погрешности поступает через ключ 8 на второй вход сложения параллельного сумматора, а при опережении этот сигнал поступает через ключ 9 на вход вычитания этого сумматора. В итоге в параллельном сумматоре происходит в зависимости от знака погрешности увеличение или уменьшение управляющего сигнала ведомой координаты, т.е. происходит его двухсторонняя непрерывная коррекция относительно номинального значения.

На рис. 2.10 показана структурная схема простой кинематической группы, воспроизводящей элементарное вращательное движение Ф_v (В₁), необходимое для образования образующей методом следа при токарной обработке. Внутренняя связь группы, воспроизводящая траекторию исполнительного движения, представляет собой элементарную вращательную пару

корпус 1 → шпиндель 2.

Внешняя связь группы – кинематическая цепь, связывающая электродвигатель со звеном соединения связей – шпинделем 2, т.е.

М → i_v → R → шпиндель (В₁),

где шпиндель 2 является звеном соединения связей.

Рис. 2.10. Структурная схема простой кинематической группы

 

Движение Ф_v (В₁) имеет замкнутую траекторию, поэтому настраивается только на два параметра: скорость – органом настройки i_v, направление - реверсом R.

В простых кинематических группах, имеющих один исполнительный орган и обеспечивающих вращательное или прямолинейное движение, нет необходимости в органе настройки на траекторию. Это связано с тем, что траектория движения в таких группах неизменна и обеспечивается характером соединения звеньев исполнительной кинематической пары, одним из которых является сам исполнительный орган.