SU1335415A1 - Method of compensating for elastic deformation of production system - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области машиностроени  и может быть использовано при обработке на металлорежущих станках в услови х пониженной жесткости технологической системы. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и производительности обработки за счет быстродействи  компенсации несущих деформаций технологической системы. Расчетом определ ют изгибную жесткость технологической системы, а также положение центра т жести шпиндел , его массу и момент инерции. Полученные данные занос т в микроЭВМ. Измер ют реакции опор шпиндел , пространственное положение оси шпиндел , результаты преобразуют в цифровую форму и ввод т в микроэвм. Рассчитывают радиальное смещение центра т жести шпиндел . По трем последовательным значени  датчиков положени  оси шпиндел  вычисл ют ускорение центра т жести шпиндел , рассчитывают силу резани  и запоминают ее до следующего измерени . Затем вычисл ют вели- .чину упругих деформатщй и величину угла -поворота оси шпиндел  дл  компенсации упругих деформаций. Полученные результаты вычислений преобразуют и используют дл  управлени  положением оси шпиндел . 5 ил. (Л 00 САЭ СП 4;ibThe invention relates to the field of mechanical engineering and can be used for processing on metal-cutting machines in conditions of reduced rigidity of the technological system. The aim of the invention is to improve the accuracy and productivity of processing due to the speed of compensation of the bearing strains of the technological system. The calculation determines the flexural rigidity of the technological system, as well as the position of the center of gravity of the spindle, its mass and the moment of inertia. The obtained data is entered into the microcomputer. The reactions of the spindle supports, the spatial position of the spindle axis, are measured, the results are digitized and entered into microelectronics. Calculate the radial displacement of the center of the body t spindle. Three consecutive values of the spindle axis position sensor values calculate the acceleration of the center point of the spindle weight, calculate the cutting force and memorize it until the next measurement. Then, the value of the elastic deforma- tion and the angle of rotation of the spindle axis are calculated to compensate for the elastic deformations. The results of the calculations are converted and used to control the position of the spindle axis. 5 il. (L 00 SAE SP 4; ib

Description

1313

Изобретение относитс  к машиностроению и может быть использовано при обработке на металлорежущих станкам в услови х пониженной жесткости технологической системы (системы СПИД).The invention relates to mechanical engineering and can be used in the processing of metal-cutting machines in conditions of reduced rigidity of the technological system (the AIDS system).

Цель изобретени  - повьшение точности и производительности обработки за счет быстродействи  компенсации .упругих деформаций и технологической системы.The purpose of the invention is to increase the accuracy and productivity of processing due to the speed of compensation of elastic deformations and the technological system.

На фиг.. 1 приведено шпиндельное устройство, реализующее способ, общий вид;, на фиг. 2 - передн   опора шпин- дел , разрез; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - гидравлическа  схема шпиндельных опор; на фиг. 5 - структурна  схема электронной- части устройства, осуществл ющего -способ. In Fig. 1 shows a spindle device that implements the method, a general view ;, in Fig. 2 - front spindle bearing, slit; in fig. 3 shows section A-A in FIG. 2; in fig. 4 - hydraulic scheme of spindle bearings; in fig. 5 is a block diagram of the electronic part of the device implementing the method.

Станок содержит корпус передней бабки 1, шпиндель 2, корпус задней опоры 3 шпиндел , корпус передней опоры 4 шпиндел , пропорциональные регул торы 5-8 потока, четыре ши- бера 9, восемь пружин .10, торцовые уплотнени  11 и 12 передней опоры, а устройство дл  осуществлени  способа содержит датчики 13 - 16 положени  шпиндел , включенные в указан- ном пор дке попарно в дифференциальные измерительные мосты 17 и 18, датчики 19-22 разности давлений, включенные соответственно в измерительные мосты 23 - 26, аналого-циф- ровые преобразователи (АЦП) 27 - 32, микроэвм 33, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 34 и 35, инвертирующие усилители 36 и 37, неинвертирующие усилители 38 и 39. . The machine includes the body of the headstock 1, the spindle 2, the case of the rear support 3 spindles, the case of the front support 4 spindles, proportional flow controllers 5-8, four spiers 9, eight springs .10, front seals 11 and 12 of the front support, and The device for implementing the method contains sensors 13 - 16 of the spindle position, connected in pairs in differential order measuring bridges 17 and 18, differential pressure sensors 19-22, included in measuring bridges 23 - 26, analog-to-digital converters (ADC) 27 - 32, microcomputer 33, qi roanalogovye converters (DACs) 34 and 35, inverting amplifiers 36 and 37, non-inverting amplifiers 38 and 39.

Способ реализуетс  следующим образом .The method is implemented as follows.

Расчетом по известным формулам сопротивлени  материалов определ ют изгибную жесткость техлйлогической системы, а также рассчитывают положение центра т жести шпи.ндел ., его массу и момент инер ции. Полученные значени  занос т в пам ть микроЭВМ 33. Все последующие расчеты провод т в микроэвм 33. Датчиками 19-22 разности давлений, включенные в мосты 23 - 26, измер ют реакции в опорах шпиндел  2. Датчиками 13-16 положени , .включенными в мосты 17 и 18., измер ют пространственное положение оси шпиндел  в плоскости датчиков. Выходные сигналы измерительных мостов преThe flexural rigidity of the technical system is calculated by the known resistance formulas of the materials, and also the position of the center of gravity of the spi.nedel, its mass and moment of inertia are calculated. The obtained values are stored in the memory of the microcomputer 33. All subsequent calculations are carried out in the microcomputer 33. The pressure difference sensors 19-22, included in bridges 23-26, measure the reactions in the spindle supports 2. Position 13-16 sensors included in bridges 17 and 18. measure the spatial position of the spindle axis in the plane of the sensors. Output signals from measuring bridges

152152

образуют в цифровую форму в МЩ 27 - 32 и ввод т в микроэвм 33.digitized in the MS 27 - 32 and entered into the microcomputer 33.

Рассчитьшают радиальное смещение центра т жести шпиндел  по формуле, полученной из пропорции перемещений в задней опоре и в плоскости датчиков положени , мкм:Calculate the radial displacement of the center of the body of the spindle according to the formula obtained from the ratio of displacements in the rear support and in the plane of the position sensors, µm:

X(l)Dj(l)-K + X(l) )- KjX (l) Dj (l) -K + X (l)) - Kj

X tl -X tl -

Li+4 Li + 4

где Dj и Xrt - выходные сигналы измерительных мостов датчиков давлени  задней опоры и датчиков положени  соответственно. В; L - рассто ние от центраwhere Dj and Xrt are the output signals of the measuring bridges of the pressure sensors of the rear support and the position sensors, respectively. AT; L - distance from center

т жести шпиндел  до геометрического центра задней опоры, мм; L - рассто ние от центра т жести шпиндел  до центра симметрии датчи- . ков по.пожени , мм; К и К, - коэффИ1щенты чувствительности измерительных мостов давлени  и положени  соответственно, мкм/В; I - индекс.the tin of the spindle to the geometric center of the rear support, mm; L is the distance from the center of the body of the spindle to the center of symmetry of the sensors. forged burners, mm; K and K, - coefficients of sensitivity of measuring bridges of pressure and position, respectively, µm / V; I is an index.

Измерени  и расчеты повтор ют периодически через промежутки времени, равные Т, причем Т составл ет не более 0,2 периода вращени  шпиндел . По трем последовательным значени м X вычисл ют ускорение центра т жести шпинде л , мкм/с :The measurements and calculations are repeated periodically at intervals equal to T, and T is not more than 0.2 of the spindle rotation period. For three consecutive values of X, calculate the acceleration of the center of gravity of the spindle l, µm / s:

2llil2lllU illIllXiIl2 Т Т 2llil2lllU illIllXiIl2 T T

А,(1-1)-A, (1-1) -

Затем рассчитьшают силу резани  на предьщущем такте по формуле, полученной в соответствии с законом Ньютона, Н;Then, the cutting force is calculated on the previous clock using the formula obtained in accordance with Newton's law, H;

Fp(I-1) М-А,(1-1) (I-2)+Dn(I-1)+Dn(l) 4;Оз(1-2)4-Вз(1-1)+Вз(1)15 ,Fp (I-1) MA, (1-1) (I-2) + Dn (I-1) + Dn (l) 4; Oz (1-2) 4-Sat (1-1) + Sat (1) 15,

где М - масса шпиндел  вместе с зажатым инструментом или деталью кг;where M is the mass of the spindle together with the clamped tool or part kg;

D - выходной сигнал измерительного моста датчиков давлени  передней опоры. В;D is the output signal of the measuring bridge of pressure sensors of the front support. AT;

Kj и коэффициенты пропорциональности ., Н/В.Kj and proportionality coefficients., N / V.

313313

Полученное значение силы резани  запоминают в микроЭВМ 33 до следующего оборота шпиндел ,The resulting value of the cutting force is stored in the microcomputer 33 until the next spindle revolution,

Гассчитывают величину упругих деформаций в нормальной к оси шпиндел  плоскости по формуле, мкм:Calculate the value of elastic deformations in the plane normal to the axis of the spindle by the formula, μm:

XV(I)F;,(I)/C,XV (I) F;, (I) / C,

где Fp(l) сила резани , вычислен- на  на предыдущем обороте дл  соответствующей точки , Н;where Fp (l) is the cutting force calculated on the previous revolution for the corresponding point, H;

С - жесткость всей технологической системы или ее су- щественно нежесткого элемента (деталь, концевой инструмент), Н/мкм. Все измерени  и вычислени  провод т в проекци х на два перпендикул р- ных друг другу и оси шпиндел  направлени . Таким образом определ ют направление упругих деформаций в нормальной к оси шпиндел  плоскости.C is the rigidity of the entire technological system or its essentially non-rigid element (part, end tool), N / μm. All measurements and calculations are carried out in projections onto two perpendiculars to each other and to the axis of the spindle direction. In this way, the direction of the elastic deformations in the plane normal to the spindle axis is determined.

Затем также в проекци х рассчиты- вают величину угла поворота оси шпиндел  дл  компенсации упругих деформаций по формуле, полученной из уравнени  равновеси  моментов сил и услови  полной компенсации упругих дефор- маций, рад:Then, in the projections, the magnitude of the rotation angle of the spindle axis is calculated to compensate for the elastic deformations using the formula obtained from the equilibrium equation of the torques and the condition for the complete compensation of the elastic deformations, I am happy:

10-210-2

tf4l) Fp(I)-K5+X,(l)J- -,tf4l) Fp (I) -K5 + X, (l) J- -,

33

где L. - рассто ние от центра т жести шпиндел  до точки резани , мм;where L. is the distance from the center of the body of the spindle to the point of cutting, mm;

К - коэффициент пропорциональности , завис щий от геометрических параметров и жесткости , наход щийс  в пределах 0,01-0,1 мкм/Н. Вьгаисл ют необходимьй дл  поворота на этот угол выходной сигнал по формуле , выведенной из предположени K is a proportionality coefficient, depending on the geometric parameters and stiffness, ranging from 0.01 to 0.1 µm / H. The output signal required to rotate through this angle was calculated using the formula derived from the assumption

равноускоренного смещени  шпиндел  под действием неуравновешенной с илы, .посто нной в течение времени Т, услови  полной компенсации упругих деформаций и учитывающей запаздьшание в цепи регулировани  давлени . В: uniformly accelerated displacement of the spindle under the action of unbalanced sludge, which is constant for a time T, the conditions for the complete compensation of the elastic deformations and taking into account the delay in the pressure control circuit. AT:

и(1)и(1-1)+к„ - р;(1)-(К5-к +and (1) and (1-1) + к „- р; (1) - (К5-к +

+Kg)+X(l) (2К,+Ь4-К„- К, )-Х(1-1)х (l) -(2Kg-L4-K9-K,, )-Вз(1-1) -Dn(l-l) -3Kj-X(l) -К, -ti- CD-L -K J ,+ Kg) + X (l) (2К, + Ь4-К „- К,) -Х (1-1) х (l) - (2Kg-L4-K9-K ,,) -Вз (1-1) -Dn (ll) -3Kj-X (l) -K, -ti- CD-L -KJ,

где и(1-1) - выходной сигнал на предыдущем такте. В;where and (1-1) is the output signal at the previous clock cycle. AT;

5 five

5 о 5 o

5five

00

5five

00

5 five

L - рассто ние от центраL - distance from center

т жести шпиндел  до геометрического центра передней опоры, мм;the weight of the spindle to the geometric center of the front support, mm;

К - коэффициент, завис щий, от геометрических параметров и жесткости, наход щейс  в пределах 1,5-2,5; ,, ГН „ ГНТK is a coefficient depending on geometrical parameters and rigidity ranging from 1.5 to 2.5; ,, GN "GNT

, ,

коэффициенты, завис щие от геометрических параметров , жесткости и чувствительности измери- , тельных мостов;  coefficients depending on the geometrical parameters, stiffness and sensitivity of the measuring, body bridges;

К - коэффициент, учитывающий изменение объема карманов передней опоры при радиальном смещении гапиндел , измен ющийс  в пределах 500 - 5000 Н/мкм;K is the coefficient taking into account the change in the volume of the pockets of the anterior support at the radial displacement of the hapindle, varying within 500 to 5000 N / µm;

- коэффициент, учитывак ций запаздывание в цепи регулировани  давлени , по экспериментальным данным измен ющимис  в пределах 0,002-0,01 В/Н. Полученные в микроЭВМ 33 значени  и(1) дл  обоих перпендикул рных на- : правлений преобразуют в аналоговую форму в ЦАП 34 и 35 и подают на усилители 36-39, причем сигналы от обоих ЦАП в усилител х 36 и 37 инвертируют . Усиленные сигналы преобразуют пропорциональными регул торами 5-8 потока в попарно обратные друг другу изменени  давлени  в противолежащих карманах передней опоры и таким образом поворачивают ось шпиндел  относительно его опор на рассчитанньй угол if (l ) навстречу вектору упругих деформаций, компенсиру  последние. - coefficient taking into account the delay in the pressure control circuit, according to experimental data, varying in the range of 0.002-0.01 V / H. The 33 values and (1) obtained in the microcomputer for both perpendicular directions are converted to analog form in the DACs 34 and 35 and fed to amplifiers 36-39, and the signals from both DACs in amplifiers 36 and 37 are inverted. The amplified signals convert the proportional flow regulators 5-8 into mutually opposite pressure changes in the opposite pockets of the front support and thus rotate the spindle axis relative to its supports by the calculated angle if (l) opposite to the elastic deformation vector to compensate for the latter.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Способ компенсации упругих деформаций технологической системы при механической обработке, заключакицийс  в измерении угла поворота оси шпиндел  и регулировании давлени  в опорах шпиндел , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и производительности, определ ют жесткость технологической системы, положе 1335415A method for compensating the elastic deformations of a technological system during machining, consisting in measuring the angle of rotation of the spindle axis and regulating the pressure in the spindle bearings, characterized in that, in order to improve the accuracy and performance, the rigidity of the technological system is determined by putting 1335415 ние центра т жести, измер ют реак- вают величину и направление компен- ции в опорах шпиндел , пространствен- сирующей силы в плоскости, перпенди- ное положение оси шпиндел , ускорение кул рной оси шпиндел , с учетом изме- центра т жести шпиндел  и рассчиты- ренных величин.gravity center, measure the magnitude and direction of the compensation in the spindle supports, the spatial force in the plane, the perpendicular position of the spindle axis, the acceleration of the spindle's cooler axis, taking into account the spindle center weight measurement and - renny values. От регулfl- тора 6From controller 6 Кдлтчи и От некоей От насосаKdltchi and From some of the pump f f г Ьg b ff датчику 19ff sensor 19 Фиг f IFig f I }3,i5} 3, i5 На слибOn the stub А-А повернутоAa turned Фиг. 3 10FIG. 3 10 2020 фиг Лfig L фиг. 5FIG. five