Структура динамической системы станка

Основными элементами динамической системы станка являются уп­ругая система и рабочие процессы, протекающие в зоне контакта инс­трумента и заготовки или в подвижных соединениях узлов станка.

Упругая система (УС) включает в себя станок, приспособление, инструмент, деталь и представляет собой силовой контур, восприни­мающий нагрузки, возникающие в том или ином рабочем процессе. Если рассматривать УС как элемент динамической системы станка, то вход­ным параметром этого элемента является силовое воздействие рабоче­го процесса, а выходным – упругая деформация несущей системы.

Рабочие процессы, протекающие в подвижных соединениях элемен­тов УС (в том числе «подвижное соединение» инструмент ‑ деталь в зоне резания), оказывают силовое воздействие на УС. Воздействия на УС вызывают смещения ее конструктивных элементов, т.е. изменяют взаимное положение деталей, образующих подвижное соединение (инс­трумента и заготовки, суппорта и направляющих, ротора и статора и т.д.), в котором протекает рабочий процесс. Смещение конструктив­ных элементов УС приводит к изменению сечения срезаемого слоя, нормального давления на поверхностях трения, скорости движения и т.п. Следовательно, входным параметром рабочего процесса как эле­мента динамической системы станка является деформация УС, а выход­ным – сила резания или трения, крутящий момент двигателя, коли­чество выделяемого тепла и т.д.

Различают три основных вида рабочих процессов: резание, тре­ние и процессы в двигателях.

Процесс резания (ПР) представляет собой процесс пластического деформирования обрабатываемого материала с образованием стружки. Его динамические свойства определяются сечением срезаемого слоя, механическими свойствами обрабатываемого материала, режимами реза­ния и геометрией инструмента. С точки зрения динамики ПР оказывает влияние, в первую очередь, на виброустойчивость станка.

Процесс трения (ПТ) возникает в соединении «ползун ‑ направляющие» и в зависимости от вида трения (скольжения или качения) сопровождается в той или иной степени упругой деформацией контактируемых поверхностей, гидродинамическим и тепловым эффектами, нестабильностью коэффициента трения. ПТ влияет на плавность перемещения узлов станка и, следовательно, на точность обработки.

Процессы в двигателе (ПД) характеризуются электромагнитными (гидравлическими) явлениями, происходящими в электро- или гидропри­воде станка и оказывают влияние на устойчивость движения рабочего органа в заданном диапазоне скоростей и характеристики привода в режиме разгона или торможения.

Динамическая система станка образуется совокупностью упругой системы и рабочих процессов в их взаимодействии: деформация УС приводит к изменению параметров рабочих процессов (ПР, ПТ, ПД), а те, в свою очередь, силовым или температурным воздействием на УС приводят ее в новое состояние и т.д.

Динамическую систему станка можно изобразить условно в виде замкнутой многоконтурной системы (рис. 1), состоящей из отдель­ных элементов (УС, ПР, ПТ, ПД), соединенных связями упругих дефор­маций (y₁, у₂, у₃) УС и силовых воздействий (Р, F, М) рабочих про­цессов. Кроме того, на элементы динамической системы оказывают влияние внешние воздействия: f(t) – на УС (силы инерции неуравно­вешенных движущихся деталей и узлов, силы веса узлов и заготовки, толчки и колебания извне и т.п.).

Рис. 1. Замкнутая динамическая система

Основными особенностями динамической системы станка, которые следует учитывать при анализе взаимосвязи УС с рабочими процесса­ми, являются:

а) связи между элементами системы – направленные;

б) взаимодействия между рабочими процессами – только через упругую систему.

В практике часто рассматривают только воздействие рабочих процессов на УС, пренебрегая обратным воздействием. Для решения некоторых задач это допустимо, однако в большинстве случаев дина­мическая система станка должна рассматриваться как замкнутая с оценкой степени влияния того или иного элемента на поведение сис­темы. При незначительном влиянии какого-либо из рабочих процессов на показатели динамического качества станка им можно пренебречь.

Учитывая замкнутость динамической системы станка и характер взаимодействия ее элементов, правомерно использовать для ее иссле­дования терминологию и формальные методы теории автоматического управления. Применение этой теории позволяет сделать глубокий ана­лиз динамического качества станка как в процессе его проектирова­ния, так и при эксплуатации.

При решении ряда практических задач не всегда целесообразно рассматривать многоконтурную динамическую систему станка, а рассматривать только наиболее влиятельные связи. Это обстоятельство позволяет перейти к эквива­лентной динамической системе станка как одноконтурной замкнутой системе.

Существуют три основных типа эквивалентных систем, позволяю­щих решить подавляющее большинство практических задач динамики станков.

Первая эквивалентная система (рис. 2, а) удобна при решении задач, связанных с выбором или расчетом привода и изучением его влияния на работу станка. Кроме элемента ПД, система включает эле­мент «эквивалентная упругая система» ЭУС, объединяющий УС, ПР и ПТ с их связями. Силы резания и трения входят в ЭУС как начальные условия. В теории приводов подобный элемент известен под наз­ванием «механическая система».

Вторая эквивалентная система (рис. 2, б) используется при решении задач, связанных с анализом и расчетом условий трения в направляющих или подшипниковых узлах станка. Обычно эти задачи ре­шаются применительно к холостому ходу станка. Тогда эквивалентный элемент системы ЭУС объединяет УС, ПД и ПР. Силы резания и крутящий момент двигателя входят в ЭУС как начальные условия. При исследовании плавности движения узлов при резании в ЭУС включается и ПР.

Третья эквивалентная система (рис. 2, в) применяется при анализе или расчете условий резания, например, при решении технологи­ческих задач, связанных с обработкой деталей на станке. Очевидно, такая система в качестве основного учитывает фактор точности обра­ботки, важность которого переоценить трудно. Эквивалентный элемент системы ЭУС, кроме УС, включает в себя ПТ и ПД. Силы трения и крутящий момент двигателя входят в ЭУС как начальные условия.

Рис. 2. Эквивалентные динамические системы

В зависимости от условий исследования эквивалентный элемент ЭУС можно упростить, приняв во внимание только упругую систему УС, и получить результаты с достаточной для практических целей точ­ностью.

Эквивалентные динамические системы раскрывают условность по­нятий об элементе и системе. В действительности каждый основной элемент сам является сложной системой со своими внутренними связя­ми, которые определяют динамические свойства этого элемента.