POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie OB-7

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN Ćwiczenie OB-7 Temat: BADANIE UKŁADU NAPĘDU I STEROWANIA JEDNOSTKI OBRÓBCZEJ WIERTARSKIEJ Opracował: mgr inż. St. Sucharzewski Zatwierdzał: prof. dr hab. inż. F. Oryński Łódź, 2010

2 Temat ćwiczenia: Badanie układu napędu i sterowania jednostki obróbczej wiertarskiej Cel ćwiczenia: Ćwiczenie ma na celu poznanie przez studentów budowy i działania układu napędu posuwu i układu sterowania jednostki obróbczej wiertarskiej oraz praktyczne nastawianie wartości posuwu i badanie jej cyklu pracy Program ćwiczenia: Ćwiczenie obejmuje: 1. Poznanie budowy i działania układu napędu posuwu i układu sterowania jednostki obróbczej wiertarskiej. 2. Badanie wpływu zmiany obciążenia na wielkość posuwu Literatura Stawiarski D.: Urządzenia pneumatyczne w obrabiarkach i przyrządach. WNT, Warszawa WPROWADZENIE Jednostką obróbczą przyjęto nazywać zespół napędowo-posuwowy stosowany przy budowie obrabiarek zespołowych i automatycznych linii obrabiarkowych. Budowa zespołu napędowego do realizacji ruchu obrotowego wrzeciona jest we wszystkich jednostkach praktycznie jednakowa. Źródłem napędu jest silnik elektryczny, z którego napęd na wrzeciono przenoszony jest przekładnią zębatą lub pasową. Zespół posuwowy może być rozwiązany, jako: 1. Mechaniczny, w którym ruch posuwowy prostoliniowy jest realizowany następującymi mechanizmami: za pomocą krzywek, za pomocą przekładni koło zębate, zębatka, 2. Hydrauliczny. za pomocą przekładni śrubowej. 3. Pneumatyczny. 4. Pneumo-hydrauliczny. Typowym cyklem pracy ruchu posuwowego jednostki obróbczej jest szybki dobieg ruch roboczy szybkie wycofanie na pozycję startową.

3 2. PNEUMO-HYDRAULICZNE ZESPOŁY POSUWOWE 2.1. Zalety i wady zespołów pneumo-hydraulicznych W porównaniu z jednostkami z posuwem mechanicznym jednostki pneumohydrauliczne wykazują następujące zalety: umożliwiają bezstopniową zmianę wielkości posuwu roboczego, pozwalają w łatwy sposób uzyskiwać większe prędkości ruchu dobiegu i wycofania narzędzia, w łatwy sposób można nastawiać odcinki drogi ruchów roboczych i dobiegowych. W porównaniu z jednostkami realizującymi posuw hydraulicznie lub pneumatycznie, jednostki pneumo-hydrauliczne wykazują następujące zalety: odznaczają się prostszą budową i mniejszym ciężarem oraz nie wymagają osobnych urządzeń zasilających czynnikiem hydraulicznym, nastawione prędkości robocze wykazują większą stabilność w czasie pracy, gdyż temperatura oleju zmienia się w mniejszym stopniu. Do wad układu pneumo-hydraulicznego należy: ograniczona wartość siły posuwowej (wynika ze stosowanego ciśnienia powietrza w sieci zakładowej 0,4 0,6 MPa), konieczność wysokich wymagań odnośnie eksploatacji (uzupełnianie oleju, odpowietrzanie układu, uszczelnianie układu, wysoka jakość powietrza), stosunkowo mniejsze możliwe wartości maksymalnego przesuwu jednostki Budowa zespołów posuwowych Powietrze sprężone, dostarczane do cylindra pneumatycznego spełnia rolę nośnika energii, olej zaś znajdujący się w obwodzie hydraulicznym jest czynnikiem biernym, hamującym ruch tłoka. Układ taki wyposażony jest w elementy sterujące prędkością ruchu z możliwością realizacji określonych cykli obróbczych (najczęściej: szybki dobieg - ruch roboczy - szybkie wycofanie). Na rysunku 1. przedstawiono schematy różnych rozwiązań zespołów posuwowych pneumo-hydraulicznych. Zespół przedstawiony na rys. 1a. składa się z cylindra pneumatycznego 1, cylindra hydraulicznego 2 oraz zbiornika kompensacyjnego 3. Na tłoczysku cylindra hydraulicznego znajduje się nastawny zderzak 8 ustalający długość ruchu dobiegowego S. Sprężone powietrze wpływając przewodem 4 do cylindra 1 powoduje ruch tłoka w lewo (szybki dobieg). Od chwili, gdy połączone z tłoczyskiem cylindra 1 jarzmo 6 oprze się o nastawny zderzak 8, posuw tłoka w cylindrze pneumatycznym wywołuje równoczesny przesuw tłoka w cylindrze hydraulicznym 2 - cylindrze hamującym. Prędkość ruchu obu tłoków (prędkość ruchu roboczego) nastawiana jest zaworem dławiącym 7. W trakcie ruchu roboczego tłoczysko wychodzi na zewnątrz z cylindra hydraulicznego i dlatego niezbędne jest uzupełnienie objętości oleju w cylindrze, ze zbiornika kompensacyjnego 3. Z chwilą zasilenia cylindra pneumatycznego z przewodu 5 i połączenia z atmosferą przewodu 4

4 następuje przemieszczenie tłoka w cylindrze pneumatycznym w prawo - szybki powrót. Wycofujący się tłok w cylindrze pneumatycznym wycofuje również szybko tłok w cylindrze hydraulicznym. Olej przepływa z prawej komory tłoka do lewej przez zawór zwrotny. Rys.1. Uproszczone schematy funkcjonalne wybranych rozwiązań zespołów posuwowych pneumo-hydraulicznych Na rysunku 1b. przedstawiono zespół pracujący na podobnej zasadzie i mający tak samo oznaczone części składowe. Różnica polega na zastosowaniu obustronnego tłoczyska w cylindrze pneumatycznym. Dzięki temu cylinder hydrauliczny 2 posiada tłoczysko skierowane w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu roboczego. Takie rozwiązanie jest wygodniejsze, gdyż wystające tłoczysko cylindra hydraulicznego nie przeszkadza przy zabudowie cylindra pneumo-hydraulicznego z przodu.

5 Układ przedstawiony na rys.1c. zawiera dwa cylindry pneumatyczne 1 oraz centralnie umieszczony hamujący cylinder hydrauliczny 2. Zaletą tego rozwiązania jest odciążenie tłoczysk cylindrów pneumatycznych od momentu gnącego zaś jego wadą są znaczne wymiary gabarytowe. W przedstawionym rozwiązaniu ruch może odbywać się w obu kierunkach. Na rys.1d. przedstawiono rozwiązanie ze współśrodkowym, wewnętrznym hydraulicznym cylindrem hamującym. Zaletą tej konstrukcji jest niezwykle zwarta budowa oraz wyeliminowanie momentu gnącego na tłoczysku, pochodzącego od siły hamującej. Zasada pracy jest następująca. Przy zasilaniu prawej komory cylindra, tłok pneumatyczny 2 przemieszcza się najpierw szybko w lewo wraz z tłoczyskiem 3 należącym do siłownika hydraulicznego 4. Gdy przesuwny zderzak 5 oprze się o pokrywę cylindra 6 tłoczysko 1 zostaje zatrzymane, natomiast dalszy ruch tłoka pneumatycznego wymaga przetłoczenia oleju kanałem 7 w tłoczysku 4 z prawej komory cylindra hydraulicznego do lewej. Prędkość przepływu oleju, a co za tym idzie, prędkość ruchu roboczego nastawia się dławikiem 8. Przy wycofaniu tłoka w cylindrze pneumatycznym, tłoczysko 1 opiera się powierzchnią 9 o pokrywę cylindra, w wyniku czego zostaje wycofane do położenia wyjściowego. Wówczas przepływ oleju odbywa się przez zawór zwrotny 10. Zmiany objętości oleju przy pracy kompensuje przesuw tłoka 11. Zespół pneumo-hydrauliczny z dwoma pomocniczymi przekaźnikami ciśnienia przedstawiono na rys.1e. Zasilanie układu odbywa się przez doprowadzenie powietrza do prawej komory cylindra napędowego 1. W trakcie szybkiego dobiegu olej przetłaczany jest do przekaźnika 2. Ruch ten trwa do chwili aż tłok w przekaźniku oprze się o nastawny zderzak 3. W czasie ruchu roboczego olej przepływa zaworem dławiącym 4 do przekaźnika 5. Wycofanie tłoka w cylindrze napędowym, odbywa się przez napełnianie sprężonym powietrzem prawych komór w przekaźnikach 2 i 5. Zaletą układu jest prosta budowa podzespołów oraz duża ilości przetłaczanego oleju, co umożliwia uzyskanie czułej regulacji zwłaszcza istotnej dla uzyskania małych prędkości posuwowych. Wadą układu są znaczne wymiary gabarytowe oraz duża ilość uszczelnianych powierzchni (między olejem a sprężonym powietrzem) co powiększa groźbę zapowietrzania układu w czasie pracy Budowa jednostki obróbczej JWD-10 Omówione w poprzednim rozdziale rozwiązania zespołów posuwowych pneumohydraulicznych nie wyczerpują wszystkich spotykanych w praktyce przemysłowej konstrukcji. Na rysunku 2 przedstawiono cylinder pneumo-hydrauliczny w układzie szeregowym zastosowany w jednostce JWD-10. Na rys.2a przedstawiono w uproszczeniu rozwiązanie konstrukcyjne jednostki zaś na rys. 6.2b. schemat funkcjonalny zespołu posuwowego zachowując na obu rysunkach identyczność oznaczeń tych samych elementów.

6 Rys. 2. Budowa jednostki obróbczej JWD-10: a) schemat konstrukcyjny, b) schemat funkcjonalny Obroty z silnika 1 na wrzeciono robocze 2 przenoszone są za pośrednictwem pary kół zębatych 3 i 4.Cylinder hydrauliczny hamujący 5 umieszczono za cylindrem pneumatycznym 6 zaś tłoki obu cylindrów połączono wspólnym tłoczyskiem 7. Zespół pneumo-hydrauliczny realizuje ruch posuwowy w cyklu: szybki dobieg - ruch roboczy - szybki powrót. Szybki dosuw wrzeciennika 8 po prowadnicach 9 następuje po przesterowaniu zaworu 10 i doprowadzeniu powietrza do lewej komory cylindra pneumatycznego. Ruch posuwisty tłoka w prawo za pośrednictwem tłoczyska przeniesiony jest na wrzeciennik. W tym czasie olej znajdujący się po prawej stronie tłoka w cylindrze hydraulicznym 5 przepływa na lewą stronę przez zawór 11. Przesterowanie na ruch roboczy odbywa się mechanicznie po naciśnięciu listwy 12 na rolkę zaworu 11 powodując jego zamknięcie. Dalszy ruch w prawo odbywa się wolno a olej przepływa przez regulowany dławik 13 umożliwiający regulację prędkości przesuwu. Po skończeniu skrawania następuje przesterowanie zaworu 10 i doprowadzenie powietrza do prawej strony cylindra pneumatycznego. Wówczas olej z lewej strony tłoka cylindra hydraulicznego, poprzez zawór

7 zwrotny 14 szybko przepływa na prawą stronę tłoka, realizując w ten sposób szybkie wycofanie narzędzia. Do utrzymania pełnej objętości oleju w cylindrze hydraulicznym służy zbiornik wyrównawczy 15. Zaletą tego układu jest znaczna objętość przetłaczanego oleju umożliwiająca precyzyjne sterowanie ruchem z małymi prędkościami roboczymi. Wadą, są duże wymiary gabarytowe i konieczność stosowania dodatkowego układu sterującego do zamiany szybkiego dobiegu na ruch roboczy Parametry ruchu tłoka Danymi wyjściowymi do określenia wielkości cylindra napędowego są zazwyczaj: siła użyteczna (obciążenie) - P U zakres ruchu (skok) - s żądany czas ruchu tłoka - t charakter obciążenia (obciążenie na całej długości, na końcu skoku itp.) Równowagę sił działających na tłok w cylindrze pneumatycznym określa wzór: m T 2 d x T PU G p F R p F dt gdzie: m T 2 d x dt G P U T R P p 1 F F masa zredukowana na oś tłoczyska w cylindrze pneumatycznym przemieszczana w trakcie ruchu tłoka - przyśpieszenie ruchu tłoka - ciężar tłoka (uwzględniany przy pionowym położeniu cylindra) - obciążenie - siły tarcia w cylindrze pneumatycznym - suma oporów w cylindrze hydraulicznym i elementach układu sterowania hydraulicznego - ciśnienie w komorze napełnianej - ciśnienie w komorze opróżnianej - powierzchnia czynna tłoka od strony napełnianej - powierzchnia czynna tłoka od strony opróżnianej Z powyższego wzoru wynika, że wartość siły do realizacji ruchu tłoka w cylindrze musi być zawsze większa od wartości obciążenia P U. Dokładne omówienie problematyki doboru pneumatycznych elementów do układów napędowych jest przedmiotem ćwiczenia HP-12.

8 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Elementy regulacji ruchu posuwowego jednostki: 1 - dławik regulujący prędkość przesuwu, 2 - rolka odcinająca przepływ oleju przez zawór (przesterowanie szybkiego dobiegu na posuw roboczy), 3 - listwa przesuwna naciskająca rolkę (nastawienie długości skrawania), 4 - zderzak (listwa i mikrowyłącznik) sygnalizujący tylne położenie jednostki (sygnalizuje pozycję wyjściową - gotowość jednostki do rozpoczęcia kolejnego cyklu pracy), 5 - zderzak (listwa i mikrowyłącznik) przesterowujący ruch roboczy jednostki na szybkie wycofanie (koniec skrawania), 6 - obciążenie, 7 - zawór z manometrem Zadanie Zapoznać się z budową i elementami sterowania jednostki. 2. Nastawić wymaganą długość skrawania L (przesuw roboczy) za pomocą listwy 3 i zderzaka 5. Zadanie 2. Zbadać wpływ obciążenia jednostki siłą F na wielkość posuwu f dla różnych nastaw dławika i ciśnień zasilania (dla wartości podanych w karcie pomiarów): 1. Nastawić zaworem 7 ciśnienie zasilania 2. Nastawić dławik wg skali. 3. Obciążyć jednostkę. 4. Uruchomić jednostkę i określić wielkość posuwu f (mm/min) L f mm/min t dla ustawionej długości skrawania i zmierzonego czasu t trwania ruchu robo-czego. 5. Wyniki zestawić w tabelce 6. Wykonać wykresy zmiany wielkości posuwu f w funkcji w funkcji zmiennego obciążenia F oraz różnych nastaw dławika. 7. Opracować wnioski.