43. Машины для нанесения штрихов с фотоэлектрическим контролем
На винтовых делительных машинах приходится нарезать длительное время шкалы одного размера, поэтому винт изнашивается только в определенном месте. Нарезание шкал другого размера на такой машине невозможна из-за больших местных ошибок, которые нельзя скомпенсировать коррекционным устройством. Основной причиной брака является непостоянство перемещения заготовки на шаг, точность которого определяется величиной погрешности микрометрической пары (винт — гайка) и динамическими процессами.
Ошибки в изготовлении микрометрической пары в какой-то мере можно компенсировать коррекционным устройством, а с динамическими ошибками очень трудно бороться. Они возникают вследствие изменчивости коэффициента трения при изменении скорости перемещения. Различие коэффициента трения, особенно при малых скоростях, приводит к скачкообразному движению стола делительной машины.
В высокоточных делительных машинах, служащих для нарезания прецизионных штриховых мер, применяют сложные конструкции столов, состоящих из двух частей, одна из которых относительно другой подвешена на эластичных пружинах. Каждая часть стола своей микрометрической парой приводится в движение от самостоятельного привода. В этих машинах для контроля й управления используют фотоэлектрические системы и системы с фотоэлектрическими микроскопами, а также с интерференционными и растровыми датчиками (табл. 5).
Таблица 5
Характеристики делительных машин
Автоматическая делительная машина с фотоэлектрической измерительной системой служит для нанесения штрихов через 1 мм с погрешностью ±0,5 мкм на заготовки длиной до 2000 мм. В машине фотоэлектрический микроскоп и резцовое устройство перемещаются на шаг нарезаемой штриховой меры, а для поперечного движения резца требуется отдельный привод. При нанесении штрихов осуществляется компарирование с образцовой шкалой, расположенной на столе машины в специальном приспособлении, позволяющем производить юстировочные движения при установке шкалы.
Делительная машина состоит из станины 15 (рис. 68), фотоэлектрической следящей системы, приводного устройства 1 и механизма нанесения делений 3. Отличительной особенностью рассматриваемой машины является то, что грубые и точные перемещения при установке на штрих образцовой копируемой штриховой меры разделены и осуществляются от отдельных приводов.
Рис. 68. Принципиальная схема с фотоэлектрическим микроскопом
Фотоэлектрический микроскоп 6 и механизм нанесения делений располагаются на специальной каретке, которая с помощью микрометрической пары 11 и электромагнитной муфты 2 по сигналу от контактной группы грубо перемещается вдоль станины. Точная установка для совмещения центра штриха с оптической осью фотоэлектрического микроскопа обеспечивается малыми перемещениями рабочего стола 13 с помощью механизма точлой подачи, управляемого сигналами от микроскопа 6.
Рабочий стол с расположенными на нем образцовой штриховой мерой 12 и заготовкой 14 под нарезаемую шкалу подвешен к станине на плоских пружинах 7, что позврляет перемещать этот стол относительно станины на малые расстояния без трения. Механизм тонкой подачи состоит из серводвигателя 10, беззазорного механического 9 и гидравлического 8 приводов, которые жестко связаны с рабочим столом.
Тонкая подача рабочего органа осуществляется электродвигателем по сигналу с фотоэлектрического микроскопа. Если в поле зрения микроскопа попадает штрих, который не совпадает с центром колебания изображения щелевой диафрагмы, то в фотоприемнике благодаря свету, отраженному от поверхности штриха, появляются импульсы, расположенные на неодинаковом расстоянии относительно друг друга. Электронная схема 4 вырабатывает напряжение, пропорциональное величине смещения импульсов.
Это напряжение после усиления служит для управления двухфазным серводвигателем тонкой подачи, который будет через беззазорный редуктор перемещать рабочий орган до тех пор, пока не совпадет центр штриха с центром колебаний изображения щелевой диафрагмы. В момент их совпадения на фотоэлементе возникают импульсы тока, следующие один за другим через равные промежутки времени.
Для компенсации погрешностей образцовой шкалы служит специальное программное устройство 5, которое по заранее составленной программе, учитывающей погрешности образцовой штриховой меры, включает в цепь питания обмотки вибратора тарированное сопротивление, что приводит к смещению щели, а следовательно, к смещению оптической оси на величину погрешности интервалов штриховой меры. При программировании погрешностей необходимо учитывать влияние на амплитуду перемещения составляющей напряжения, возникающей при подключении сопротивления.
В машинах предусмотрено устройство, служащее для контроля постоянства температуры. Это устройство состоит из. кварцевых стержней, в концыкоторых упираются ножки оптиметров, закрепленных на рабочем столе. Стержни встроены в каретку и стол. Кварцевые стержни не изменяют своей длины при изменении температуры, в то время как размеры стола и каретки не остаются постоянными. Машину не включают до тех пор, пока показания оптиметров не будут одни и те же.
Последовательность работы элементов делительной машины напоминает последовательность работы поперечно-строгального станка. В этой машине резцовое устройство не включается в работу до тех пор, пока рабочий орган не установится таким образом, что центр штриха образцовой штриховой меры не совпадет с оптической осью фотоэлектрического микроскопа. Точное перемещение рабочего органа при новом цикле начинается из исходной позиции, поэтому в машине предусмотрено устройство, возвращающее верхний стол с заготовкой назад. Иногда перемещение стола начинается из позиции, в которой стол находился при нарезании предыдущего штриха, тогда грубое перемещение рабочего органа должно обеспечиваться с накопленной погрешностью не более ±30 мкм.
Тонкое перемещение рабочего органа, необходимое для совмещения центра штриха с осью сканирования фотоэлектрического микроскопа, обеспечивается оригинальным механизмом, показанным на рис. 69, а. Малые перемещения стола машины осуществляются серводвигателем 1 через механический 2 и беззазорный гидравлический 3 редукторы. Мембрана 4 гидравлического редуктора соединена со столом 5, на котором располагаются нарезаемая и образцовые мёры. При включении серводвигателя микрометрический винт перемещает шток гидравлического редуктора, вследствие чего мембрана изгибается, перемещая стол. Кроме того, в комплекте машины имеется рычажный механизм, обеспечивающий малую подачу стола для точной установки центра штриха образцовой меры по оптической оси фотоэлектрического микроскопа.
Рис. 69. Схема механизмов, обеспечивающих точное перемещение в машинах
В металлообрабатывающих станках и некоторых моделях делительных машин для осуществления малых перемещений с целью точной установки рабочего органа в заданной координате применяют магнитострикционные и упругосиловые приводы. Наибольшее распространение находит магнитострикционный привод. Он позволяет получить компактную конструкцию приводного устройства, дает возможность иметь жесткие системы приводной части машины и бесступенчатое регулирование скорости перемещения рабочего органа, в сочетании с устройствами автоматического контроля создает условия для автоматизации малых точных перемещений. Работа такого привода основана на продольном (линейном) магнитострикционном эффекте, т. е. на способности деталей из ферромагнитных материалов изменять свои размеры при колебании магнитного поля. Линейная магнитострикция называется положительной, если стержень удлиняется в направлении намагничивания, и отрицательной, если длина детали уменьшается. Значение магнитострикции зависит от материала и способа обработки детали и от напряженности магнитного поля. Чаще всего в магнитострикционных приводах используются детали из технического никеля и железокобальтового сплава марки К65.
Принципиальная схема (рис. 69, б) магнитострикционного привода, имеющего сердечник из сплава марки К65 с положительной магнитострикцией, состоит из стержня 6, зажимов 7 и 9, катушки 8 и рабочего органа 5. Стержень расположен между двумя зажимами таким образом, что в начальный момент зажим 7 включен, а зажим 9 выключен. На катушку подается напряжение, возникает магнитное поле, под действием которого удлиняется стержень на ДI. Затем включается зажим 9 и отключается зажим 7, напряжение с катушки снимается, после чего стержень принимает первоначальную длину. В дальнейшем цикл работы привода повторяется до тех пор, пока не будет установлен рабочий орган в заданной координате. Такой привод называется одношаговым так как за один цикл перемагничивания катушки рабочий орган перемещается на один шаг. Чаще встречаются магнитострикцион-ные двухшаговые приводы, в которых за один цикл рабочий орган перемещается на удвоенную длину. В таком приводе стерженй изготовляется йз никеля, а "ярмо — из сплава К65.
Катушки привода могут работать по разностному сигналу или По сигналу от специального устройства. Напряжение на катушку подаетсц от измерительной следящей системы или от блока заданий Программного устройства (рис. 69, в). Точная установка рабочего органа в заданной координате осуществляете от катнитОстрикционного Привода, помещенного между ними гайкой.
Недостаток этой машины заключается в том, что приходится перемещать такие чувствительные к колебаниям элементы, как фотоэлектрический микроскоп и резцовое устройство. Колебания фотоэлектрической измерительной системы и резца, возникающие в процессе их перемещения за счет изменчивости коэффициента трения, оказывают большое влияние на точность их установки относительно визируемой шкалы, а следовательно, на точнбеть деления. Кроме того, для перемещения резца & поперечном направлении необходимо иметь дополнительный привод, который закрепляется на столе грубой подачи, что является дополнительным источником виброобразования.
Для точной остановки рабочего органа производят торможение привода после подачи сигнала от датчика положения. Путь, проходимый рабочим органом после получения сигнала об остановке, неодинаков и зависит от погрешности датчика, скорости перемещения и массы рабочего органа й времени срабатывания элементов электрических схем. Суммарная ошибка системы точкой остановки в основном зависит от момента инерции привода, приведенной к валу двигателя, скорости перемещения рабочего органа и статического момента на валу двигателя. Следовательно, для повышения точности остановки необходимо изменять скорость. Иногда используют механический способ получения малых скоростей подхода к точке остановки рабочего органа. Для этого служит специальный редуктор, в котором при поступлении сигнала от фотоэлемента включаются добавочные зубчатые зацепления, что усложняет схему управления приводным устройством.
Метод уменьшения скорости перемещения рабочего стола в зоне остановки называется методом ползучих скоростей.
В последние годы наибольшее распространение нашел электрический способ получения ползучей скорости с использованием схем Одновременного питания статора двигателя постоянным и переменным напряжениями. Уменьшение скорости вращения двигателя происходит потому, что при питании двигателя переменным и постоянным напряжениями имеет место суммирование механических характеристик динамического торможения и естественной механической характеристики двигателя. Существует большое число схем получения ползучих скоростей.
Рассмотрим фазовые портреты схем наиболее часто встречаемых на практике систем получения ползучих скоростей (рис. 70). Команда на начало торможения, т. е. на уменьшение скорости перемещения, подается в точке 1 (рис. 70, а). Рабочий орган с этой скоростью будет перемещаться до тех пор, пока не будет дана команда на остановку. Машина снабжена специальной измерительной системой, постоянно подающей с датчика обратной связи сигнал о фактической скорости перемещения рабочего органа. Кривая изменения скорости перемещения, построенная по данным датчика, показана на рисунке штриховой линией.
Рис. 70. Фазовые параметры систем, служащих для получения ползучих скоростей
Можно отрегулировать момент включения тормозного устройства так, что рабочий орган остановится за точкой 0 (рис. 70, б). Тогда система управления в момент перехода через точку остановки должна подавать комайду на изменение направления вращения электродвигателя. При вращении двигателя в противоположном направлении рабочий орган на скорости vn подводится к точке остановки. Одновременно с датчика обратной связи поступает сигнал об остановке электродвигателя.
Иногда применяют системы, в которых подается команда на торможение и на переход на ползучую скорость не в точке 1, а в момент подхода к точке остановки (рис. 70, в). После получения ползучей скорости vni сигналом с позиции точной остановки датчиком обратной связи производится остановка двигателя. Такие системы применяют с оптико-механическими устройствами, при этом контроль перемещения осуществляется по образцовой шкале. На рис. 70, г показан фазовый портрет системы получения ползучей скорости с поиском на отключение. В данном случае рабочий орган несколько раз переходит позицию точной остановки. В момент первого перехода подается команда с датчика обратной связи на получение первой ползучей скорости vnl, а затем с точки остановки подается команда на реверсирование электродвигателя. Уменьшение скорости происходит путем подключения в схему добавочного сопротивления. После подхода с другой стороны к точке остановки подается сигнал с датчика на получение второй ползучей скорости vn2, а затем и третьей vn3. Такая схема подвода рабочего органа к точке остановки имеет малое быстродействие.
Схемы, реализующие получение ползучей скорости, позволяют останавливать рабочий орган в заданной координате с доводкой в прямом и обратном направлениях. Проще схемы с доводкой в противоположном направлении, когда в момент подачи команды на реверс на обмотку электродвигателя подается постоянное напряжение, с помощью которого производится комбинированное торможение.
В последние годы для изготовления штриховых мер стали широко использовать фотографические способы нанесения штриха с помощью мультипликатора или посадки фотошкалографа. При фотографическом способе нанесения штрихов вместо полного чертежа изображения, состоящего из множества повторяющихся элементов, применяют один элемент (штрих). Для получения всей штриховой меры в этом случае необходимы специальные делительные машины с мультипликаторами, позволяющие многократно проектировать элемент маски на поверхность заготовки. После каждого экспонирования заготовку перемещают на шаг, равный расстоянию между элементами. Если же элементы (штрихи) на поверхности заготовки должны располагаться в разнообразных местах, то составляют программу, по которой оператор вручную перемещает стол в заданную координату. Выполнение этой операции требует затрат времени, в результате чего маски имеют высокую себестоимость.
Такой способ изготовления штриховых мер позволяет получить штрих высокого качества. Фотографическая мультипликация производится повторением необходимого числа раз одного и того же штриха или сложного элемента шкалы. В зависимости от размеров и формы рисунка делается рамка или используется фотошкалограф.
Насадка фотошкалографа является проекционным устройством и состоит из осветителя, конденсора, щелей, ограничивающих проекцию длины и ширины штриха, и объектива. К элементам фотошкалографа предъявляются требования четкого и контрастного изображения штриха.
Для автоматизации процессов изготовления специальных масок можно использовать полуавтоматическую мультипликационную машину с программным управлением, дающую возможность повысить точность и производительность мультипликации, а также располагать элементы сетки на поверхности заготовки по любой заранее заданной программе.
Машина представляет собой высокоточное устройство с вторичной камерой (мультипликационной головкой), которая уменьшает копию (негатив) штриха, уже уменьшенную по сравнению с оригиналом (чертежом) в отношении 1:30 или 1:60, еще в 10 раз. Необходимая точность штриховых мер достигается благодаря автоматизированному перемещению рабочего органа по двум координатам.
Принципиальная схема делительной машины с программным управлением показана на рис. 71. Перед началом работы оператор визуально настраивает оптическую систему мультипликатора 4 при помощи съемного окулярного микрометра и устанавливает стол 6 с заготовкой 5 в исходное положение маховичками 7 ручной подачи стола в продольном и поперечном направлениях. В дальнейшем после нажатия кнопки в пусковом устройстве 18 рабочий орган микрометрической парой 8 устанавливается в заданную координату по команде со считывающего устройства 15, в которое вводится программа, нанесенная на перфоленте. Считывающее устройство подает информацию, выраженную в длине перемещения рабочего органа, одновременно по двум координатам на электронные счетчики. Кроме того, в электрической схеме имеются два счетчика, которые считывают импульсы, поступающие от фотоэлектрических датчиков, контролирующих продольное и поперечное перемещения рабочего органа.
Рис. 71. Принципиальная схема машины с программным управлением
При движении рабочего органа управляющий импульс открывает ключи сумматора 14 и на счетчики вводится заданная величина перемещения. Тот же импульс опрокидывает триггеры Тг1, Тг2; при этом открываются ключи Kl, К2 и импульсы генератора 1 поступают в формирователи импульсов 13, управляющие шаговыми двигателями 12. Вращение от последних сообщается ходовым винтом 8 микрометрической пары. Каждый оборот двигателя соответствует перемещению стола на 0,1 мм.
Для контроля продольных и поперечных перемещений рабочего органа служат фотоэлектрические отсчетные устройства, состоящие из дисков 10 с одной щелью по образующей, осветителей И и фотодиодов 9. Один раз за оборот двигателя щель оказывается между фотодиодом и осветителем. Информация о величине перемещений, вырабатываемая фотодиодом, поступает через усилители 3 и схему формирования 2 на счетчик, где вычитается из введенной ранее с перфоратора величины, соответствующей координате перемещения. Когда на счетчике устанавливается нуль, триггер заданной координаты опрокидывается в исходное положение, соответствующий ключ закрывается, импульсы перестают поступать на формирователь и шаговый двигатель останавливается. Так как в процессе изготовления масок стол перемещают в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, следящая система снабжена двумя одинаковыми по конструкции независимыми приводами.
При переходе обоих триггеров в исходное положение срабатывает схема совпадения 17, запускающая схему экспозиции 16, которая управляет включением осветителя мультипликатора, задает выдержку на остывание лампы, а затем подает сигнал на считывающее устройство для получения следующей команды. Затем цикл повторяется. Направление вращения двигателя задается током управляющего импульса, поступающего со считывающего устройства на формирователь 13. Заготовку с фоточувствительным слоем укрепляют в держателе на столе машины эмульсией вверх.
На машине можно изготовлять маски со сложными элементами рисунка, располагаемыми на поверхности заготовки по определенному ранее заданному закону. Расстояние между элементами маски выдерживается с погрешностью ±1 мкм. Максимальное перемещение стола с заготовкой по двум координатам составляет 100 мм, минимальное — 100 мкм.
В рассматриваемой машине при нанесении штрихов рабочий орган неподвижен. Поэтому ири перемещении рабочего органа на шаг шкалы необходимо применять специальные меры для уменьшения влияния на точность перестановки релаксационных колебаний. Разработаны делительные машины с фотоэлектрической системой управления, у которых рабочий орган все время перемещается, а специальная синхронизирующая система подключает резцовое устройство для нанесения штрихов. Эти машины имеют сложные фотоэлектрические системы управления с растровыми или интерферометрическими датчиками.
