Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

сообразно при Ті>Топт, то из рис. 28 видно, что при прочих равных условиях алгоритм (41) обеспечивает меньшие удельные затраты, чем алгоритм (43). Отметим, что в тех же условиях регулирование по алгоритму (34) соответствует при-любых радиусах точения точ­ ке 1, т. е. обеспечивает всегда наименьшие удельные затраты.

Рис. 27. Адаптивная система, реали­ зующая алгоритм <рѵ = 1; <рЛ1 = 1; ф5—

= ѵаг

Рис. 28. Расположение режимов реза­ ния в плоскости V—s;

В другом варианте АС системы фирмы Siemens [33] обеспечи­ вается стабилизация мощности, причем измеряется крутящий мо­ мент, а мощность рассчитывается путем умножения крутящего мо­ мента на скорость вращения шпинделя (рис. 29).

Используя методы косвенной стабилизации, когда стабилизи­ руется не измеряемая величина, а некоторая другая, получаемая в

системе в результате расчета по нескольким измеренным парамет­ рам, можно унифицировать структуру системы управления. На­ пример, при использовании дополнительной информации о скоро­ сти вращения шпинделя и радиусе точения можно унифицировать структуру для реализации алгоритмов (40), (41) или

Рис. 29. Структура адаптивной си­ стемы фирмы Siemens

4

Рис. 30. Унифицированная структура адаптивной системы стаби­ лизации силовых параметров

При использовании системы стабилизации силовых параметров на нее обычно возлагают ряд дополнительных функций, перечис­ ленных в начале раздела.

В соответствии с требованиями к качеству поверхности или по условиям прочности режущего инструмента обязательным требова­

нием нормальной работы является ограничение оборотной подачи сверху (smax), а иногда и снизу (smin).

Основная трудность введения ограничения состоит в том, что на выходе регулятора имеется напряжение (код), пропорциональное подаче в миллиметрах в минуту smin, а величина ограничения за­ дается в миллиметрах на оборот, так что для согласования этих величин требуется либо умножение

^огр = ^Ш(г,Л ШГ1І> SMHH ,

либо деление

Введение блока умножения (деления) усложняет АС; в ряде случаев поставленную задачу можно решить упрощенным спосо­ бом. Например, если информация о скорости вращения шпинделя имеется в виде напряжения, а величина smax задана величиной со­ противления, операция умножения может осуществляться с по­ мощью потенциометра (рис. 31). Для упрощения АС можно просто задавать ограничение в виде предельной минутной подачи, но та­ кой метод требует, во-первых, специального расчета и, во-вторых, возможен только при реализации алгоритма, включающего усло­ вие ф„= 1.

Рис. 31. Формирование напряжения ограничения ми­ нутной подачи и $иШтах

Другой дополнительной функцией адаптивной системы является обеспечение режима врезания, при котором инструмент подходит к заготовке на некоторой скорости врезания sBp; после касания за­ готовки скорость перемещения инструмента должна автоматически снижаться до величины spa6, соответствующей фактическим усло­ виям резания (рис. 32). Основным требованием к АС в этом ре­ жиме является высокое быстродействие, которое должно обеспе­ чить такое снижение скорости, при котором поломки инструмента исключаются. В зависимости от реального быстродействия всего тракта АС и исполнительных механизмов величина подачи вреза­ ния может быть как больше, так и меньше smax- Так, в АС к фре­ зерному станку фирмы Cincinnati (США) [37] подача врезания до­ статочно велика и равна 1,2 м/мин; в других случаях она состав­ ляет всего 0,2—0,4 от s тах . Для увеличения sBp при невысоком

быстродействии привода подачи в систему можно ввести специаль­ ный режим врезания, отличающийся тем, что при достаточно ма­ лой величине измеряемого силового параметра (но большей неко­ торой заданной величины РтіП) АС выдает команду, на форсиро­ ванное торможение привода подачи с отключением режима вреза­ ния и включением регулирования подачи после полной остановки. График изменения минутной подачи для такого метода показан на рис. 33. Его недостатком является возможность поломки инстру­ мента при большом мгновенном наборе припуска в процессе обра­ ботай, когда режим врезания уже отключен. Достоинство этого

метода — возможность врезания на сравнительно большой скорости при недостаточном быстродействии привода. Для увеличения ско­ рости врезания станок должен быть оснащен либо двигателем по­ стоянного тока с облегченным якорем, либо шаговым приводом.

При сочетании АС регулирования режимов резания с системой самопрограммирования траектории от АС требуется выдача допол­ нительных, команд, например, о превышении заданной глубины резания или о выходе инструмента из заготовки. В последнем слу­ чае могут быть использованы те же элементы, что и при формиро­ вании команд при врезании. Команда о выходе инструмента фор­ мируется, КОГДа РіКРтіп-

заданного. На рис. 34 показаны алгоритм формирования команды и структура системы. Недостатки подобного алгоритма формиро­ вания команды о превышении заданной глубины резания см. в разделе 6.

Система стабилизации силовых параметров обычно выполняет также функцию предохранения инструмента, детали и механизмов станка от действия перегрузок; алгоритм системы предохранения показан на рис. 35. В некоторых случаях должно быть несколько

систем защиты, например, для защиты от перегрузок по силе ре­ зания, крутящему моменту и мощности резания (если отсутствует пересчет одной величины в другие). На рис. 36 показана полная структура АС, выполняющей все указанные функции при алго­ ритме регулирования (34). На выходе А имеется сигнал о вреза­ нии инструмента в деталь, на выходе Б — о выходе инструмента из заготовки, на выходе В — о превышении заданной глубины и на выходе Г — о превышении максимальной силы.

Рис. 34. Алгоритм и структура системы формирования команды о превышении заданной глубины резания

Адаптивные системы регулирования, реализующие технологичес­ кий закон постоянства стойкости инструмента. Алгоритм регулироівания для реализации указанного закона может быть написан в виде

Промышленные системы непосредственной стабилизации стой­ кости пока не реализованы, так как способов измерения текущих значений стойкости практически нет. Фактически можно говорить лишь о стабилизации скорости износа ѵ, хотя при этом период стойкости может изменяться из-за влияния режимов'обработки на предельную величину износа. К числу таких систем принадлежит разработанная в Японии экспериментальная система управления к токарному станку [34]. В этой системе фактический износ инстру­ ментаизмеряется предельно близко к рабочей зоне. Имеются так­ же датчики температуры резания и компенсации погрешностей из-

мерения, вызванных деформациями детали. При увеличении изно­ са инструмента или повышении температуры скорость резания уменьшается. Несколько большее количество систем стабилизации скорости износа основано на предположений, что стабилизация температуры резания (точнее, термоэдс) ведет к стабилизации стойкости( например, в системе, описанной в работе [35]). Особен­ ность данной системы состоит в том, что стабилизируется не лю­ бая температура, а строго определенная, соответствующая мини­ муму износа инструмента на единицу обработанной площади, т. е. температура, обеспечивающая максимум критерия съема металла за период стойкости. По исследованиям [24], эта температура со­ ответствует указанному минимуму при любых сочетаниях скорости резания и подачи, так что регулирование может вестись по одному параметру. Следует отметить, что максимум критерия съема ме­ талла не соответствует минимуму удельных затрат.

К этой же группе работ принадлежит двухконтурная система регулирования, исследованная на токарном станке в Мосстанкине. Первый контур обеспечивает регулирование величины продольной подачи для' стабилизации радиальной составляющей силы резания, измеряемой в опорах задней бабки. Второй независимый контур регулирует скорость резания но величине температуры резания, измеряемой по термоэдс методом естественной термопары.

В работе [38] приведена блок-схема системы управления к то­ карному станку, в которой производится измерение температуры в зоне резания. Сигналы датчиков температуры и скорости вращения шпинделя поступают на вычислительное устройство, которое выда­

поправочных коэффициентов, устанавливающих связь между тем­ пературой резания и стойкостью инструмента.

Фирмами Grumman Aircraft и Bendix Согр. (США) [39] также разработана адаптивная система управления режимами резания к токарному станку. На станке смонтирована чувствительная термопа­ ра, связанная с управляющим устройством системы, которое, срав­ нивая получаемые от термодатчика данные с заданными теорети­ ческими или эмпирическими значениями, посылает корректирую­ щий сигнал к исполнительному органу.

АС с регулированием скорости резания по температуре реза­ ния описана в работе [6], однако сведений о структуре системы и правилах выбора температуры стабилизации не приводится. Нуж­ но отметить, что даже при наличии однозначной связи стойкости (скорости износа) и температуры резания (что оспаривается неко­ торыми авторами или признается только для небольшого диапазо­ на температур) стабилизация стойкости путем стабилизации тем­ пературы при изменении скорости резания является достаточно сложной задачей потому, что стойкость зависит от температуры резания примерно в 20-й степени (см.раздел 4) и колебания темпе-

ратуры в пределах 1% от измеряемой величины (порядка 800— 900° С) могут привести к весьма большим колебаниям стойкости.

Система косвенной стабилизации стойкости часто используется в адаптивных системах, реализующих алгоритмы с срг = 1 [10, 40].

При этом для расчета стойкости применяют либо степенную стойкостную зависимость, либо используют некоторые новые законо­ мерности, определенные разработчиками АС.

Например, фирмой Bendix Согр. экспериментально установлена следующая зависимость износа фрезы от параметров резания [10]:

dM

— —-производная величина крутящего момента по времени;

k2, — постоянные коэффициенты, определяемые эксперимен­ тально.

Наличие последних свидетельствует о том, что процесс должен быть предварительно тщательно изучен.

Для фрезерования скорость съема металла Q определяется за­ висимостью

Q = Btsnimi,

-где В — ширина фрезерования;

s— подача;

t— глубина резания;

п— скорость вращения фрезы, обIмин.

Таким образом, для определения скорости износа необходимо, помимо измерения параметров Ѳ и Л4кр, получение информации о текущих величинах V и s, а также о ширине и глубине обработки. В работе [18] указано, что величина tB является постоянной, вво­ димой оператором. Это представляется необоснованным в услови­ ях сложной контурной обработки с неполностью определенными размерами заготовки. Следует отметить, что полученная фирмой связь скорости износа с параметрами резания используется ею в поисковой системе; не исключено, однако, применение полученной зависимости и в системах стабилизации стойкости.

Косвенная стабилизация стойкости на основе использования стойкостной зависимости (7) реализована в АС к фрезерному станку [40]. В подобной АС изменение подачи служит информаци­ ей об изменении возмущающих воздействий, так как из уравнений оптимального регулирования следует, что