Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

Соответственно на (минимальном диаметре

вотличие от полученного ранее значения

=R m in _

3. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗАНИЯ

Силовые характеристики процесса резания определяют путем измерения силы резания или ее составляющих по координатным осям (в соответствии с рекомендациями ISO[7]), момента резания на шпинделе и мощности, затрачиваемой на резание.

Требования к средствам измерения силовых параметров. Тре­ бования, предъявляемые к измерительным средствам, следует рас­ сматривать в двух аспектах: общие требования и требования, обусловленные спецификой конструкции металлорежущих станков. Эти требования тесно связаны между собой и во многих случаях противоречивы.

Под общими требованиями понимаются требования по чувстви­ тельности, мощности выходного сигнала, точности измерения, час­ тотному диапазону измерений (быстродействию), надежности, всегда предъявляемые к конструкции датчиков. Требования, обус­

ловлеН'Ные спецификой конструкций станков, в общем виде форму­ лируются следующим образом: конструкция измерительного уст­ ройства и встройка его в станок не должны приводить к снижению жесткости, ухудшению динамических характеристик, уменьшению производительности и универсальности станка.

Наиболее важным требованием к измерительным устройствам является требование высокой чувствительности. Величина чувстви­ тельности в совокупности с величинами основной и дополнительной 'погрешности определяет разрешающую способность прибора, т. е. минимальное изменение измеряемого параметра, которое іможет быть надежно зарегистрировано [41]. Разрешающая способность может быть определена исходя из требований к системе управле­ ния. Например, при разработке системы управления для токарно­ го станка, повышающей его производительность путем стабилиза­ ции одного из силовых параметров, минимальное изменение глуби­ ны резания, на которое должна отреагировать система управления, может быть рассчитано на основе ожидаемого экономического эф­ фекта. Зависимости теории резания позволяют из найденного зна­ чения минимального изменения глубины резания определить соот­ ветствующее ей изменение измеряемого силового параметра, кото­ рое и определяет величину разрешающей способности.

Для надежной регистрации сигнала, соответствующего разре­ шающей способности, необходимо, чтобы выходной сигнал устрой­ ства, равный произведению чувствительности на разрешающую способность, превышал уровень сигнала, определяемого помехами, дрейфом нуля, шумами и пр. В ряде случаев мощность выходного сигнала может быть повышена с помощью усилительных устройств, однако при этом одновременно усиливаются помехи и шумы и по­ являются дополнительные погрешности. Кроме того, введение уси­ лительных устройств, особенно с большим коэффициентом усиле­ ния, снижает надежность измерительной системы.

Большинство измерительных оредств для определения силовых характеристик процесса резания (кроме средств для измерения мощности) относится к труппе приборов для преобразования меха­ нической величины в электрический сигнал. В этих приборах обыч­ но осуществляется двойное преобразование. Сначала измеряемая силовая характеристика с помощью чувствительного элемента пре­ образуется в перемещение или деформацию, а затем с помощью измерительного преобразователя —в электрический сигнал. Отсю­ да следует,-что требование высокой чувствительности предполага­ ет максимально возможные перемещения, что отрицательно сказы­ вается на жесткости и динамических характеристиках станка, ухудшение которых недопустимо. Это противоречие в значительной степени определяет выбор типа измерительного преобразователя и приводит к необходимости использования преобразователей с мак­ симальной чувствительностью, располагать которые следует в той

зоне станка, где снижение жесткости допустимо.

Требование, по частотному диапазону и определяемому им быстродействию датчиков особенно существенно при регулирова­ нии быстропротекающих процессов, например момента врезания инструмента в деталь, когда во избежание повреждения инструмен­ та или детали необходимы быстрое снижение скорости перемеще­ ния, отвод инструмента или другое действие. В этом случае требо­ вания по быстродействию должны исходить из аналогичных харак­ теристик для приводных механизмов. Учитывая, что наиболее быстродействующие приводы имеют постоянную времени 0,02— 0,05 сек, желательно использовать измерительное устройство, име­ ющее постоянную времени на порядок меньше. Для некоторых процессов обработки при назначении требования по быстродейст­ вию следует учитывать динамическую характеристику процесса резания, в частности, его постоянную времени.

Требования по точности измерения той или иной величины в конечном счете зависят от требований к системе управления в це­ лом. Следует учитывать, что погрешности получения информации о силовых характеристиках процесса резания, равно как и других характеристик, складываются из погрешностей измерительного преобразователя, погрешностей, обусловленных конструкцией станка (точнее, местом установки измерительного устройства) и погрешностей, обусловленных преобразованием информации в си­ стеме управления. При определении погрешностей следует иметь в виду, что систематические и случайные погрешности в разных ти­ пах систем управления оказывают различное влияние на точность регулирования.

Систематические погрешности, такие, как нелинейность; а так­ же погрешности, связанные с изменением режима работы, измене­ нием диапазона измерений, в системах прямой стабилизации могут быть скомпенсированы корректировкой установки в соответствии с результатами тарировки. В системах косвенной стабилизации и в более сложных системах компенсация названных погрешностей хотя и возможна в отдельных случаях, но приводит к существен­ ному усложнению системы. Некоторые виды систематических по­ грешностей, связанные с тарировкой, гистерезисом и в отдельных случаях с тепловыми процессами, а также все случайные погреш­ ности непосредственно влияют на точность измерения в системах регулирования всех типов.

Погрешности измерений, обусловленные местом встройки изме­ рительных устройств, вызываются тепловыми явлениями, наличием зазоров и трения в механизмах и другими причинами. В целях обеспечения минимальных погрешностей измерительные средства целесообразно располагать по возможности ближе к зоне резания, т. е. использовать узлы крепления инструмента или детали. Одна­ ко это вызывает ряд затруднений, связанных с ограниченным местом встройки, высокой жесткостью названных узлов, а также сложностью компенсации некоторых явлений, сопровождающих процесс резания, в основном тепловых. По мере удаления от зоны

резания названные трудности уменьшаются, но устранение воз­ никающих при этом других погрешностей в ряде случаев оказы­ вается весьма сложным и требует конструктивной переделки не­ которых узлов станка, что будет показано ниже.

Погрешности, связанные с процессом преобразования информа­ ции, имеют место в системах косвенной стабилизации. Например, во многих адаптивных системах при стабилизации силы или мощ­ ности резания измеряется крутящий момент с последующим пере­ счетом, а при стабилизации стойкости инструмента измеряются составляющие силы резания, на основе которых вычисляется ско­ рость износа, и т. д. Это обусловлено, с одной стороны, слож­ ностью или невозможностью прямого измерения стабилизируемой

средственно измеряемому параметру, например, износа инструмен­ та. Таким образом, при построении систем косвенной стабилиза­ ции, помимо информации о силовых характеристиках процесса резания, необходима дополнительная информация о радиусе или плече обработки, скорости резания и др. Так как погрешности всех измерительных средств, которые используются в системе, склады­ ваются, то требования к точности измерительных средств в систе­ мах косвенной стабилизации при прочих равных условиях обычно являются более высокими, чем в системах прямой стабилизации.

Учитывая, что адаптивное управление предназначено в основ­ ном для станков с ЧПУ, требования по надежности и долговечнос­ ти измерительных устройств должны соответствовать нормативам для станков данного типа. Срок службы преобразователей должен быть не менее шести лет при техническом ресурсе 3000 час нара­ ботки. Время непрерывной работы не менее 16 час. Нижнее зна­ чение наработки на отказ должно быть не менее 320 час. Следует учитывать также требования по допустимому времени готовности датчика и измерительной схемы к работе после включения станка; в соответствии с имеющимися нормативами оно не должно превы­ шать 10 мин.

Важными требованиями к конструкции измерительных уст­ ройств являются возможность тарировки датчиков на станке или вне станка, удобство обслуживания и пр. Следует учитывать, что эксплуатация оборудования ведется в цеховых условиях и основ­ ное назначение станков с адаптивными системами управления со­ стоит в повышении производительности труда при сокращении об­ служивающего персонала и снижении требований к его квалифи­ кации. Это исключает возможность ручной подналадки и поднастройки преобразователей в процессе эксплуатации.

Преобразователи механических величин в электрические. Для измерения механических величин могут быть использованы преоб­ разователи различных типов, характеристики которых не равно­ значны по возможностям получения требуемой информации, встройки и пр. Для станков с адаптивным управлением перопек-