Файл: Корытин, А. М. Оптимизация управления металлорежущими станками.pdf

4. Стабилизация упругих деформаций при резании

Для повышения точности обработки деталей путем компенса­ ции размерного износа инструмента и нежесткости системы станок— приспособление — инструмент — деталь (СПИД) на­ ходят применение системы стабилизации упругих деформаций при резании (СДР). Работа системы основана на том, что ве­ личина подачи инструмента (резца, фрезы, шлифовальногб круга) непосредственно влияет на силу резания. Чем больше подача, тем больше нагрузка на звенья системы СПИД. В про­ цессе обработки величину подачи изменяют таким образом, чтобы, несмотря на влияние возмущающих факторов, поддер­ живалась неизменной радиальная сила резания либо путем программирования сохранялось постоянство отношения силы резания к жесткости системы СПИД. Работы по исследованию и стабилизации упругих перемещений системы СПИД с целью повышения точности и производительности обработки были проведены в Московском станкоинструментальном институте под руководством Б. С. Балакшина [6, 33]. Системы СДР были экспериментально проверены на токарных, сверлильных, фререзных и шлифовальных станках.

Для измерения радиальной силы резания в качестве упру­ гого элемента используют наиболее слабое по жесткости зве­ но размерной цепи СПИД или специально встроенный динамо­ метрический узел. Радиальную составляющую силы резания на станках токарной группы (рис. 37) определяют-с помощью

сравнения с сигналом задающего устройства 1. Результирую­ щий сигнал с блока сравнения усиливается и подается на ре­ гулятор 2, который изменяет частоту вращения электродвига­ теля привода подачи 3 (для круглошлифовального станка ре­ гулятор изменяет скорость двигателя, 3 привода вращения де­ тали и продольную подачу стола гидроприводом 4).

где Ср — коэффициент, зависящий от материала заготовки и условий обработки; k — коэффициент, зависящий от геометрии резца.

С точки зрения повышения точности и производительности обработки, а также технической реализации, осуществлять управление силой резания целесообразно путем регулирования продольной подачи. В качестве параметра регулирования мож­ но также использовать изменение жесткости n-го звена систе­ мы СПИД. В некоторых случаях целесообразно выбирать не­

90

сколько параметров регулирования. Например, сокращение по­ грешности размера и формы в продольном сечении за счет изменения продольной подачи может обусловить появление не­ допустимой шероховатости. При этом компенсировать влияния

Рис. 37. Блок схемы систем СДР токарного (а), фрезерного (б) и кругло­ шлифовального (в) станков

подачи будет сокращен и колебание шероховатости будет на­ ходиться в допустимых пределах. Для 'изменения величины продольной подачи в системах СДР находят применение регу­ лируемые гидроприводы и электроприводы постоянного тока.

Точность обработки на станках различных типов, снабжен­ ных системами СДР, повышается в 2—5 раз, рост производи­ тельности составляет 25—200%, себестоимость обработки сни­ жается на 25—30%- При обработке деталей на автоматиче­ ской линии МЛР-13 точность диаметральных размеров увели­ чилась с 0,2 до 0,1 мм, т. е. в 2 раза. Это позволило обрабатывать детали за один проход вместо двух, сократить количество станков и занимаемую ими площадь, на 25% уменьшить себестоимость обработки. Оснащение станка систе­ мой СДР дает эффект, эквивалентный увеличению жесткости системы СПИД при сохранении прежней металлоемкости кон-

91

струкции. При построении системы СДР большое влияние на точность обработки оказывает быстродействие регулятора. Гидрокопировальные токарные полуавтоматы 1722 при гидрав­ лическом регуляторе подачи имеют полосу пропускания 2,2 Гц, элекгрогидравлическом 1,9 Гц и гидромеханическом 1,4 Гц. Точность обработки за счет уменьшения • мгновенного поля рас­ сеяния по сравнению с обычной обработкой повышается соот­ ветственно в 1,9; 2,7; 3,4 раза. Разработка регуляторов системСДР с более высокой полосой пропускания позволит еще боль­ ше повысить точность обработки.

Системы СДР находят применение и в сочетании с другими системами стабилизации, например, с системой стабилизации мощности резания.

5. Сравнительная оценка и расчет систем стабилизации

Рассмотренные системы стабилизации режима резания, особен­ но системы ССР, СМР и СТР, обладают рядом общих свойств и построены по аналогичным структурным схемам.

Структурная схема системы ССР при торцовой обточке на токарном станке показана на рис. 38, а. Частота вращения шпинделя при изменении диаметра обработки изменяется сле­ дящей системой, состоящей из индуктивного датчика переме­ щений ИД, кинематически связанного с суппортом станка. На щуп датчика ИД воздействует профилированная линейка. С помощью задатчика 1 устанавливается масштаб скорости. Регулятор 2 в соответствии с сигналом индуктивного датчика ИД изменяет частоту вращения исполнительного двигателя 3. Подача на оборот при обработке сохраняется неизменной.

На рис. 38, б показана структурная схема системы СМР. Сигнал датчика мощности МД сравнивается с сигналом задаю­ щего устройства 1 на блоке сравнения. Напряжение, пропор­ циональное разности между заданным и текущим значениями мощности, усиливается и поступает на регулятор 2. Последний изменяет частоту вращения двигателя 3 таким образом, чтобы сигнал датчика мощности соответствовал сигналу задающего устройства 1.

Структурная схема системы СТР (рис. 38, в) отличается от описанных выше, в основном, только датчиком обратной свя­ зи ТД, в качестве которого применена естественная термопара инструмент'—деталь. Общность между системами СМР и ССР может быть показана следующим образом. Известно, что при торцовой обработке с постоянной подачей на оборот s касательная составляющая силы резания Рг неизменна. При стабилизации мощности резания

. 92

Следовательно, полученное равенство справедливо при не­ изменной скорости резания, а повышение производительности за счет применения системы СМР аналогично рассчитанному значению для систем ССР.

Общность между системами СТР и ССР может быть найде­ на путем анализа .связи между скоростью резания и величиной

подачи на оборот при неизменной температуре резания 0Р. Известно, что при 0Р = const

С

V = - * ■

Следовательно, при поддержании неизменной температуры резания и постоянной величине подачи на оборот скорость ре­ зания также неизменна.

На основании изложенного можно сделать следующие вы­ воды:

1.Общность рассмотренных систем управления режимами резания позволяет применить в большинстве из них однотиповый регулируемый электропривод, согласованный с соответст­ вующим датчиком обратной связи.

2.Системы стабилизации обеспечивают приблизительно., одинаковое повышение производительности металлорежущих станков. В системах СМР и СТР имеется косвенный контроль обработки, в системе СДР применен активный контроль обра­ ботки. Сравнение перечисленных систем стабилизации режи­ мов резания показывает, что: наибольшее применение в про­ мышленности находят системы ССР и СМР; наилучшее ис­ пользование режущего инструмента позволяет достичь система СТР; принцип действия систем СМР и СТР эквивалентен

принципу действия системы ССР, однако системы СМР и СТР

93

сложней и получили применение преимущественно только в то­ карных и фрезерных станках малых размеров; системы СДР более сложны при реализации, однако обеспечивают за счет активного контроля наибольшую точность обработки.

3. Целесообразный, с точки зрения повышения производи­ тельности, диапазон регулирования скорости главного привода при торцовой обточке составляет 6—10. Дальнейшее расшире­ ние диапазона регулирования скорости не приводит к сущест­ венному сокращению времени обработки, но может оказаться необходимым по технологическим требованиям.

4. Выбор режима резания в системах стабилизации осно­ ван на использовании усредненных статистических данных, за­ дается перед обработкой и не корректируется в процессе реза­ ния, при этом обеспечивается работа инструмента с запасом стойкости, что является резервом дальнейшего повышения производительности.

Как было показано выше, расчет динамических характери­ стик систем стабилизации режимов резания и синтез их пара­ метров удобно выполнять на аналоговых вычислительных ма-. шинах (АВМ). Статические характеристики можно рассчиты­ вать аналитическим методом, поскольку все элементы систе­ мы с достаточной степенью точности могут быть приняты ли­ нейными, однозначными и непрерывными либо описываются нелинейной функцией, имеющей аналитическое выражение. При расчете систем стабилизации особый интерес представляет зависимость регулируемой величины (мощности резания, тем­ пературы рерания, сигнала обратной связи и др.) от возму­ щающего параметра, например, изменяющегося диаметра об­ работки. В станкостроении наиболее перспективным является электропривод, выполненный по ■системе: тиристорный пре­ образователь—двигатель. Ниже рассмотрена методика стати­

В процессе синтеза требуется определить необходимые коэф­ фициенты усиления элементов системы стабилизации, при ко­ торых обеспечивается заданная точность регулирования.

Поскольку в комплектных тиристорных электроприводах используется нелинейная отрицательная обратная связь по скорости (ООСС) и нелинейная отрицательная обратная связь

выше обратные связи.

В качестве примера рассмотрим расчет статической харак­ теристики для системы стабилизации с нелинейными ООСС и ООСТ и функциональной технологической обратной связью

94

(по скорости резания, мощности резания и т. д.). Обобщенная структурная схема системы стабилизации показана на 'рис. 39, а и представляет структурную схему привода серии

Рис. 39. Структурные схемы, систем стабилизации (а, б, в), расчетные схемы входного кон­ тура (г) и токовой связи (д)

ПТЗ, дополненную функциональной технологической обратной связью. Задающее напряжение U3 через узел задания а3 по­ дается на первый каскад усилителя k y l. Сюда же поступают сигналы отрицательных обратных связей: по напряжению уси­ лителя UH, скорости U№ и технологической Ur. с с соответст­ вующих блоков kB, &тг—аос; &т. с—а0. с. На вход второго каска­ да полупроводникового усилителя Луг поступает сигнал управ­ ления (блок А) и сигнал отрицательной обратной связи по току (блок Б). Сигнал нелинейной ООСТ формируется узлом

95

тродвигателя со, причем на эту связь влияет также и возму­

А3 = (Д.с + ААвх1 A A ,Ri А Аг)>'

А3 = АА3 A A (Ri А АгА А —А А А-

Входное напряжение усилителя тиристорного преобразова­ теля

Авх.у = / 2-Авх1-

.Подставляя значение А из уравнения (23), получим

96