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

мическими самонастраивающимися (собственно самонастраиваю­ щимися) системами называются системы, в которых орган управления, может изменять параметры системы с целью полу­ чения оптимальных динамических свойств. Статическими самонастраивающимися системами называются системы, в кото­ рых орган управления может изменять параметры управляю­ щего сигнала с целью получения наивыгоднейшего статического режима работы. Поскольку наивыгоднейший статический режим работы определяется экстремумом на статической характери­ стике объекта, такие системы называются еще системами экстре­ мального регулирования. Эти системы в зависимости от способа определения экстремума могут быть разделены на аналитиче­ ские, статистические, поисковые и комбинированные.

В аналитических экстремальных системах положение экстре­ мума определяется вычислительным устройством на, основании информации датчиков рабочих параметров и жестко заданного расчетного алгоритма. В статистических экстремальных системах поиск экстремума осуществляется на базе алгоритма, содержа­ щего операции случайного выбора или определяющего после­ дующие состояния в результате анализа некоторых предыдущих состояний. В поисковых экстремальных системах положение экстремума определяется путем получения дополнительной ин­ формации при переходе объекта регулирования от одного состоя­ ния к другому. Комбинированные экстремальные системы строятся,на алгоритмах, объединяющих алгоритмы рассмотрен­ ных выше экстремальных систем. Например, комбинированная система может быть получена путем объединения аналитической и поисковой экстремальных систем. При этом сокращается объем входной информации в системе за счет определения ее при поиске и повышается быстродействие за счет работы вычисли­ тельных устройств. Самонастраивающиеся системы управления процессами металлообработки сейчас находятся в стадии разра­ боток и промышленного внедрения.

Рассмотренные АСУ тесно взаимосвязаны. Это особенно за­ метно в тех случаях, когда одинаковы контролируемые пара­ метры. Например, если контролируемым параметров является мощность резания, то в системе ограничения параметров могут решаться задачи предохранения от поломки инструмента либо наиболее слабого кинематического звена станка. Станок с дат­ чиком мощности резания, снабженный регулятором скорости резания или регулятором величины подачи, представляет собой замкнутую систему стабилизации. При максимальном исполь­ зовании технологических возможностей такого станка или ин­ струмента обеспечиваются предохранение инструмента от по­ ломки, повышенная производительность обработки, а в ряде слу­ чаев (при торцовой обточке и др.) более высокая чистота поверх­ ности. Наконец, если сигнал датчика мощности используется

.для формирования критерия оптимальности и станок снабжен

13

контуром самонастройки, то процесс металлообработки будет протекать с наилучшим показателем качества при использова­ нии самоприспособляющейся системы управления.

Автоматизированные системы управления металлообработкой применяют в различных группах станков и в первую очередь во фрезерных, токарных, шлифовальных. При этом специфика построения систем определяется, в основном, процессом стружкообразования и, при всей их общности с позиций управления и регулирования, требует даже для достижения одинаковой цели формирования различных показателей качества и различных исполнений датчиков контролируемых параметров.

Весьма важным элементом АСУ является электропривод. Система управления автоматизированным электроприводом' представляет единое целое с общей системой управления метал­ лообработкой. Эксплуатационные качества станка в значитель­ ной степени зависят от возможностей регулируемого электро­ привода. В АСУ металлообработкой последний является также и одним из наиболее дорогостоящих элементов, нередко опре­ деляющим большую часть дополнительных капитальных вло­ жений при автоматизации.

Выбор системы управления металлообработкой должен про­ изводиться для конкретных условий путем оценки ее экономиче­ ской эффективности с учетом характера производства и дефи­ цита отдельных видов ресурсов, особенно оборудования [29].

Интересно сопоставить некоторые данные по срокам окупае­ мости дополнительных затрат, повышению производительности и снижению себестоимости обработки, связанные с автоматизацией процессов резания на станках.

По расчетам, выполненным в Одесском СКВ прецизионных станков, дополнительные капиталовложения на вертикальных обрабатывающих центрах с позиционными системами числового программного управления окупаются в среднем в течение 4— 5 лет, на горизонтальных обрабатывающих центрах — в течение 3—4 лет. Стоимость обработки снижается в 2—2,8 раза, произ­ водительность повышается более чем в 4,5 раза.

Введение системы автоматической стабилизации мощности резания на плоскошлифовальный станок, по данным Одесского СКВ специальных станков, обеспечивает срок окупаемости до­ полнительных капиталовложений 5,1 года и уменьшение себе­ стоимости обработки на 20%. Этот сравнительно высокий срок окупаемости для АСУ объясняется высокой стоимостью тиристор­ ного преобразователя частоты, примененного для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя главного привода. Возможности тиристорного преобразователя частоты ТПЧ-10 оказались намного шире требований, предъявляемых к нему главным приводом.

Дополнительные капиталовложения на введение АСУ подачей фрезерно-отрезного станка, согласно расчетам, выполненным в

14

Г л а ва I

Физические основы автоматизации управления режимом резания

1. Производительность процесса резания

Одним из основных показателей экономической эффективности металлообработки является себестоимость, которая имеет такую важную характеристику, как производительность процесса ре­ зания. В зависимости от подхода к оценке процесса резания производительность может быть выражена различными величи­ нами, наиболее существенные из которых перечислены ниже.

1. Количественная производительность определяется количе­ ством деталей, обработанных в единицу времени с учетом как машинного, так и вспомогательного времени,

QK= - ■шт./мин.,

йюлн

где /Сд— число обработанных деталей, шт.; tuолн — полное время обработки, мин.

2. Стоимостная производительность определяется стоимостью

где тд -— стоимость обработки деталей, р.

3. Объемная производительность определяется объемом ме­ талла, снимаемого с заготовки в единицу времени; характери­ зует скорость съема металла

Q0 = vsi см3/мин;

здесь о — скорость резания, м/мин; s — величина подачи, мм/об; t — глубина резания, мм.

4. Весовая производительность определяется массой стружки, снимаемой с заготовки в единицу времени:

QB= vsty • 10“ 3 кг/мин,

где у — плотность материала стружки, кг/см3.

. „5, Поверхностная производительность определяется величи­ ной поверхности, обработанной в единицу времени:

<3И= vs ■19 см3/мин.

16.

6. Линейная производительность определяется скоростью от­ носительного перемещения инструмента и детали в направлении подачи и численно равна минутной подаче

<ЭЛ= ЯдЯ • 10-1 см/мин;

здесь пя — частота вращения детали, об/мин.' В зависимости от вида обработки та или другая производи­

тельность более полно характеризует процесс резания. Напри­ мер, процесс чистовой обработки целесообразней оценивать по поверхностной или линейной производительности. При черновой обработке более предпочтительным будет использование объем­ ной или весовой производительности. Количественная и стои­ мостная производительность необходимы для технико-экономи­ ческих расчетов эффективности обработки серийных деталей. Поскольку автоматизация управления металлообработкой тре­ бует, как правило, увеличения дополнительных капитальных затрат, величина годового экономического эффекта и срок оку­ паемости дополнительных капитальных затрат будут зависеть от снижения себестоимости продукции, связанной с рассмотрен­ ными формами производительности.

Из приведенных выше уравнений видно, что производитель­ ность обработки в значительной степени зависит от режимов резания и в первую очередь от скорости резания и величины подачи, причем производительность увеличивается с ростом последних. При повышении этих параметров резания снижается стойкость режущего инструмента и возрастает его расход. Это может привести к увеличению затрат, которые превзойдут по своей величине экономию, вызванную повышением производи­ тельности. За счет резкого падения стойкости инструмента может снизиться и производительность обработки в связи с по­ вышением потерь времени на смену инструмента. Таким обра­ зом, при выборе оптимального режима резания необходимо на­ значать такие скорости резания и величины подач, при которых скорость износа инструмента не превышает некоторого расчет­ ного значения, обеспечивающего требуемую точность и эконо­ мичность обработки. Наивыгоднейшие режимы резания должны при заданном периоде стойкости обеспечивать наибольшую про­ изводительность станка.

На рис. 1 приведены зависимости стоимости обработки одной детали от скорости резания и величины подачи. Зависимости вычислены [39] для токарной обработки детали из хромони­ келевой стали диаметром-75 мм, /ушной 150 мм резцом с на­ пайкой из твердого сплава. Как видно из графиков, стоимость обработки одной детали при увеличении скорости резания сна­

■что при нерациональном сочетании скорости резания и подачи, несмотря на увеличение производительности Qn, количественная производительность QK падает, а стоимость обработки возра­ стает. Рост происходит, в основном, за счет расходов, связан­ ных с износом инструмента в то время, как зарплата и стоимость электроэнергии почти не изменяются.

1 — стоимость электроэнергии; 2 — стои­ мость инструмента; 3 — зарплата; 4 — общая стоимость обработки

Таким образом, интенсификация режимов резания уменьшает машинное время, увеличивает производительность и, одновре­ менно, повышает износ инструмента. При этом, начиная с неко­ торого предела, скорость износа резца настолько увеличивается, что производительность резания начинает падать. Следова­ тельно, существуют оптимальные сочетания скорости резания и величины подачи для данной глубины резания, при которых производительность максимальная. Для автоматической на­ стройки на оптимальный режим резания необходимо знать про­

38

изводительность, соответствующую текущим значениям скорости резания и величины подачи, и располагать критерием, позволяю­ щим производить оценку износа инструмента.

2. Точность обработки и шероховатость поверхности

Точность изготовления деталей является одной из важнейшиххарактеристик их качества. Точность деталей характеризуется

[6]:

отклонениями расстояния (размера), связывающего поверх­ ности детали или их образующие; отклонениями угла поворота поверхностей детали одной относительно другой, принятой за. базу; отклонениями геометрической формы поверхностей, обра­ зующих конструктивные формы детали; волнистостью поверх­ ностей, измеряемой на длине 10 мм; шероховатостью поверх­ ностей, представляющей совокупность неровностей с относи­ тельно малыми шагами между вершинами измеренного профиля, в пределах базовой длины.

На каждый из параметров точности детали устанавливают допуск, представляющий собой наибольшее допустимое откло­ нение размера детали исходя из требований взаимозаменяемо­ сти, назначения детали, метода достижения требуемой точности. Изготовление детали неизбежно сопровождается погрешностями: обработки, нарушающими точность детали. Погрешности обра­ ботки подразделяют на систематические и случайные.

Систематические погрешности для всех деталей в пределахпартии остаются постоянными или закономерно изменяются при переходе от одной детали к другой. Основными причинами, вызывающими систематические погрешности, являются износ и деформации станка, приспособления, инструмента, деформации обрабатываемых деталей, тепловые явления в системе СПИД и др. Способность системы СПИД оказывать сопротивление дей­ ствию деформирующих ее сил характеризует жесткость системы

где Ру —-нормальная составляющая силы резания; у — суммар­ ное смещение лезвия режущего инструмента относительно обра­ батываемой поверхности в направлении нормали к ней.

Велична у определяет приращение размера обрабатываемой детали по сравнению с установленным размером при настройке станка, т. е. величину погрешности этого размера, жесткость же технологической системы отражает связь между точностью и производительностью обработки [24];

Произведение txpsyp определяет производительность обра­ ботки. .Как видно из уравнения (1), повышение жесткости си­

19