Адаптивная система управления температурно-силовыми режимами процесса резания металлов

Задачи дальнейшего совершенствования машиностроительного производ-1 неразрывно связаны с эффективным использованием металлообрабатываю-(станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

В настоящее время большинство станков работает в режиме «жесткого» граммирования, когда режимы обработки назначаются исходя из априорной юрмации. Но несовершенство существующих методов расчета режимов обра-ки, нестабильность припусков, физико-механических свойств обрабатываемо-I инструментального материалов, а также других факторов приводит во мно-случаях к неконтролируемым изменениям температурной и силовой нагрузка инструмент. Для исключения повышенного износа инструмента, а также шйных ситуаций, приводящих к поломкам инструмента, режимы резания при стком" программировании назначаются, исходя из наиболее нагруженных в пературном или силовом отношении условий резания, которые в общем вре-и обработки могут занимать сравнительно небольшую часть. При этом ос->ная часть времени обработки протекает с недоиспользованием возможностей грумента и станка. Применение систем автоматического управления (САУ) пературными и силовыми режимами процесса резания (ПР) позволяет макси-ьно использовать возможности станка и инструмента, повысить тем самым азводительность обработки и снизить ее себестоимость.

Большой вклад в решение задач управления режимами ПР в нашей стране щи работы Балакшина Б. С., Барзова A.A., Заковоротного В. Л., Зориктуева ., Макарова А. Д., Михелькевича В. Н., Соломенцева Ю. М., Силина С. С., Тру-I В.В. и др. Значительная работа по практической реализацию таких систем, а выполнена коллективами Московского станкоинструментального институ-Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих: ков (ЭНИМС), Самарского государственного, технического университета, яновского ГСКБ тяжелых и фрезерных станков и ряда других предприятий и в Российской Федерации. За рубежом разработкой САУ, использующих ин-мацию о температурных и силовых режимах ПР, занимаются ведущие стан-роительные фирмы ФРГ («Гильдеймейстер»), Японии («Фанук»), США шцинатти") и других стран.

ПР как объект управления характеризуется существенной параметрической ационарностью и нелинейностью. Поэтому качество управления при измене-в широких пределах припуска и износа инструмента при традиционной ктуре регуляторов не обеспечивает требуемого качества управления ПР, что юдит к существенному снижению эффективности САУ. Известные подходы оектированию адаптивных, в частности, самонастраивающихся САУ, пред-тают соблюдение условий параметрической квазистационарности объекта вления, что не выполняется для ПР. Кроме того, использование метода ОНО синтеза САУ нелинейным объектом встречает трудности, не всегда легко долимые при практической реализации.

Кроме того, практически не исследованы переходные процессы в контурах •настройки при периодическом характере возмущающего воздействия. От-гвие обоснованных алгоритмов управления при таких, типичных для ПР мущениях, приводит в ряде случаев к недопустимой перегрузке инструмента, результате — к снижению эффективности и надежности САУ.

Таким образом, создание САУ с существенно улучшенными качественен показателями регулирования является актуальной проблемой, имеющей: ное народнохозяйственное значение.

Решению указанной проблемы путем создания САУ ПР в классе БСНС по-щена настоящая работа. «

Решаемые в диссертации вопросы являются составной частью исследова-, проводимых на государственном Уфимском унитарном агрегатном пред-ятии «Гидравлика» совместно с кафедрой «Автоматизированные технологи-кие системы» Уфимского государственного авиационного технического уни-ситета (УГАТУ), в соответствии с координационными планами АТН РФ, про-чмой «Конверсия и высокие технологии. 1997;2000 г. г.», а также федераль-целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего об-звания и фундаментальной науки на 1997 -2000 г. г».

Цель работы: повышение эффективности процессов обработки деталей на станках путем птивного управления температурно-силовыми режимами резания.

Задачи работы:

1.Разработка алгоритмов статической адаптации САУ температурно-овыми режимами ПР.

2.Разработка и исследование быстрых алгоритмов динамической адапта-и структуры контура самонастройки беспоисковых самонастраивающихся гем (БСНС) управления ПР как нелинейным нестационарным объектом.

3.Разработка и исследование логических алгоритмов работы адаптивной У ПР при действии на объект управления параметрических возмущений пе-дического характера.

4.Исследование влияния твердости обрабатываемого материала на точ-гь способов косвенного измерения главной составляющей силы резания, ис-ьзующих информацию об ЭП КИД;

5.Техническая реализация и производственные испытания разработанных^ритмов управления.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

•в разработке алгоритма статической адаптации САУ температурой реза-, основанного на оперативном определении и последующем использовании юрмации об оптимальном значении термо-ЭДС для твердосплавных режущих^тин токарных резцов;

•в использовании быстрых алгоритмов динамической адаптации САУ проком резания, как нелинейным нестационарным объектом, для формирования эрых используется, в отличие от известных, кроме интегральной, также и порциональная составляющая ошибки адаптации,

•в разработке статической математической модели ЭП КИД, учитывающей енения твердости обрабатываемого материала, установлении факта слабой юимости ЭП КИД от твердости обрабатываемого материала.

Практическая ценность работы состоит:

•в разработке способа оперативного определения с недостижимой ранее ностью (до if %) определения оптимального (соответствующего минималь-i интенсивности износа инструмента) значения ТЭДС в производственных овиях, что позволяет повысить точность регулирования температуры резания, следовательно, снизить износ инструмента и повысить производительность >аботки,

•в разработке быстрых алгоритмов динамической адаптации БСНС, рабо-)щих по пропорционально — интегральным алгоритмам, повышающих (до 4,5) быстродействия контура самонастройки по сравнению с контурами, рабочими по интегральным алгоритмам;

•в разработке структуры адаптивной САУ температурно-силовыми режи-ди ПР, как нелинейным нестационарным объектом, которая по сравнению с естными ранее позволяет уменьшить объем требуемых для реализации адап-¦ного алгоритма вычислительных ресурсов при обеспечении удовлетворительно качества регулирования в условиях воздействия на объект параметрических мущающих воздействий как монотонного, так и периодического характера;

•в уточнении области эффективного использования предложенного спосо-измерения главной составляющей силы резания, основанного на использова-{ информации об ЭП КИД и подаче на оборот (допустимый разброс твердости тбатываемого материала не должен превышать 45% для исследуемой пары) абатываемого и инструментального материалов);

•в повышении (до 10%) точности устройств измерения силовых координат, а также в возможности измерения главных составляющих сил резания от-[ьно на каждом резце при многорезцовой обработке.

Реализация работы

Результаты диссертационной работы внедрены на Уфимском моторострои-ьном производственном объединении, Московском моторостроительном про-¦одственном объединении им. В. В. Чернышева, заводе имени Лихачева (г. Мо-¦а), Запорожском производственном объединении «Моторостроитель», Калуж->м моторном заводе, Пермском машиностроительном заводе им. В. И. Ленина в i, e опытных образцов САУ главной составляющей силы резаниярегуляторов тературы резанияустройства измерения силы резания при многорезцовой заботкеа также в учебный процесс УГАТУ по направлению 550 200 втоматизация и управление" и специальности 210 200 «Автоматизация техно-ических процессов и производств (в машиностроении)».

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обос-шнию алгоритмов статической и динамической адаптации САУ ПР.

2. Пропорционально-интегральный алгоритм регулирования контура само-ггройки САУ объектом с нестационарным коэффициентом передачи.

3. Структура адаптивной САУ ПР как нестационарным нелинейным дина-ческим объектом, обеспечивающая требуемое качество регулирования при личном характере параметрических возмущающих воздействий.

4.6 Основные результаты и выводы по главе 4

1. Разработан алгоритм логического управления СК и ТК ГЕР, обеспечивающий работоспособность адаптивной САУ ТК и СК ПР при периодическом характере параметрических возмущений.

2. Разработаны устройства для измерения СК ПР, повышающее точность измерения (на 10% по сравнению с известными), работа которых основана на статической самонастройке блока измерения на фактическое значение потерь двигателя привода шпинделя, а также на использовании информации об ЭП КИД, причем предложены модификации измерительных устройств как для одно-, так и для многосуппортных токарнцх станков.

3. Разработаны аппаратные и программно-аппаратные адаптивные САУ СК и ТК ПР как для одно-, так и для многосуппортных токарных станков, опытные образцы которых внедрены на ряде машиностроительных предприятий.

4. Выполнены экспериментальные исследования адаптивных САУ СК и ТК ПР, реализующих разработанные алгоритмы адаптации. Установлено удовлетворительное качество регулирования, обеспечивающееся разработанными САУ. Исследована эффективность разработанных САУ, установлено сокращение времени резания при обработке деталей с использованием САУ ПР на 20−27% по сравнению с обработкой деталей на станках, не оснащенных САУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен алгоритм статической адаптации САУ температурой резания, реализующий разработанную на основе выполненных экспериментальных исследований, подтвердивших постоянство температуры резания для тластин с различными удельными ТЭДС, методику определения оптимального (соответствующего минимальной интенсивности износа инструмента) зна-1ения ТЭДС резания при точении заготовок с неопределенной глубиной резания. Доказано, что погрешность определения оптимального значения ТЭДС тосредством данной методики не превышает 4% при разбросе твердости исследованного обрабатываемого материала заготовок не более, чем на 7%, три достижимой практически погрешности измерения ТЭДС и главной составляющей силы резания в 1% и 10% соответственно.

2. Разработанные быстрые алгоритмы динамической адаптации САУ гемпературно-силовыми режимами процесса резания, основанные на пропор-цюнально-интегральных алгоритмах самонастройки БСНС управления тем-1ературно-силовыми режимами процесса резания, обеспечивают повышение до 4,5 раз) быстродействия процессов динамической адаптации по сравне-щю с интегральными алгоритмами.

3. Синтезированная структура контура самонастройки БСНС управле-1Йя температурно-силовыми режимами ПР, учитывающая его нелинейный и иестационарный характер как объекта управления, обеспечивает устойчи-юсть процессов самонастройки по отношению к параметрическим возмуще-шям, в том числе и периодического характера. Отличиями предложенной структуры САУ от известных ранее являются следующие: а) включение в состав контура самонастройки модели регулятора параметрического управле-шя, б) учет в эталонной модели объекта управления его нелинейности, в) (ключение в ее состав элементов, производящих идентификацию характера 1ействующих возмущений и параметров возмущений периодического характера, и элементов, реализующих алгоритмы логического управления конту->ами координатного управления и самонастройки для обеспечения желаемого: ачества регулирования. Доказан факт грубости достигаемых БСНС показатели качества регулирования по отношению к отклонениям фактических зна-[ений некомпенсируемых параметров модели объекта управления от расчетах.

4. На основании анализа разработанной статической математической юдели ЭП КПД, учитывающей изменение твердости обрабатываемого мате->иала уточнена область эффективного применения предложенных способов [змерения главной составляющей силы, резания, использующих информацию >б ЭП КИД. Разработанные устройства для измерения СК ПР как для одно-, ак и для многосуппортных токарных станков, работа которых основана на татической самонастройке блока измерения на фактическое значение потерь (вигателя привода шпинделя, а также на использовании информации об ЭП

КИД, позволили повысить точность измерения до 10% по сравнению с известными.

5. Опытные образцы разработанных аппаратных и программно-аппаратных адаптивных САУ СК и ТК ПР как для одно-, так и для многосуппортных токарных станков, внедрены на ряде мГашиностроительных предприятий. Производственными испытаниями установлено удовлетворительное качество регулирования, обеспечивающееся разработанными САУ, а также сокращение времени резания при обработке деталей с использованием САУ ПР в среднем для партии деталей на 20.27% по сравнению с обработкой дета-пей на станках, не оснащенных САУ.