Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы управления процессом прецизионного шлифования и постановка задачи исследования 11
1.1 Технологические основы прецизионного шлифования 11
1.1.1 Автономный электропривод подачи шлифовального круга 14
1.1.2 Электропривод подачи шлифовального круга с помощью синхронной пары .: 15
1.1.3 Электропривод подачи шлифовального круга путем доворота с помощью шлифовальной головки 17
1.2 Управление процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальных станках 20
1.3 Постановка задачи исследования 21
2 Идентификация процесса тонкого врезного шлифования 24
2.1 Математическая модель и структурное представления операции тонкого шлифования 25
2.2 Математическая модель и структурное представление асинхронного электродвигателя шлифовального круга 31
2.3 Структурная схема процесса тонкого шлифования как объект системы автоматического управления им 34
2.4 Анализ влияния режущей способности круга на динамику процесса тонкого шлифования 36
2.5 Аппроксимация аналитического описания процесса шлифования 37
2.6 Алгоритмизация процесса шлифования 42
2.7 Оценка влияния вариации параметров объекта управления на динамические и статические показатели качества 45
3 Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом тонкого шлифования 57
3.1 Структурный синтез САУ обеспечения точности тонкого шлифования 57
3.2.1 Параметрический синтез регуляторов скорости и положения САУ подачи шлифовального круга 63
3.2.2 Параметрический синтез регулятора скорости САУ высокоскоростного электрошпинделя 65
3.2.3 Структурное моделирование систем автоматического управления процессом шлифования при предварительной настройке регуляторов и анализ показателей качества управления 67
3.3 Параметрический синтез регулятора скорости и задатчика интенсивности из условий обеспечения граничных условий процесса шлифования 71
4 Экспериментальные исследования системы автоматического управления процессом тонкого шлифования 78
4.1 Определение передаточной функции двигателя электрошпинделя 80
4.2 Определение передаточной функции двигателя по возмущению 83
4.3 Определение передаточной функции процесса шлифования 84
4.4 Определения эффективности нового алгоритма 86
Заключение 88
Библиографический список 91
Приложение
- Технологические основы прецизионного шлифования
- Математическая модель и структурное представления операции тонкого шлифования
- Структурный синтез САУ обеспечения точности тонкого шлифования
- Определение передаточной функции двигателя электрошпинделя
Введение к работе
Станкоинструментальная промышленность относится к числу базовых отраслей промышленности России. Поскольку станкоинструментальная промышленность является одной из важнейших фондообразующих отраслей, техническое состояние этой отрасли во многом определяет уровень развития экономики страны. Однако неблагоприятные экономические условия в 90-х гг. существенно снизили спрос на отечественную продукцию и придали сырьевую направленность промышленной политике. Это способствовало застою в станкостроении. В 2005 году Россия произвела 6,3 тыс. единиц металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования, что в 16 раз меньше, чем РСФСР (101,5 тыс. ед.). В то же время, и особенно с 2002 года существенно растёт производство станков в ведущих странах мира: Япония -10521ед. - 88% станков, рост 33.4%; Германия - 9216ед.- 72.5% станков, рост 19.1%; Италия - 4639ед. -55% станков, рост 11.6% (данные 2004г.) [1]. Эти данные указывают на утраченные лидирующие позиции России.
Однако, начиная с 2005 года, ставится задача возрождения станкостроения как отрасли «фондообразующей для всего машиностроения» [2] и выдвигается государством как основная задача развития экономики. Актуальность решения проблем станкостроения активизирует научную деятельность этой сферы и в частности определяет ориентацию развития станкостроения.
Весьма важным здесь является оценка износа оборудования: по его функциональному износу, который включает технологический износ и делает ненужным станок в результате появления на рынке новых прогрессивных технологий, и моральный износ вследствие развития и удешевления производства станка из-за изменений конструкции. В этой связи процесс актуальных исследований в области развития машиностроения и станкостроения можно представить в виде, показанном на рисунке В1.
Рисунок В. I
Спрос на рынке нового оборудования, в основном, крупными предприятиями по государственному заказу или заказу естественных монополий. Эти предприятия выступают и в качестве основных потребителей высокопроизводительного импортного оборудования. Основная группа машиностроительных предприятий не имеет таких средств, и удовлетворяются за счет закупок недорогого массового универсального металлообрабатывающего оборудования, для чего активно используется вторичный рынок. На этом рынке решающую роль играет модернизация существующих конструкций станков, отвечающих функциональному назначению и не испытывающего морального износа как по конструкции, так и потенциальным возможностям ведения технологического процесса. К таким станкам относятся одностоечные координатно-шлифовальные
станки, например 3284СФ4. Основными тенденциями в модернизации являются:
1) Оснащение станка современной системой ЧПУ.
Оснащение станка современными цифровыми электроприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей с частотным управлением.
Обеспечение повышения производительности труда и точности за счёт внедрения передовых алгоритмов управления.
Повышения гибкости и универсальности станков, концентрации в одном станке возможностей реализации большего числа технологических операций.
Вопросам исследования процесса шлифования посвящается ряд работ выполненных для целей подшипниковой промышленности. К их числу относятся работы Грановского Г.И., Грановского В.Г. [4], Тараненко В.А., Митрофанова В.Г. [5], Михелькевича В.Н. [6], Кургана В.П., Абакумова A.M. [7], Ре-шетова А.И. Однако ими были разработаны системы управления процессом шлифования, работающих по циклу черновое, чистовое, шлифование и выхаживание. Для целей тонкого шлифования отсутствуют этапы чернового, чистового шлифования и несколько модифицирована процедура выхаживания.
Выполняемая работа посвящена глубокой модернизации координатно-шлифовальных станков с ЧПУ, обеспечивающих точность класса С (1-2мкм.) и чистоту поверхности 0.16-0.32 мкм.
Диссертационная работа выполняется в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения», а также программы Министерства Образования Российской Федерации «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки и контроля».
Предметом исследования данной работы является повышение производительности и качества обработки деталей на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ.
Цель настоящей работы заключается в разработке нового алгоритма и системы автоматического управления процессом шлифования на прецизионных координатно-шлифовальных станках, реализующего управление процессом на протяжении всей технологической операции и обеспечивающего существенное повышение производительности станка при заявленной точности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.
Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя.
Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования.
Исследование эффективности управления процессом тонкого шлифования при релейном изменении регулирующего воздействия.
Методы исследования: Решение поставленных задач основано на использовании методов математического моделирования, имитационного моделирования, системного анализа, теории автоматического управления, теории электропривода, разделов технологии машиностроения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования деталей на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ как объекта системы автоматического управления.
Разработан алгоритм управления процессом шлифования, позволяющий контролировать технологическую операцию и обеспечивающий повышение производительности при заявленной точности станка.
Проведён структурно-параметрический синтез системы автоматического управления тонкого шлифования для станка с ЧПУ.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
Разработана инженерная методика синтеза, и реализована САУ процессом тонкого шлифования, позволяющая на основе нового алгоритма управления обеспечить повышенную производительность и качественные показатели шероховатости поверхности.
Рекомендована технологическая карта операции шлифования для разработки программного обеспечения, управляющего процессом тонкого шлифования для координатно-шлифовального станка с ЧПУ.
Результаты исследований внедрены на ЗАО «Стан-Самара» в виде системы управления реализующей технологическую операцию тонкого шлифования цилиндрических колец из стали.
Основные положения и результаты данной работы докладывались на:
Всероссийской научно-практической конференции в г.Оренбург 2005 г.
Международной, научно-технической конференции 23-25 мая. г.Тольятти: ТГУ, 2006
Всероссийской научно-практической конференции. Оренбург.:ОГУ, 2007г.
13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. г.Москва 2007г.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 2 статьи в изданиях, утвержденных ВАК.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения. В первой главе дан обзор литературных данных по процессу шлифования, и подчеркивается особенность и проблема тонкого шлифования, которая по существу сводится к управлению процессом выхаживания. Показано, что для этих це-, лей необходимо разработать специальную кинематическую цепь подачи шлифовального круга, минимизирующую статические и динамические деформации, имеющую компактную конструкцию и обладающую высокой надежностью. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе диссертации приводится аналитическая идентификация процесса шлифования. На его основе синтезируется структурная схема объекта управления. Методом компьютерного моделирования доказывается необходимость учета в структуре объекта управления режущей способности круга, а также неучета тшк в силу малости этой величины при частотах вращения круга от 12000 до 96000 об/мин. Кроме того, предлагается упрощенная модель процесса для качественной оценки работоспособности системы.
В третьей главе автор показывает, что теоретической основой синтеза системы автоматического управления целесообразно принять теорию систем подчиненного регулирования. Показывается, что в данной системе для привода подачи шлифовального круга используется САУ — с контуром стабилизации скорости и положения. В диссертации доказывается необходимость замыкания системы третьим контуром — по току электрошпинделя, который косвенно обеспечивает заданные требования по качеству обрабатываемой поверхности и существенно повышает производительность технологической операции шлифования. Кроме того, здесь же отмечается, что классическая настройка контура скорости на технический оптимум не обеспечивает требуемые показатели качества управления. Методом компьютерного моделирования находится требуемый коэффициент обратной связи в контуре скорости, позволяющий приблизиться к границам тока переключения реле, и для окончательного установления заданных значений упомянутых токов вводится задатчик интенсивности при подаче Aa3l).
В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования. В качестве экспериментальной установки используется серийный координатно-шлифовальный станок, оснащенный современной системой автоматического управления «Маяк-600» фирмы «Ижпрест». На станке установлен комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры, позволяющий получить передаточные функции процесса шлифования, САУ асинхронным двигателем шлифовального круга, САУ подачи шлифовального круга, а также параметры звеньев САУ: жесткость узлов, моментов инерции.
Результаты экспериментов по шлифованию традиционным алгоритмом и предложенным в диссертации показали, что предложенное решение на 20-24% повышает производительность процесса при заявленном качестве обработки деталей.
На защиту выносятся следующие положения:
Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.
Разработка алгоритма управления процессом шлифования при стабилизации среднего значения усилия резания.
Синтез системы автоматического управления процессом тонкого шлифования по новому алгоритму.
Технологические основы прецизионного шлифования
В (1.1) принято: -окружная скорость круга в м/с, - окружная скорость детали в м/с, t - глубина резания, S - ширина круга, КГК3 - коэффициенты, учитывающие зернистость шлифовального круга, зачистных ходов и состава и свойств охлаждающей жидкости.
В процессе тонкого шлифования снижается амплитуда волнистости поверхности детали, что ведёт к увеличению опорной площади в 2-3 раза по отношению к обычному шлифованию, что в свою очередь способствует высокому качеству при выполнении последующих операций, например, узловой сборки деталей.
Роль прецизионного шлифования в настоящее время возрастает в связи с широким применением новых материалов: керамики, армированных металлов, многослойных металлов с неметаллическим ламинированием, которые зачастую могут быть обработаны только при помощи шлифования.
Следует заметить, что операция тонкого шлифования реализуется в термоконстантных помещениях при стабилизации температуры в зоне резания и с помощью смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ). Базовой моделью для исследования процесса тонкого шлифования как объекта системы автоматического управления, является станок 32К84СФ4, выпускаемый в настоящее время станкостроительным заводом «Стан-Самара» и эксплуатируется как в России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья.
Основные узлы станка закреплены на станине 1 и стойке 2. Перемещение стола 3 по оси X осуществляется с помощью системы автоматического управления (САУ) подачи стола с исполнительным электродвигателем 5, контроль перемещения осуществляется датчиком линейных перемещений стола 4. Перемещение салазок 6 по оси Y осуществляется с помощью САУ подачи салазок с исполнительным электродвигателем 8, контроль перемещения осуществляется датчиком линейных перемещений салазок 7. Вертикальное перемещение шпиндельной бабки 9 осуществляет САУ с исполнительным электродвигателем 11, контроль перемещения осуществляется датчиком линейных перемещений 10. Планетарное вращение шпинделя 12, осуществляет САУ с исполнительным электродвигателем 13, которое контролирует датчик угловых перемещений шпинделя 14. Возвратно-поступательное движение шпинделя осуществляет электродвигатель 15, контроль осуществляется датчиком угловых перемещений 16 для возвратно-поступательного движения шпинделя. На шпинделе 12 установлен электрошпиндель 24 совместно с самим шлифовальным кругом и управляется САУ. Подача производится с помощью САУ с исполнительным электродвигателем 17, установленного на вращающемся шпинделе. На столе 3 установлен кантуемый поворотный стол 21с электродвигателем поворота планшайбы и датчиком угловых перемещений планшайбы 23. Рисунок 1.1-Станок координатно-шлифовальный одностоечный с ЧПУ
32К84СФ4 Из рассмотренного описания станка следует, что вся система состоит из кинематических цепей, отдельные части которых подвержены таким деформациям как изгиб и кручение. Вследствие этого часть передаваемой информации теряется. Это непринципиально, когда точность ограничивается десятками микрон. В этом случае цепь принимается как неподдающаяся таким деформациям. Но, так как процесс шлифования требует высокой точности (класс С), это является существенным препятствием при реализации технологической операции. На данный момент существует 3 варианта построения системы управления подачей шлифовального круга: а) автономный электропривод подачи с датчиком перемещения; б) электропривод подачи, реализуемый с помощью синхронной пары; в) электропривод подачи путем доворота с помощью шлифовальной головки.
Автономный электропривод подачи шлифовального круга схематично показан на рис. 1-2. Здесь шпиндель 1 приводится во вращение с помощью электродвигателя МІ. В патроне шпинделя 5 крепится подвижный стол 2, на котором расположен электродвигатель МЗ перемещения стола 2 с тахогенератором TG и датчиком положения ДП с дискретностью 1мкм, электродвигатель М2 и шлифовальный круг 6. Подача инструмента 6 осуществляется по команде с ЧПУ с помощью мотора МЗ и шариково-винтовой пары 7. Контроль скорости перемещения реализуется тахогенератором TG, а отработка заданного перемещения датчиком положения ДП. Вся информация о задании и его обработки, а также напряжение на МЗ подается через контактные кольца 3, 4 в устройство ЧПУ и силовой преобразователь СП. Конструкция контактного съема информации имеет несколько вариантов.
В этом варианте (рисунок 1.3) подача осуществляется за счет рассогласования между приводами синхронной пары (между приводом шпинделя и приводом кулачка). Система управления подачей шлифовального круга построена следующим образом двигатель Ml вращает шестеренку 2, которая вращает шпиндель 3, внутри которого от двигателя М2 вращается ось вращения 1 кулачка 5. На шпинделе подвижно закреплена платформа 4, на которой находится двигатель МЗ, осуществляющий вращение шлифовального круга 6.
Рисунок 1.3-Синхронная пара Двигатель Ml управляется системой автоматического управления (САУ1) замкнутой по скорости двигателя. Двигатель М2 управляется САУ2, так же имеющей внутреннюю обратную связь по скорости. Кроме того, круговые датчики К1 и К2 положения соединяют встречно и замыкают систему (САУ) по положению. Сигналы задания поступают из устройства ЧПУ. При запуске системы и при отсутствии сигнала подачи шлифовального круга САУ1 и САУ2 обеспечивают синхронное вращение Ml и М2 за счет обеспечения разности К1-К2=0 с помощью устройства синхронизации. При подаче сигнала задания возникает рассогласование между приводами синхронной пары, которое преобразуется перемещение кулачка 5, за счет чего обеспечивается перемещения стола 4, а, следовательно, и перемещения М3 вместе со шлифовальным кругом 6.
Математическая модель и структурное представления операции тонкого шлифования
В данной работе математическая модель процесса шлифования базируется на результатах исследований описанных в [5,6,8], которые позволили обосновать методику алгоритмизации процесса шлифования и позволили в дальнейшем получить структуру для прецизионного шлифования.
Для установившегося процесса шлифования сила резания представляет собой функцию ряда параметров, характеризующих технологическую операцию шлифования
Py=fi(kpKK,q,VK,b,h) (2.1) где крсж - коэффициент, характеризующий режущую способность шлифовального круга; q - коэффициент, характеризующий физико-химические свойства обрабатываемого материала; VK - скорость резания; b - ширина шлифования, равная при врезном шлифовании ширине обрабатываемой детали; h - глубина резания.
На основании анализа процесса и аналитических зависимостей (2.1)-(2.9) на рисунке 2.1 представлена структурная схема процесса врезного круглого шлифования. Здесь отображены факторы, влияющие на качество процесса и его точность - это износ круга и упругие деформации.
В (2.18) Крежо- начальное значение режущей способности круга; т- текущее время шлифования. Значение X в пределах 0.03-0.15 [7], а время т и его размерность определяется типом кругов. Для тонкого шлифования т определяется минутами. Известно, что упругие деформации СПИД, приведённые к зоне шлифования Аау определяются усилием резания АРУ и при Креж—const определяются зависимостью M- = hy (2.19)
Однако режущая способность круга изменяется по зависимости (2.18) и этот факт должен быть учтён. Физически снижение режущей способности приводит к снижению съёма металла при одной и той же силе АРУ. Следует отметить, что для тонкого шлифования входной величиной считаем величину заданного съёма припуска Дазд. С учётом сделанных выше замечаний и проведения структурных преобразований структурная схема процесса тонкого шлифования представлена на рисунке 2.2.
На современных КШС для обеспечения высоких значений частот вращения шлифовального круга применяют высокоскоростные электродвигатели на базе асинхронных короткозамкнутых (АД) двигателей (до 120000 об/мин). Следует отметить, что при тонком шлифовании необходимо поддерживать стабильную величину частоты вращения. Жесткость характеристики не хуже 0,1-0,2%, что предопределяет замкнутую по скорости систему управления АД, что, в свою очередь, требует структурного представления АД как объекта управления его скоростью при вариации внешнего момента от процесса шлифования, так и от сил трения при его холостом ходе. Регулирование частоты вращения осуществляется от частотных преобразователей, серийно выпускаемых промышленностью. Регулирование скорости необходимо при шлифовании материалов из различных металлов или материалов неметаллической структуры. На рисунке 2.3 обозначено: f - частота управления со стороны частотного пре образователя, р = жесткость характеристики АД (коэффициент, связываю щий изменение частоты вращения от действия момента, приложенного к валу двигателя); J - момент инерции двигателя и масс приведённых к ротору; рп -число пар полюсов электрической машины; Мд(р)- динамический момент электродвигателя; Мст(р) - статический момент нагрузки. Выходной величиной необходимой для целей управления является разность моментов (Мд-Мст) или разность токов, поскольку Мд -Мст =С„Ф(1д -1ст). СМФ — постоянный коэффициент машины по моменту, ІдДст - динамический и статический токи электродвигателя.
Анализ составляющих процессов в 2.2 и 2.3 позволяет представить обобщенную схему процесса тонкого шлифования. В структурную схему следует включить блок выделения статической составляющей для тока электродвигателя, который является информационной составляющей для процесса управления при разработке системы автоматического управления. Следует также отметить, что при высокой скорости шлифовального круга сок происходит выделение тепла [5]. Мгновенно температура в зоне шлифования достигает сотен градусов, а поэтому необходима не только качественная СОЖ, но и регулировка её подачи с целью стабилизации температуры в зоне обработки и исключение тепловых деформаций. Эта проблема в диссертации не рассматривается.
Структурный синтез САУ обеспечения точности тонкого шлифования
Достижение высокого качества обработки деталей, высокой производительности, низкой себестоимости остается актуальной задачей научных исследований и инженерных решений. В данной работе защищается новый алгоритм управления технологической операции — тонкого шлифования, под который и обосновывается структурная схема системы.
В первую очередь систематизируем основные помехи, оказывающие влияние на процесс шлифования. Все помехи классифицируются на контролируемые и неконтролируемые. Всего в процессе шлифования некоторые авторы [8] вводят до 32 помех. Отметим основные из них, которые в первую очередь ока-зывают влияние на структурный синтез САУ.
1. Вариации качественных показателей заготовок деталей - твердости, объясняющейся за счет изменения физико-химических свойств материала. Из менение твердости оказывает существенное влияние на засаливание режущего инструмента, а, следовательно, на отклонение размера детали, её микрогеометрию. Изменение твердости является случайной и неконтролируемой величиной.
2. Погрешности форм начального припуска также неконтролируемая величина. 3. Тепловые деформации относятся к наиболее значимым и влияющим на все показатели обработки. Источником тепла является сам процесс резания. В зоне резания температуры достигают сотен градусов. Кроме того, источником тепла являются воздействия окружающей среды, нагрев электродвигателей, обеспечивающих движение подвижных органов станка. Работа гидравлических систем также способствует нагреву станка.
4. Вариации режущей способности круга, связанные с засаливанием шлифовального круга, относится также к числу наиболее сильных возмущений, вызывающей рассеяние размеров детали, ухудшением шероховатости.
5. Силовые деформации определяются конструкцией станка, носят случайный характер и влияют на качественные характеристики - микрогеометрию детали.
6. Износ круга — также случайная величина, которая определяет скорость шлифования и микрогеометрию обрабатываемой поверхности.
На основе рассмотренных помех становится очевидным, что учесть их в процессе синтеза САУ невозможно. Теоретически можно строить инвариантную систему, но она, основанная на априорных знаниях и жестком структурном построении для каждой помехи, становится громоздкой, ненадежной. В этой связи необходимо использовать интегральный показатель качества обработки поверхности детали. Для этих целей используется активная мощность резания [6]. Однако в тонком шлифовании, где управление осуществляется практически процессом выхаживания, выделить активную составляющую трудно из-за её небольшой величины. Поэтому управление процессом (подачей шлифовального круга) осуществляется по информации со стороны тока электрошпинделя. Значение номинальной его величины при врезании определяется состоянием прижега, минимальная величина - ток холостого хода. Как отмечалось в главе I, в настоящее время программа съёма припуска на станке с ЧПУ строится по принципу формирования сигнала задания на привод подачи электрошпинделя. Исходя из технологических ограничений по прижегу, задают разовую подачу в радиальном направлении 5-10 мкм (зависит от материала детали) и ожидают отработки этого задания. Затем периодически повторяют это задание до тех пор, пока не будет снят весь припуск. Такой подход значительно снижает производительность станка. В этой связи необходимо синтезировать дополнительный контур управления подачей электрошпинделя с целью поддержания значения мощности на оптимальном уровне и возможности надежного управления подачей инструмента. Последнее определяется из условий технологической операции тонкого шлифования. Съем припуска в 10 мкм [7] для закаленной стали составляет 1 мин. Таким образом, даже при равномерной подаче её скорость равна 10 мкм/мин, что практически весьма трудно реализовать при непрерывном управлении. Поэтому целесообразно накапливать достаточно большой ход подачи и реализовать её выборку путем подключения двигателя подачи. Как показали экспериментальные исследования, достаточная величина подачи возникает при шлифовании 3-5 мкм. При этом значение тока в высокоскоростном электрошпинделе снижается до значения 0,5-0,3 1„ (зависит от материала обрабатываемых деталей). Из этого следует, что система управления должна включать в себя контроль тока электрошпинделя и релейный элемент с зоной гистерезиса и нечувствительности. Этот элемент прерывает подачу сигнала задания, который подаётся из устройства ЧПУ. Это позволяет обеспечить управление процессом тонкого шлифования независимо от природы и уровня помех, действующих в ходе технологической операции.
При шлифовании необходимо осуществлять контроль заданной величины съема припуска. Причем для координатно-шлифовальных машин точность выполнения операций тонкого шлифования лежит внутри зоны 1 мкм, что соответствует высшему классу точности С. За эту операцию отвечает электропривод подачи высокоскоростного электрошпинделя (подача круга). Это, в свою очередь, позволяет заключить о необходимости в структуре САУ создания замкнутого контура положения с датчиком положения с точностью А 1 мкм.
Определение передаточной функции двигателя электрошпинделя
Для определения передаточной функции двигателя электрошпинделя снимем характеристику разгона двигателя до номинальной частоты вращения -24000 оборотов в минуту. В связи с невозможностью запуска электрошпинделя от сети переменного тока, характеристику разгона двигателя формирует частотный преобразователь, исходя из условий ограничения тока до уровня номинального при f=400 Гц. Схематически процесс измерения показан на рисунке 4.2. Осциллограмма фиксировалась на цифровом осциллографе. Рисунок 4.2 Для электрошпинделя типа ШФВ2448 мощностью Рн=0,5 кВт, пн=24000 об/мин при 1Н=3,03А, Мн=0,2Нм полученные характеристики процесса изображены на рисунке 4.3а,б Рисунок 4.3а-Переходная характеристика n=f(t) высокоскоростного электрошпинделя (пн=24000 об/мин) Рисунок 4.3б-Переходная характеристика I=f(t) высокоскоростного элек трошпинделя (п=24000 об/мин) Анализ переходной характеристики co=f(t) по рис.4.3а позволяет определить электромеханическую постоянную времени Тм 3,8с (теоретически Зс). Обработка осциллограммы на рис.4.36 I=f(t) позволила рассчитать электромагнитную постоянную времени Тя 0,08с при коэффициенте демпфирования с 0,3. Полученные значения использовались при расчете регуляторов в контуре управления скоростью вращения шлифовального круга. Передаточная функция АД может быть записана в виде: w (р)-со(р) - 1 = 1 м (О(р) 0,08-3,8/?2+3,8р + 1 0,304/72+3,8/7 + 1 Данная передаточная функция с точностью до 1,8% аппроксимируется апериодическим звеном вида: со(р) 3,8/7 +1 4.2 Определение передаточной функции двигателя по возмущению
Для снятия переходной характеристики по возмущающему воздействию со стороны нагрузки произведём разгон электрошпинделя до установившегося значения скорости 24000об/мин. После чего ступенчато коснёмся шлифовального камня деревянным бруском на несколько секунд, чтобы обеспечить возмущающее воздействие на двигатель в виде изменения тока двигателя до номинального значения ЗА. Характеристику изменения тока наблюдаем на осциллографе (рис.4.4а). Частота вращения электрошпинделя наблюдается на осциллографе рис.4.4б.
Анализ осциллограмм показывает, что динамика процесса определяется электромагнитными процессами, которые, в свою очередь, характеризуются электромагнитной постоянной времени Тя 0,08с. Данные, полученные из экспериментальных графиков на рисунках 4.3, 4.4 подтверждают правильность теоретического определения передаточной функции двигателя электрошпинделя в процессе синтеза системы автоматического управления, описанного в главе III.
Для снятия данной характеристики установим на рабочую поверхность стола деталь с внутренней цилиндрической поверхностью (рисунок 4.1 в). При помощи центроискателя совместим центр окружности основания цилиндра с осью вращения шпинделя. Далее путём перемещения каретки 2 (рисунок 4.1 в) шпиндельного узла, при одновременном вращении планетарной передачи и вращении высокоскоростного электрошпинделя определяем момент касания шлифовального камня до поверхности цилиндра. После этого толчком переме t щаем каретку на 5 мкм и на цифровом осциллографе наблюдаем изменение тока электрошпинделя в момент врезания и далее до окончания процесса выхаживания. Изменение тока электрошпинделя в ходе процесса шлифования показано на рисунке 4.5 (подключение измерительной аппаратуры описано в п.4.1).
Для определения эффективности нового алгоритма проведём эксперимент с использованием детали, описанной в параграфе 4.3. В первой части эксперимента 3 раза подряд при помощи каретки 2 (рисунок 4.1 в) производим подачу Юмкм при условии, что после каждой подачи происходит процесс выхаживания до тех пор, пока не закончится искрение и выдержка времени 2-3с, после чего происходит подача каретки ещё на Юмкм. Результаты данного эксперимента показаны на рисунке 4.6. На рисунке 4.7 показаны результаты второй части эксперимента, в которой смоделирована работа станка по новому алгоритму, предлагаемому в данной работе. Для того, чтобы смоделировать работу системы по новому алгоритму будем использовать информацию о токе электрошпинделя, которая отображается на экране осциллографа.
По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку нового алгоритма управления и синтеза системы автоматического управления процессом тонкого шлифования, решающих задачу повышения производительности, технологической операции и координатно-шлифовального станка в целом при заявленной точности класса С, можно сформулировать следующие выводы:
1. Проведен анализ существующих устройств поперечной подачи шлифовального круга при врезном шлифовании и на основе шлифовальной головки реализован процесс тонкого шлифования.
2. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, ток которого позволяет реализовать постоянный контроль технологической операции.
3. Разработан новый алгоритм управления процессом шлифования, поддерживающий на предельно допустимом из условий нагрева режим резания и обеспечивающий высокую производительность самой операции и станка в целом.
4. На основании теории СПР синтезирована система автоматического управления процессом шлифования, обеспечивающая требуемые показатели качества управления.
5. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 32К84СФ4, которые показали эффективность представленного алгоритма.
6. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом тонкого шлифования.
Похожие диссертации на Структурное моделирование и синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке
