Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ систем автоматического управления приводами подач шлифовальных станков 12
1.1. Системы программного управления приводами подач 12
1.2. Системы автоматического регулирования приводами подач 15
1.3. Адаптивные системы автоматического управления приводами подач 22
1.4. Повышение производительности и качества обработки шлифованием путем совершенствования систем управления приводами подач 34
Выводы по главе I 36
Глава 2. Алгоритмизация и структурный синтез адаптивных систем управления электроприводами подач внутришлифовальных станков 38
2.1. Критерий оптимальности прцесса шлифования и требования к системе управления электроприводами подач 38
2.2. Первичная статическая оптимизация режимов обработки на шлифовальных станках 43
2.3. Алгоритмы управления и структуры адаптивных систем управления электроприводами подач 49
2.4. Математическое описание процесса шлифования как объекта автоматического регулирования 70
2.5. Анализ устойчивости и синтез корректирующих устройств адаптивных систем управления электроприводами подач 77
Выводы по главе 2 91
Глава 3. Стабилизация динамических свойств систем управления электроприводами подач шлифовальных станков 92
3.1. Динамическая оптимизация процесса врезного шлифования 92
3.2. Синтез структуры самонастраивающейся системы управления электроприводом поперечной подачи . 103
3.3. Синтез структуры самонастраивающейся системы управления электроприводом продольной подачи... 110
Выводы по главе 3 122
Глава 4. Разработка информационных устройств адаптивных систем автоматического управления электроприводами подач .. 128
4.1. Устройства измерения постоянной времени процесса шлифования . 123
4.2. Устройства измерения коэффициента передачи процесса шлифования 137
4.3. Устройства измерения нагрузки, действующей на шлифовальный круг - 145
Выводы по главе 4 151
Глава 5. Реализация и экспериментальные исследования систем автоматического управления электроприводами подач шлифовальных станков .. 152
5.1. Система автоматического управления электроприводом поперечной подачи... 152
5.2. Устройство программирования поперечной подачи шлифовальных станков 162
5.3. Адаптивная система автоматического управления приводами подач внутришлифовального станка... 167
5.4. Самонастраиващаяся система управления электроприводом поперечной подачи внутришдифовального станка 177
Выводы по главе 5 187
Заключение 189
Литература 192
Приложения 209
- Системы автоматического регулирования приводами подач
- Критерий оптимальности прцесса шлифования и требования к системе управления электроприводами подач
- Синтез структуры самонастраивающейся системы управления электроприводом поперечной подачи
- Устройства измерения постоянной времени процесса шлифования
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы до четверти всех операций обработки металлов резанием производится на шлифовальных станках [85, 154, 160J . Удельный вес шлифовальных операций в машиностроении продолжает непрерывно увеличиваться в связи с ростом культуры производства и внедрением новых прогрессивных безотходных технологий. Производство металлорежущих станков, работающих с применением абразивного инструмента, в нашей стране в 1982 г, составило болев 25$ от общего выпуска станков [137] Причем повышение их эффективности достигается как за счет совершенствования конструкции станков, применения новых абразивов, внедрения скоростного и силового шлифования, так и за счет применения и совершенствования систем автоматического управления (САУ) процессом шлифования. Последнее направление является наиболее эффективным, обеспечивающим значи^ тельное повышение производительности и качества обработки изделий [б, 24, 47, 55, 65, 72, 94, 106, ПО, 119, 125, 155, 174 И другие] .
Теория и практика САУ процессами шлифования возникли и получили свое развитие за последние 30 лет, причем ведущая роль и приоритет в этой области принадлежат советским специалистам. Так, в 1953 году Е.С.Железновым впервые в мировой практике были созданы системы электропривода для автоматического регулирования поперечной подачи в функции величины снимаемого припуска, внедренные на сферошлифовальных станках. Им же были разработаны основы теории автоматической компенсации влияния упругих деформаций и износа круга на процесс шлифования, а также разработаны совместно с В.Н.Михелькевичем принципы построения оптимальных алгоритмов управления поперечной подачей на шлифовальных станках [б9, 60 J .
Значительный вклад в развитие теории и практики САУ процес-
сами шлифования внесли исследователи Куйбышевского политехнического института во главе с В.Н.Михелькевичем, решившие ряд важных задач автоматизации шлифовальных станков [51, 75, 92 J , идентификации процессов шлифования [79, 9б] и построения самонастраивающихся систем управления поперечной подачей [50, 94J .
Большое значение для теории и практики автоматизации шлифовальных станков имеют работы научной школы Б.С.Балакшина, выполненные в Московском станкоинструментальном институте [б, 24, 26, 126, I39J Еще в 1947 году Б.С.Балакшин предложил идею управления процессом металлообработки на основе измерения силы резания, которая вызывает изменение упругих деформаций системы "станок-приспособление-инструмент-детальи (СПИД) и является основным фактором, оказывающим влияние на качество и производительность обработки. Созданные на этом принципе системы с контролем упругих деформаций [б, 90,91, 106, I39J показали высокую эффективность в работе благодаря использованию объективной информации о характере протекания процесса обработки.
Учеными Московского энергетического института под руководством А.А.Сиротина разработаны основы теории и практика применения релейных систем автоматического регулирования (САР) поперечной подачей [57, 119, 120] и оптимальных САУ шлифовальными автоматами [з, 121] . Большой вклад в разработку и внедрение в практику программных и адаптивных систем управления шлифовальными станками [l7, Iio] вносят сотрудники экспериментального НИИ металлорежущих станков.
В настоящее время САУ процессами шлифования как наиболее эффективное средство повышения производительности и качества обработки получили широкое признание в нашей стране [4, 5, 48, 55, 65, 72, 75, 94, 98, 106, 109, 119, 122] и за рубежом [4, 6, 47,
_ 7 -
153, 154, 155, 160, 161, 170, 171, 174, 175] . Так, например, применение САУ упругими деформациями позволяет повысить точность обработки деталей в 2*5 и более раз, улучшить качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей, увеличить производительность обработки от 30 до 300$ [б] . Применение САУ процессами шлифования целесообразно не только на вновь создаваемых станках, но и при модернизации станков, находящихся в эксплуатации, при этом дополнительные затраты на автоматизацию окупаются за 4*8 месяцев [92, 94].
Вместе с тем, несмотря на имеющийся положительный опыт, об щее состояние и масштабы применения САУ процессами шлифования еще далеки от потребности современного машиностроительного производства. Требования к повышению эффективности использования оборудования и качества выпускаемых изделий не могут быть удовлетворены без дальнейшего развития теории и практики САУ процессами шлифования и особенно для внутреннего шлифования [бб, 67, 89, 92, 108, 115, 122, 141 ] , где возмущающие воздействия изменяются в широких пределах и имеют наибольшую степень влияния на ход процесса обработки по сравнению с другими видами шлифования, для ускорения темпов развития и внедрения САУ процессами шлифования необходимо решить вопросы их оптимального построения и функционирования, а также практической реализации [55, 65, 72, 106, 174J . Актуальность этих задач отмечена в решениях ХХУІ съезда КПСС и декабрьского (1983 г.) Пленума ЦК КПСС, поставивших задачи создания ноеого высокопроизводительного оборудования, осуществлении автоматизации производства и широком применении безотходных технологий. В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 18 февраля 1980 г. о развитии станкоинструментальнои промышленности, а также в решениях
Всесоюзных научно-технических конференций и совещаний по автоматизированному электроприводу, системам управления металлорежущими станками и автоматизации процессов машиностроения.
Основой САУ процессами шлифования являются системы управления рабочими движениями - поперечной и продольной подачами абразивного инструмента, вращения шлифовального круга и изделия, качания изделия или шлифовального круга. Вышеприведенными исследованиями установлено, что главными движениями, определяющими все основные показатели процесса шлифования, являются (при прочих равных условиях) подачи абразивного инструмента. Поэтому автоматизация управления процессами шлифования связана прежде всего с решением основной задачи - автоматизации управления приводами подач. На большинстве шлифовальных станков подачи осуществляются электроприводами, на части станков - электрогидравлическими приводами. Во всех случаях для оптимизации процесса шлифования необходимо решение задач создания системы оптимального управления приводами подач шлифовального станка, что и является предметом исследований в настоящей диссертационной работе.
Диссертационная работа является частью плановых научных исследований, проводимых в НИИ автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (НИИ АЭМ при ТИАСУРе) в рамках заданий межвузовской целевой программы "Оптимум", утвержденной приказом Минвуза СССР от 17.04.80 Л 399 и программы ГКНТ СССР 0.18.01, утвержденной постановлением ГКНТ СССР и Госплана СССР В 472/248 от 12.12.80.
Цель работы. Исследовать и разработать принципы построения, методики проектирования и пути реализации высокоэффективных САУ электроприводами подач шлифовальных станков, обеспечивающих повышение производительности и качества обработки.
Для достижения поставленной цели в работе решены следуицие основные задачи.
Разработаны оптимальные алгоритмы управления и проведен структурный синтез САУ электроприводами подач внутришлифовальных станков по условиям статической оптимизации (по максимуму производительности и минимуму приведенных затрат),
Разработаны методики анализа устойчивости и синтеза корректирующих устройств САУ электроприводами подач внутришлифовальных станков,
Разработаны алгоритмы управления и САУ электроприводами подач шлифовальных станков, обеспечивающие стабилизацию динамических свойств при воздействии параметрических возмущений.
Разработаны информационные устройства для измерения основных характеристик процесса шлифования в САУ электроприводами подач шлифовальных станков (постоянной времени, коэффициента передачи, нагрузки на шлифовальный круг)*
Методы исследований. Поставленные в работе задачи решаются классическими и частотными методами теории автоматического управления, методом Лагранжа для решения задач нелинейного программирования, методом математического моделирования систем на ЭЦВМ, методами экспериментального исследования.
Научная новизна:
разработаны алгоритмы управления электроприводами продольной и поперечной подач, обеспечивающие статическую оптимизацию процесса внутреннего шлифования;
разработана структура самоорганизующейся системы стати -ческой оптимизации для автоматического управления электроприводами подач внутришлифовальных станков;
разработаны методики анализа абсолютной устойчивости и
синтеза корректирующих устройств адаптивных САУ электроприводами подач, оптимизирующих процесс внутреннего шлифования с учетом основных нелинейностей;
разработаны алгоритмы управления и структуры САУ электроприводами подач шлифовальных станков, обеспечивающие стабилизацию динамических свойств системы при воздействии параметрических возмущений;
разработаны методы и новые устройства получения информации об основных характеристиках процесса шлифования, позволяющие с высокой точностью и быстродействием измерять коэффициент передачи, постоянную времени и нагрузку на шлифовальный круг.
Новизна предложенных в работе технических решений подтверждена шестью авторскими свидетельствами на изобретения,
Дшктическая ценность. Разработаны рациональные структуры построения высокоэффективных адаптивных САУ электроприводами подач шлифовальных станков, инженерные методики их расчета и проектирования, обеспечивающие сокращение времени обработки на внутри-шлифовальных станках при сохранении заданных качественных и точностных показателей обработки шлифованием без изменения конструкции станков и абразивного инструмента.
Предложенные автором алгоритмы, структуры, методики расчетов, схемы отдельных устройств и САУ электроприводами подач использованы при модернизации внутришлифовальных станков на Красноярском комбайновом заводе и Государственном подшипниковом заводе Ш 5 (г.Томск).
Автор защищает:
алгоритмы управления электроприводами продольной и поперечной подач, обеспечивающие статическую оптимизацию процесса внутреннего шлифования;
структуру адаптивной самоорганизующейся САУ электроприво-
- II -
дами подач, обеспечивающую статическую оптимизацию процесса внутреннего шлифования;
методику анализа абсолютной устойчивости и синтеза корректирующих устройств адаптивных САУ электроприводами подач внутри-шлифовальных станков;
алгоритмы управления и структуры САУ электроприводами подач, обеспечивающие стабилизацию динамических свойств системы при воздействии параметрических возмущений;
метода и устройства измерения нагрузки на шлифовальный круг, постоянной времени и коэффициента передачи процесса шлифования»
Реализация результатов работы. По результатам диссертационной работы созданы и внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию адаптивные системы управления приводами подач на внутришлифоваль-ных станках моделей ЗА228 на Красноярском комбайновом заводе и ЛЗ-І9ІА на Государственном подшипниковом заводе $ 5 (г.Томск).
В результате внедрения разработанной системы на Красноярском комбайновом заводе машинное время шлифования на станке ЗА228 сократилось на 42 « 58$ при обеспечении заданных качественных и точностных показателей процесса обработки.
На станках ЛЗ-І9ІА на HIS-5, оснащенных разработанной адаптивной системой время врезания шлифовального круга уменьшилось на 20 * 4С$, а машинное время обработки колец шарикоподшипников типа 302 сократилось на 16 * 24$ без снижения качества шлифованной поверхности. Экономический эффект от внедрения новой системы на одном станке составляет 2250 рублей в год.
Системы автоматического регулирования приводами подач
Основной задачей систем автоматического регулирования (САР) приводами подач является поддержание параметров процесса шлифования на заданном оптимальном уровне, определяемом в соответствии с выбранным критерием качества обработки. Большинство таких САР функционируют на основе информации о силовых параметрах процесса и о текущем размере обрабатываемой детали, получаемой от устройства активного контроля, подащего цикловые команды [65, 92, 94, 106 J Общим критерием качества для подобных САР при определении алгоритма управления процессом шлифования обычно принимается минимальная себестоимость или максимальная производительность обработки (с учетом срока службы шлифовального круга) при обеспечении заданной точности (размера и формы) и качества обрабатываемой поверхности. В качестве регулируемых параметров САР используются компоненты усилия или мощности шлифования, действительная скорость поперечной подачи (скорость съема припуска), в зависимости от которых по определенным алгоритмам изменяются продольная или поперечная подачи, скорости вращения изделия или шлифовального круга, а также их сочетания.
Ограничения по качеству (отсутствию прижогов) при чистовом шлифовании показаны на рис. І.І,а в виде кривой 2, определящей такие значения Щ , при которых глубина прижогов /?ЛР не превышает припуска на обработку, оставшегося до получения конечного размера детали.
Шлифование с постоянной скоростью съема припуска не обеспечивает равномерной загрузки шлифовального круга за период его стойкости и не позволяет полностью использовать его возможности [92, 94] . Поэтому при большом размерном износе шлифовального круга за цикл обработки одной детали в качестве регулируемой величины используют не скорость VQ действительной подачи, а радиальное усилс.ле Fy шлифования, которое изменяется в зависимости от припуска 2 на обработку по алгоритму, представленному на рис.1.1,6. На первом (черновом) участке радиальное усилие Fy за счет регулирования поперечной подачи автоматически изменяется в функции величины износа $ шлифовального круга. На втором (чистовом) участке радиальное усилие / изменяется в функции двух переменных -о и 2 (рис.1.1,6) при неизменной величине ZK0H.
Недостатком рассмотренных алгоритмов управления Vd ffo 5) и Fy-ffefi) является их применимость лишь для процессов шлифования самозатачивающимися кругами, у которых режущая способность несущественно изменяется за период стойкости. В САР приводом поперечной подачи с применением несамозатачивающихся кругов необходимо учитывать не только изменения диаметра круга (по мере его износа), но и изменения его режущей способности во времени.
К недостаткам САР приводом поперечной подачи следует также отнести зависимость качественных показателей процесса шлифования от изменений параметров системы СПИД в процессе работы станка. Кроме того, САР не обеспечивают одновременного выполнения всех условий оптимизации процесса, что ведет к недоиспользованию возможностей станка и режущего инструмента.
К достоинствам САР приводом поперечной подачи следует отнести сравнительно простую их реализацию и достигаемый в ряде случаев значительный эффект, что и обусловливает их широкое применение. Так, например, на шлифовальных станках, работающих в массовом и крупносерийном производствах при обработке однотипных деталей, применение САР приводом поперечной подачи обеспечивает увеличение производительности на 20 40$ при стабильности качественных характеристик обработки, что дает годовой экономический эффект от 700 до 2000 рублей на каждый станок [92, 94] . Такие САР используются на станках ЛЗ-5М, ЛЗ-8М, "Flat -140" и других.
В С АР приводом продольной подачи Оц в качестве регулируемых величин чаще всего используются радиальное, усилие гу шлифования (или упругие деформации Y системы СПИД) и мощность Nm шлифования. Такие САР нашли применение на круглошлифовалышх станках модели 3151 [l39] шлицешлифовальных станках модели 345 [5, 106J , внутришлифоваль-ных станках моделей ЗА240 и ЗА227 [б, 90, 91, 106J .
Типичное построение САР приводом продольной подачи использовано на внутришлифовальном станке модели ЗА227 [90] В этой системе величина мощности шлифования автоматически поддерживается (стабилизируется) на заданном уровне в течение всего цикла шлифования за счет изменения скорости привода продольной подачи. Обычно в таких системах регулируемый параметр (Мощность шлифования, радиальное усилие) в цикле обработки имеет два заданных значения -черновой (больший) и чистовой (меньший), что иллюстрируется двухступенчатым графиком снятия припуска (рис. 1.2). Мощность чернового шлифования является максимально допустимой ( Ji/g на рис. 1.2). Превышение этой мощности приводит к появлению ожого на поверхности окончательно обработанного изделия. Мощность чистового шлифования (/1 на рис.1.2) ограничена величиной, которая гарантирует обеспечение правильной геометрии, требуемого класса чистоты шлифуемой поверхности, а также снятие неглубоких ожогов, возникающих при черновом шлифовании.
К достоинству систем стабилизации мощности шлифования следует отнести простоту реализации и достигаемый в ряде случаев значительный эффект от применения - повышение точности формы в продольном сечении в 3 раза при одновременном сокращении машинного времени на 20 30$ [б] . К недостаткам этих систем относятся зависимость качественных показателей процесса шлифования от изменений параметров системы СПИД и недоиспользование возможностей шлифовального круга по производительности в начале его периода стойкости.
САР приводом продольной подачи, обеспечивающие автоматическую стабилизацию радиального усилия шлифования обладают лучшими динамическими свойствами и более высокой точностью стабилизации, чем системы стабилизации мощности шлифования [б, 91J Это объясняется отсутствием в контуре регулирования таких инерционных и помехо-генерирующих элементов, как двигатель, ременная передача, шпиндель. Системы стабилизации радиального усилия шлифования обеспечивают увеличение точности формы в продольном сечении до 3 раз при одновременном сокращении машинного времени до 50$ [9l] Однако все существующие системы стабилизации радиального усилия шлифования основаны на измерении этой силы с помощью динамометрического узла, встраиваемого в систему СПИД.
Критерий оптимальности прцесса шлифования и требования к системе управления электроприводами подач
Проведенный анализ существующих САУ приводами подач шлифовальных станков показывает, что первоочередными задачами, требущими решения для обеспечения повышения производительности и качества процесса обработки, являются следующие. I). Разработка и создание систем ПУ приводами подач шлифовальных станков, обеспечивающих гибкое программирование и самопрограммирование . 2). Разработка и создание самонастраивающихся систем управления приводами подач, обеспечивающих высокое качество и производительность в условиях воздействия на процесс обработки возмущений, изменяющихся в широких диапазонах. 3). Разработка и создание многопараметрических адаптивных САУ приводами подач, обеспечивающих в соответствии с установленным критерием оптимальности повышение производительности и качества обработки за счет максимального использования возможностей шлифовального станка и абразивного инструмента. 4). Разработка методов и средств измерения параметров, ха-рактеразующих протекание процесса шлифования и действие возмущений {постоянной времени и коэффициента передачи процесса шлифования, нагрузки на шлифовальный круг и т.п.). Наиболее важной задачей, решение которой позволит на качественно более высоком уровне проводить разработку систем управления приводами подач, является оптимизация режимов шлифования при использовании в качестве управляющих воздействий двух и более параметров. При оптимизации режимов шлифования необходимо учитывать вид и метод шлифования, конструктивные особенности станка и ряд других факторов. Особенно актуален вопрос нахождения оптимальных режимов обработки для внутришлифовальных станков, где возмущающие воздействия могут изменяться в широких (а некоторые и в заранее непредвиденных) пределах и имеют наибольшую степень влияния на процесс обработки по сравнению с другими видами шлифования. Необходимо провести выбор и обоснование критерия оптимальности (целевой функции), определить требования к системе управления приводами подач и ограничения. Оптимизация режимов обработки по установленному критерию оптимальности является задачей первичной статической оптимизации, решение которой позволит определить оптимальные режимы шлифования и соответствующие условия оптимизации, обеспечивающие экстремум целевой функции. Для анализа абсолютной устойчивости структурных реализаций системы и синтеза корректирующих устройств необходимо разработать математическую модель технологического процесса внутреннего шлифования как объекта управления системы двухпарамегрической оптимизации. Исследование вопросов динамической оптимизации систем управления приводами подач позволит провести оптимизацию цикла обработки и разработать алгоритмы функционирования самонастраивающихся систем управления, обеспечивающих стабилизацию динамических характеристик и оптимальных качественных показателей процесса шлифования при действии параметрических возмущений. В качестве регулируемых приводов для механизмов поперечной и продольной подач шлифовальных станков применяются гидравлические и электрические приводы [б, 47, 51, 57, 60, 68, 72 ] . Электроприводы по сравнению с гидроприводами обладают более высокой надежностью, стабильностью характеристик, высокими энергетическими показателями, легкостью согласования с электронной схемой управления, простотой в эксплуатации, более широким диапазоном регулирования скорости и другими достоинствами. Для разработки и создания многопараметрических адаптивных САУ приводами подач и самонастраивающихся систем необходимо также решить вопросы информационного обеспечения функционирования системы. Информационные устройства должны сочетать в себе высокие динамические свойства и простоту получения информации об основных показателях процесса шлифования. Оценка достоверности и эффективности предложенных алгоритмов и устройств, их реализующих, должна проводиться по степени достижения главной цели работы - повышения производительности и качества процесса шлифования. 1. Системы программного управления приводами подач в шлифовальных станках целесообразно использовать только при заранее известных возмущающих воздействиях на процесс обработки. Для шлифовальных станков наиболее эффективно применение систем гибкого программирования и самопрограммирования. 2. Однопараметрические системы автоматического регулирования приводами подач целесообразно использовать на недорогих шлифовальных станках с достаточно стабильными характеристиками, где управление процессом обработки с изменением лишь одного параметра (например, скорости съема припуска) обеспечивает сравнительно высокую технико-экономическую эффективность. 3. На шлифовальных станках, у которых постоянная времени процесса шлифования изменяется не более чем в 1,34-1,5 раза, могут эффективно использоваться однопараметрические системы автоматического регулирования приводом подачи с сигнальной самонастройкой; при изменениях постоянной времени более чем в 1,54-2 раза ях использование ведет к снижению производительности обработки и в этих случаях следует использовать системы автоматического регулирования с параметрической самонастройкой по постоянной времени, 4. Адаптивные двухпараметрические системы автоматического управления приводами подач являются наиболее совершенными, обеспечивают максимальное использование возможностей шлифовального станка и абразивного инструмента и оптимальность процесса обработки. 5. Для реализаций систем автоматического управления приводами подач, оптимизирующих технологический процесс шлифования, необходимо создание методов и средств измерения технологических параметров (мощности шлифования, момента нагрузки, коэффициента передачи и постоянной времени системы СЩД), сочетающих простоту, точность и высокие динамические свойства. 6. Для эффективного управления технологическим процессом шлифования необходимо учитывать влияние всех основных нелинейнос-тей и не стационарность характеристик объекта регулирования, ограничения на режимы шлифования и нелинейности системы управления приводами подач. 7. Для механизмов поперечной и продольной подач шлифовальных станков использование электроприводов позволяет реализовать более гибкую, широкорегулируемую, экономичную и простую в эксплуатации систему управления по сравнению с гидроприводами.
Синтез структуры самонастраивающейся системы управления электроприводом поперечной подачи
При высоком уровне помех, действующих на систему, нами рекомендуется самонастраивающаяся система управления продольной подачей, представленная на рис. 3.17. Здесь в отличие от системы на рис. 3.13 модели датчиков регулируемой величины и скорости подачи с обратными передаточными функциями заменены на модели с прямыми передаточными функциями, т.е. вместо пропорционально-дифференцирующих звеньев применены апериодические первого порядка. В остальном работа системы и передаточная функция замкнутой системы аналогичны ранее рассмотренной системе на рис. 3.13. Применение апериодических звеньев в контуре вычисления коэффициента передачи обеспечивает повышение точности определения коэффициента при высоком уровне помех, действующих в системе.
В рассмотренных самонастраивающихся системах управления общей задачей является необходимость измерения коэффициента передачи процесса шлифования с высокой точностью не только в установившихся режимах работы, но и в динамике при действии координатных и параметрических возмущений. Разработка точных и надежных устройств измерения коэффициента передачи процесса шлифования важна для построения как самонастраивающихся систем, так и систем статической оптимизации, где для нормального функционирования системы необходима текущая информация о изменении припуска на длине прохода.
Таким образом, на основании разработанной самонастраивающейся системы управления упругими перемещениями системы СПИД (рис.3.ІЗ) могут быть реализованы в зависимости от требуемого качества управления и уровня действующих помех следующие системы управления; а) самонастраивающаяся система управления (рис.3,15), обес печивающая при низких уровнях помех повышение точности и быстро действия отработки заданной программы изменений упругих деформаций системы СПИД приводом подачи; б) самонастраивающаяся система управления (рис.3.17), обес печивающая требуемую точность и качество обработки при высоком уровне помех, действующих в системе. 1. Для оптимизации технологического процесса шлифования в динамических режимах работы в цикле обработки необходимо осуществлять параметрическую самонастройку системы управления приводом поперечной подачи для компенсации влияния изменений постоянной времени объекта регулирования. 2. При изменении в процессе обработки коэффициента передачи объекта регулирования в широком диапазоне рекомендуется для стабилизации динамических и статических свойств системы применять самонастраивающуюся систему управления, представленную на рис.3.12. При низком уровне помех и высоких требованиях к точности отработки заданной программы и быстродействию рекомендуется применять самонастраивающуюся систему управления электроприводом продольной подачи, представленную на рис.3.15. При высоком уровне помех для обеспечения требуемой точности и качества обработки рекомендуется использовать систему, представленную на рис.3.17. -Для разработки и создания адаптивных САУ электроприводами подач, обеспечивающих повышение качества и производительности процесса обработки, необходимо получение информации, характеризующей текущее состояние объекта регулирования. Как показано в вышеизложенных материалах, в процессе шлифования требуется измерять по крайней мере три характеристики процесса шлифования - постоянную времени, коэффициент передачи и нагрузку на шлифовальный круг. Точное измерение этих величия сопряжено со значительными трудностями и известные устройства для таких измерений создавались в основном для проведения экспериментальных исследований на станках. Создание подобных устройств требует решения ряда вопросов. Представление передаточной функции процесса шлифования в САУ в виде апериодического звена первого порядка U.I) позволяет Б ряде случаев сравнительно просто организовать измерение постоянной времени То , а именно: а) по скорости съема припуска на постоянном интервале време ни; б) по интервалу времени, на котором скорость съема припуска достигает заданного уровня. Метод измерения постоянной времени по скорости съема припуска на постоянном интервале времени рассмотрен в [l02] при построении адаптивной системы управления шлифованием с автоматической коррекцией момента выдачи команды на выхаживание в функции постоянной времени То . К недостатку данного метода измерения постоянной времени следует отнести прежде всего нелинейную зависимость. То от скорости съема припуска Va , кроме того в каждом конкретном случае необходимо знать точные величины коэффициента передачи К0 и скорости врезной подачи поперечного суппорта Veep Более точным является метод измерения Т0 по интервалу времени, на котором скорость съема припуска достигает заданного значения [l4, 103J К недостатку данного метода следует отнести необходимость знать точные величины коэффициента передачи К 0 , скорости врезной подачи поперечного суппорта Уевр и запоминания скорости съема припуска в момент начала этапа выхаживания vQi . Метод измерения постоянной времени апериодического звена первого порядка с интегрированием входного и выходного сигналов рассмотрен в [44J Общим недостатком вышеуказанных методов измерения постоянной времени апериодического звена первого порядка является необходимость определения точного значения коэффициента передачи и величины входного сигнала звена, что практически не всегда является возможным. Кроме того, при вариациях коэффициента передачи точность измерения постоянной времени будет существенно ухудшаться. Рассмотрим возможность измерения постоянной времени апериодического звена первого порядка с использованием информации о выходном сигнале и интеграле от выходного сигнала звена [23] .
Устройства измерения постоянной времени процесса шлифования
Сигнал с выхода датчика активного тока шлифования ДАТ, связанного с выходом объекта управления ОУ, поступает на первый вход релейного элемента РЭ, на второй вход которого поступает сигнал с выхода переключающего устройства ПУ.
При работе на шлифовальных станках по циклу: врезание- черновое шлифование - чистовое шлифование - выхаживание, или по циклу: врезание - черновое шлифование - выхаживание, для автоматического управления периодом врезания и окончания этапа выхаживания устанавливают на выходе задатчиков уровней срабатывания ЗУС I и ЗУС 2 сигналы напряжений, пропорциональные соответственно Іаі и їм (см. рис. 5.2). В исходном состоянии выход ЗУС I через переключающее устройство ПУ соединен со вторым входом РЭ. В момент врезания шлифовального круга в деталь на выходе ДАТ появляется сигнал, пропорциональный 7# , при достижении которым уровня срабатывания 1 ( IQ - ЇМ ) срабатывает РЭ и исполнительный элемент ЙЭ, который осуществляет отключение задатчика ЗУС I от РЭ и подключение ЗУС 2 путем зпзравления переключающим устройством ПУ и одновременно ИЭ выдает команду для переключения привода ЭПП со скорости врезной подачи на скорость черновой подачи. На этапе выхаживания сигнал, пропорциональный Та , спадает по экспоненциальному закону и при достижении уровня срабатывания 1аг (7# Іаг ) релейный элемент РЭ переключается в нулевое положение и устройство возвращается в исходное состояние и одновременно исполнительный элемент ИЭ выдает команду в привод подачи ЭПП для окончания процесса выхаживания и отскока шлифовального круга от детали.
При работе на шлифовальных станках по циклу: врезание - черновое шлифование - чистовое шлифование, для автоматического управления периодом обработки детали устанавливают на выходе задат-чиков ЗУС I и ЗУС 2 сигналы напряжений, пропорциональных соответственно 1сц и Іаг (рис. 5.2,в). Этап чистового шлифования обычно заканчивается в момент времени ta по команде от прибора активного контроля ПАК размера. При работе по данному циклу наиболее характерны два случая изменения активного тока шлифования на этапе чистового шлифования. В первом случае (кривая I, рис. 5.2;в) сигнал 1а достигает значения IQZ в момент и ИЭ выдает предварительную команду в ЭПП для окончания процесса чистового шлифования, однако окончание процесса чистового шлифования наступает лишь в момент выдачи команды от прибора активного контроля ПАК размера и процесс чистового шлифования заканчивается в момент времени Г2 . Во втором случае (кривая 2, рис. 5.2,в) сигнал 1а не достигает за время уровня Iaz . В момент времени % чистовая подача прекращается по команде от прибора активного контроля ПАК размеров, но отскока круга от детали не происходит и дальше идет процесс принудительного выхаживания до момента времени t/ , когда сигнал 1а достигнет уровня Таг и исполнительный элемент ИЭ выдаст окончательную команду на отскок шлифовального круга от детали в ЭПП.
Таким образом, окончание цикла обработки происходит при одном и том же конечном значении Iaz (рис.5.2), что позволяет повысить точность размера и формы поверхности детали.
Данное устройство можно применить и для интенсификации процесса обработки за счет сокращения времени на преодоление пути холостого хода (времени "шлифовки воздуха"). В этом случае подвод и врезание круга в деталь осуществляется не на одной скорости врезания Veep как в 75] , а осуществляется в два этапа: со скоростью быстрого подвода Vcfa до момента касания круга с деталью К&р4 и со скоростью врезания Veep до момента достижения заданного уровня срабатывания Таг (рис. 5.2,г). Скорость быстрого подвода VcSn ограничивается на определенном уровне max » гДе Устях - максимально возможная скорость суппорта поперечной подачи для данного привода. Это ограничение необходимо для избежания резких кратковременных увеличений сил резания в момент врезания, возникающих вследствие биения заготовки и инерционности системы управления и привода подачи после фиксации касания круга с деталью, и снижающих стойкость круга и в некоторых случаях приводящих к браку детали. Скорость врезания Veep обычно выбирается исходя из скорости черновой подачи Vci (Vcsp -(З + 5) Vcy ). В исходном состоянии выход задатчика ЗУС 2 уровня срабатывания Га і через переключающее устройство ПУ соединен с вторым входом РЭ. В момент касания Ьвр (рис.5.2,и) сигнал на выходе ДАТ 1а достигает уровня срабатывания 1сц . Срабатывает релейный элемент РЭ и исполнительный элемент ИЭ, который осуществляет отключение ЗУС 2 от РЭ и подключение ЗУС I путем управления переключающим устройством ПУ и одновременно ИЭ выдает команду в ЭПП для переключения привода подачи со скорости быстрого подвода на скорость врезной подачи. В процессе врезания сигнал на выходе ДАТ достигает в момент времени epz уровня срабатывания Za2 . Релейный элемент РЭ переключается в нулевое состояние, устройство возвращается в исходное состояние и одновременно ИЭ выдает команду в ЭШ для переключения привода подачи со скорости врезной подачи на скорость черновой подачи Vc/
Модернизация существующих систем ПУ шлифовальными станками за счет применения предложенной САУ является наиболее эффективным путем, обеспечивающим стабильность качественных показателей процесса обработки деталей и повышение производительности при низких затратах на подобную модернизацию. Это объясняется тем, что сиcтемы программного управления приводами подач оснащены автоматическими устройствами управления врезанием шлифовального круга в деталь с использованием в большинстве случаев информации о токе или мощности шлифования [75, 94] Принципиальная электрическая схема разработанной САУ электроприводом поперечной подачи приведена.
