Содержание к диссертации
Введение
1. ОСОБЕННОСТИ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ, АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО АДАПТИВНОМУ УПРАВЛЕНИЮ СТАНКАМИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ 7
1.1. Особенности ТФС и обработки на них 7
1.2. Основные факторы, влияющие на виброустойчивость станка 15
1.3. Анализ состояния разработки и применения существующих АСАУ станками 2^
1.4. Цели и методы исследования
1.5. Постановка задач настоящей работы 40
1.6. Научные положения и рекомендации, разрабатываемые
в диссертационной работе ' 41
2. СТАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МЕТАЛЛООБРАБОТКИ НА ТЯЖЕЛЫХ ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ 43
2.1. Критерий оптимизации процесса резания на ТФС 43
2.2. Ограничения на режим резания 54
2.3. Оптимизация режима резания с учётом ограничений... 58
2.4. Разработка алгоритмов управления ЭП ТФС 65
2.5. Разработка методики расчета эффективности АСАУ... 76
Выводы по главе 2 81
3. ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЗВЕНЬЕВ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.. 83
3.1. Состояние вопроса 83
3.2. Математическая модель привода подачи ТФС 86
3.3. Математическая модель главного привода ТФС 102
3.4. Математическая модель эквивалентной упругой системы 112
3.5. Математическая модель процесса фрезерования как объекта регулирования усилия резания 120
3.6. Математическая модель процесса фрезерования как объекта параметрического регулирования уровня автоколебаний 141
3.7. Анализ полной структурной схемы АСАУ и характерных возмущающих воздействий
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ..
4.1. Постановка задачи
4.2. Требования к АСАУ
4.3. Синтез контура стабилизации тока
4.4. Синтез контура стабилизации подачи на зуб
4.5. Синтез контуров гашения автоколебаний
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 20!
5. РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 201
5.1. Реализация АСАУ
5.2. Исследование АСАУ на специальной моделирующей установке..20S
5.3. Исследование АСАУ на ТФС 212
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 234
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 235
ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ .237
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Классификация АСАУ станками 255
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Обзор критериев оптимизации процессов металлобработки 263
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Измерительные устройства АСАУ 268
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Характерные условия эксплуатации. ТФС 280
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Анализ основных ограничений на режим резания на ТФС 290
ПРИЛОЖЕНИЕ б. Номограммы для определения коэффициентов связи ПР с УС 300
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Отработка контуром стабилизации тока ГП ТФС периодических возмущений 306
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Функциональные и принципиальные схемы АСАУ. 310
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Стенд для моделирования и автономной настройки (без резания) АСАУ в производственных условиях 324
ПРИЛОЖЕНИЕ 10.Расчёт АСАУ для станка мод. 65А60ФІ 328
ПРИЛОЖЕНИЕ Акты внедрения 333
- Особенности ТФС и обработки на них
- Критерий оптимизации процесса резания на ТФС
- Математическая модель привода подачи ТФС
- Требования к АСАУ
- Реализация АСАУ
Особенности ТФС и обработки на них
Предприятиями ВПО "Согозтяжстанкопром" выпускается большая номенклатура ТФС. По конструктивным особенностям, габаритам, массе, а также решаемым технологическим задачам можно выделить следующие группы: уникальные продольно-обрабатывающие станки с шириной стола 4000... 5000 мм (УПС), продольно-фрезерно-расточные станки с шириной стола 8000...2500 мм (ПФС) и вертикально-фрезерные станки с шириной стола 400...1000 мм (ВФС). В таблице I.I. приведены краткие технические характеристики типичных станков - представителей этих групп производства Ульяновского ЗТС, а на рис. I,1-1.3 показаны их общие виды.
В результате систематических наблюдений за фрезерно-расточ-нымн станками, проводимых ГСКБ ФС в 1971-80 г.г. [95, 97] , определены типичные условия их эксплуатации (см. приложение 4). Анализ этих работ позволяет сделать следующие выводы.
1. ТФС используются в основном в мелкосерийном и серийном производстве при двух - односменной работе (табл. П4.І). Это означает, что номенклатура обрабатываемых деталей отличается большим разнообразием и существует настоятельная необходимость оптимизации режима резания.
2. Анализ показателей надёжности ТФС (табл.П4.2 и рис. П4.І) показывает, что основными причинами отказов станков является перегрузка электродвигателей главного движения и подачи, а также ослабление креплений и заклинивание различных механизмов вследствие вибраций системы СПИД. Применение АСАУ позволит снизить влияние режима резания на отмеченные факторы и, соответственно, повысить вероятность безотказной работы станка.
Критерий оптимизации процесса резания на ТФС
Технический эффект от внедрения АСАУ в общем случае может быть выражен следующими показателями: I) повышением производительности МО; 2) увеличением надёжности и долговечности инструмента, механических узлов и электроприводов станка; 3) повышением точности МО; 4) повышением качества обработанной поверхности; 5) уменьшением отходов в брак.
Каждая из этих составляющих может одновременно уменьшать одни статьи затрат и увеличивать другие. При оценке эффективности АСАУ достаточно учитывать только изменяющиеся статьи затрат [83].
Рассмотрим разность изменяющихся статей затрат [148] : где д обозначает разность по статьям затрат : Зс , Зн -заработной платы станочника и наладчика; 3«, - аммортизацион-ных отчислений на замену станка;. 3Р - ремонтных работ; Зэ - на электрическую энергию; Зи - на эксплуатацию, ремонт и аммортизацию инструмента; Кс , Кп - капиталовложения в систему, проектные работы, в НИР; Ен-нормативный коэффициент окупаемости. Соответствующие разности затрат могут увеличивать или уменьшать сумму (2.1). Например: стоимость ремонтных работ 3Р , с одной стороны, может уменьшаться вследствие повышения надёжности работы механических узлов и электроприводов, а с другой стороны может увеличиваться вследствие повышения ремонтослож-ности электрооборудования из-за АСАУ; с увеличением интенсивности режимов резания повышаются затраты на электрическую энергию, но одновременно снижаются затраты на компенсацию реактивной составляющей энергии вследствие повышения cos f; при расширении функциональных возможностей АСАУ повышается производительность операции, но увеличиваются капитальные вложения из-за повышения стоимости системы и проектно-исследовательских работ.
В [32] указывается, что доля внепроизводственных расходов, приходящихся на данную технологическую операцию (отчисления в фонд новой техники, затраты по реализации изделия, на НИР и т.п.) составляет 1,5...2,0 от полной стоимости и их можно не учитывать.
Математическая модель привода подачи ТФС
В соответствии с разработанным алгоритмом управления АСАУ имеет следующие структурные состояния: I) стабилизация мощности главного привода N = const регулированием подачи = var и стабилизация подачи на зуб S = SZo взаимосвязанным регулированием скорости резания V = van на виброустойчивых участках резания k kQ (контур вибраций разомкнут); 2) стабилизация мощности главного привода N = const регулированием подачи S =var при виброустойчивом резании А AQ и при выходе скорости резания на ограничение V=Vmin (разомкнут контур вибраций и контур стабилизации подачи на зуб); 3) гашение автоколебаний А А на вибронеустойчивых участках резания регулированием скорости резания V -var и стабилизации мощности главного привода N = const регу лированием подачи S =var (контур стабилизации подачи на зуб разомкнут); 4) гашение автоколебаний А 10регулированием ско рости резания V=vcir и стабилизация подачи на зуб S2 = const взаимосвязанным регулированием подачи S =var (контур стабили зации мощности разомкнут); 5) гашение автоколебаний А А0регу лированием подачи 5 = var при выходе скорости резания на ог раничение V - Vmjn или при попадании на локальный экстремум характеристики А ( V ), где А А0 (контуры стабилизации тока ГП и подачи на зуб разомкнуты). Таким образом, АСАУ имеет пять структурных состояний, в каждом из которых могут одновременно работать один или два взаимосвязанных контура управления. Для упрощения дальнейшего анализа исходную структурную схему АСАУ целесообразно привести к формализованной структуре многосвязной системы (рис.3,16).
В отличие от исходной структуры здесь регулируемыми величинами ОУ являются мощность главного привода N и уровень автоколебаний А, приведённые от усилия резания Р и мгновенного значения амплитуды автоколебаний А. Прямые и перекрёстные связи ОУ, обозначенные сплошными стрелками, показывают на функционально - необходимую для алгоритма.управления передачу регулирующих воздействий, а связи, обозначенные пунктирными стрелками, оказывают возмущающее действие. Передаточные функции по возмущающему воздействию WMS и WMV могут быть отнесены к передаточным функциям соответствующих связей ОУ, однако для ясной постановки задачи анализа АСАУ они вынесены в самостоятельные контуры.
Так как число регулируемых величин больше числа управляющих воздействий, то регуляторы УУ не могут быть выполнены сепаратными, что не позволяет облегчить синтез многосвязной системы путём выделения эквивалентной одноконтурной системы [82] .В то же время особенности структурных состояний АСАУ и требований к качеству регулирования выходных координат могут позволить произвести декомпозицию на автономные контура управления.
Требования к АСАУ
В предыдущих разделах диссертационной работы были получены следующие результаты: I) определены нужные критерии оптимизации управления ЭП ТФС в процессе резания (критерии максимальной производительности и минимальной себестоимости); 2) разработаны алгоритмы управления, на основании которых составлена функциональная схема АСАУ; 3) проанализирована эффективность полного алгоритма АСАУ и его составляющих - частных алгоритмов, по которым функционируют основные контуры АСАУ; 4) проведён динамический анализ звеньев АСАУ и получены их упрощённые математические модели; 5) составлена полная структурная схема АСАУ и определены характер и место приложения основных возмущающих воздействий.
Задачами настоящей главы является установление нужных законов регулирования в контурах АСАУ и определение параметров регуляторов в этих контурах. Для решения задач необходима предварительная постановка требований к качеству регулирования выходных переменных АСАУ.
Разбиение АСАУ на пять возможных структурных состояний позволяет установить иерархический порядок контуров управления.При виброустойчивом резании контур I стабилизации тока является основным, а контур П стабилизации подачи на зуб вспомогательным,под-слеживающим.При возникновении вибронеустойчивого режима основными являются автономные контуры стабилизации тока I и гашения автоколебаний Ш изменением частоты вращения ГП, а контур стабилизации подачи П может быть замкнут либо разомкнут. Если контур П зажнут, то на работу контура I от контура Ш накладывается дополнительное ограничение по подаче на зуб. Если включается в работу контур ІУ гашения автоколебаний подачей (контуры П и Ш разомкнуты, то он является основным, а входящий в него внутренний контур I - подчиненным.
Такая организация работы контуров управления наряду с их вышеперечисленными особенностями позволяет осуществить декомпозицию многосвязной АСАУ и применять хорошо разработанные методы синтеза автономных контуров управления.
Реализация АСАУ
Рассмотренные выше алгоритмы управления и законы регулирования были разработаны и исследованы в ГСКБ ФС [99...I04 В 1977 --79 г.г. были составлены подробные технические задания ВНИИР на проведение ОКР по одно- и двукпараметрической АСАУ. После проведения ОКР, совместных испытаний в лабораторных условиях на станке мод. 654 и доработок в 1980-81 г.г. были внедрены опытные образцы однопараметрической АСАУ с ограничением вибраций на уникальном станке мод.6650-10, трех специальных станках мод. УФ0799, на головных образцах серийных станков мод. 6560ФІ-І и мод.6612У-Ю. С 1982 года началось серийное внедрение АСАУ на ВФС мод. 6560ФІ, 65А60Ф-65А90ФІ и спецстанках на их базе, на ПФС мод.6612У-6625У, 66І2УФ2-6625УФ2, на УПС мод. 6640Ф2, 6650Ф2 и спецстанках на их базе.
Функциональные и принципиальные схемы одно - и двухпарамет-рической АСАУ, а также описания их работы приведены в приложении 8; здесь же отмечаются некоторые особенности реализации АСАУ.
Кроме вышерассмотренных в главах 2 и 4 алгоритмов функционирования АСАУ должна обеспечивать следующие функции: I) измерение сигнала холостого хода ГП и его компенсацию в обратной связи контура стабилизации тока (мощности), 2) защиты инструмента и станка от перегрузок в течение недопустимого промежутка времени, от максимальных пиковых перегрузок, от обрыва обратных связей и от других аварийных режимов; 3) индикатирование срабатывания защит, наиболее загруженного инструмента при многошпиндельной обработке и т.д.
При разработке блоков устройства учитывалась необходимость создания различных модификаций для различных типов станков. Например, для станков с ГП переменного тока вместо датчика тока возможна встройка датчика мощности; для многошпиндельных станков число каналов обратных связей может быть соответственно увеличено. Стыковка каналов производится при помощи кворум-элемента, выделяющего и подающего в узел сравнения наибольший из сравниваемых сигналов. Важное значение при этом имеет способ задания установки мощности. При задании мощности изменением коэффициента передачи обратной связи имеется возможность задавать различные уставки для разных ГП, что необходимо при многошпиндельной обработке неодинаковыми инструментами.
