Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема обработки глубоких отверстий малого диаметра 12
1.1. Особенности сверления глубоких отверстий малого диаметра и пути его совершенствования 12
1.2. Принципы управления сверлением глубоких отверстий малого диаметра 18
1.3. Цель и задача исследования 22
Глава 2. основные параметры, характеризующие процесс сверления глубоких отверстий малого диаметра 24
2.1. Постановка задачи 24
2.2. Экспериментальная установка и методы организации исследований . 36
2.2.1. Механическая часть 37
2.2.2. Электрическая часть 38
2.2.3. Датчики 48
2.2.4. Заготовительный материал, инструмент, оснастка, оптическая аппаратура 58
2.3. Общие закономерности процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра 62
2.3.1. Особенности формирования сил, действующих на сверло 64
2.3.2. Силы резания. Идентификация параметров динамической модели 88
2.3.3. Температура при сверлении глубоких отверстий малого диаметра 99
2.4. Влияние осевой жесткости силовой сверлильной головки на динамику изменения сил 106
2.4.1. Вычисление переходных процессов при врезании сверла 106
2.4.2. Методика определения осевой жесткости в процессе сверления 112
2.4.3. Уточнение постоянных времени резания в динамической характеристики процесса 120
2.5. Выводы по главе 122
Глава 3. Пути оптимизации траекторий формообразующих движений при сверлении глубоких отверстий малого диаметра 126
3.1. Постановка задачи 126
3.2. Пути оптимизации рабочих заглублений 130
3.3. Свойства траекторий формообразующих движений 135
3.3.1. Иерархия систем дифференциальных уравнений динамики сверления глубоких отверстий малого диаметра 135
3.3.2. Свойства аттракторов "медленных" движений 143
3.3.3. Взаимосвязь "быстрых" и "медленных" движений 148
Глава 4. Особенности физической реализации системы управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра спиральными сверлами. Опыт внедрения в условиях ОАО "Роствертол" 158
4.1. Конструктивные решения автоматизированных сверлильных головок 158
4.1.1. Конструктивное решение силовой сверлильной головки для станка 1В340Ф30 159
4.1.2. Конструктивные особенности силовой сверлильной головки для станка 1Г325 163
4.2. Особенности построения системы управления 167
4.3. Эффективность системы 181
Заключение и общие выводы 186
Список литературы 189
Приложение 200
- Принципы управления сверлением глубоких отверстий малого диаметра
- Экспериментальная установка и методы организации исследований
- Пути оптимизации рабочих заглублений
- Особенности построения системы управления
Введение к работе
Для станковедения вопросы производительности и надежности станочных систем всегда актуальны. Современные технологии управления посредством вычислительной техники представляют такие возможности, как повышение производительности и надежности производственных процессов. Здесь хотелось бы отметить одно важное свойство, присущее современным устройствам управления: ввиду достаточно высокой вычислительной способности и быстродействия они позволяют управлять объектами, характеризующимися нестационарностью проистекающих в них процессов. Отметим, что на сегодняшний день практически невозможно найти системы управления нестационарными процессами, не использующие современную микропроцессорную основу.
Диссертационная работа посвящена детальному изучению процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра, выявлению свойств и закономерностей этого процесса, а также включает в себя разработку принципов управления этим процессом и идеологию построения станочного оборудования для сверления глубоких отверстий и систем управления. Таким образом, представленная работа является дальнейшим развитием известных исследований М.М. Тверского, В.Л. Заковоротного, Д.В. Назаренко, А.В. Чубукина, М.Л. Яншахова, М.Ю. Лещинского и др. На базе произведенного анализа механики сверления предпринимаются попытки формулировки задачи оптимального управления процессом глубокого сверления, для чего строится подробная математическая модель, которая связывает силовые параметры процесса с пространством координат состояния системы. При этом данная модель учитывает ограничения параметров в системе. В результате математического моделирования получены алгоритмы оптимального управления процессом глубокого сверления. Также рассмотрены возможности реализации полученных алгоритмов на базе современных микропроцессорных устройств.
Отметим, что характерной особенностью, отличающей процесс сверления глубоких отверстий малого диаметра от других процессов металлообработки, является существенная нестационарность присущая данному процессу. Это обстоятельство затрудняет использование автоматизированного станочного оборудования, в таких случаях существенно снижают режимы обработки, что ведет к потере производительности. Учитывая тот факт, что с уменьшением диаметра обрабатываемого отверстия вклад нестационарности процесса начинает играть решающее значение, то, как правило, в таких случаях обработку производят вручную.
Ранее уже рассматривались вопросы, посвященные созданию оборудования для автоматизации процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра, но здесь необходимо отметить, что такое оборудование было чрезвычайно сложным, громоздким и не обладало достаточной надежностью. Более того, оно далеко не исчерпало резервов производительности и качества. По этим причинам данное оборудование не получило массового применения.
Отметим, что современная электроника обладает высоким быстродействием и надежностью. Именно этот факт позволил заново взглянуть на поставленные задачи, так как появилась возможность внедрения сложных математических алгоритмов управления нестационарными процессами.
Необходимо отметить и то обстоятельство, что современная вычислительная техника обладает высоким потенциалом для решения задач математического моделирования сложных динамических процессов. Данный подход позволяет решать численно задачи, не имеющие аналитического решения. Последнее открывает сферу в научно-исследовательской работе. Именно определение алгоритмов, основанных на изучении механики процесса сверления, позволяет сформулировать и решить задачу синтеза системы оптимальной по производительности. Изучение преобразований траекторий формообразующих движений за счет выявления их особенностей во взаимосвязи с процессом резания и создание рациональных алгоритмов диагностирования процессов характеризует, с одной стороны дальнейшее содержание исследований в области автоматизации сверления глубоких отверстий малого диаметра, а с другой, - определяет актуальность выполненных исследований для станкостроения.
Также отметим то, что принципы, рассматриваемые в данной работе, могут быть использованы в других отраслях техники и технологиях, где имеет место проявление нестационарности параметров процесса.
Научная новизна работы. В диссертационной работе рассматриваются вопросы, решение которых, на наш взгляд, представляет интерес для станкостроения. Их сущность заключается в следующем: в изучении закономерностей, связанных с изменением силовых параметров при сверлении глубоких отверстий; в определении отображения пространства состояния процесса сверления в пространство состояния управляемой системы; в определении и формализации ограничений, накладываемых на пространство состояния процесса сверления; в определении функции управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра, оптимальной по производительности при минимальных приведенных затратах; в определении оптимальной формообразующей траектории инструмента в процессе каждого единичного заглубления.
На защиту выносятся теоретическое обобщение и решение научно-технической задачи автоматизации процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра на базе математической теории оптимального управления с целью повышения его производительности, надежности и качества.
Методы и приемы исследования. В работе использовался классический подход к решению задачи оптимизации процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра. Здесь необходимо отметить два принципа к подходу решения задачи. Первый заключается в качественном решении этого вопроса. Он определен теоретической постановкой задачи, а результат достигается использованием более точной модели. Второй, количественный, заключается в использовании датчиков с большей точностью и быстродействием, это дает возможность получать поток данных, адекватных проистекающему процессу, а также использование более производительных вычислительных систем, способных обрабатывать поток информации от датчиков и реализовать сложные алгоритмы управления в реальном масштабе времени.
Результаты работ получены путем теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования включают в себя выдержки теории резания (сверления), теории автоматизированного электропривода, численных методов решения задач динамики, методов цифровой обработки сигналов и цифровой фильтрации, теории случайных процессов. Экспериментальные исследования были произведены на специально созданной установке, основу которой составляла силовая сверлильная головка, разработанная на кафедре "Автоматизация производственных процессов" ДГТУ и изготовленная на Азовском оптико-механическом заводе. Оборудование работало под управлением ПЭВМ Pentium 233. Для обеспечения функции управления и снятия данных использовалась специализированное программное обеспечение. Все статистические расчеты, а также математическое моделирование производились на ПЭВМ.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
Полученные алгоритмы, реализованные на современной вычислительной базе, позволяют обеспечить более производительный и надежный процесс сверления глубоких отверстий малого диаметра.
В работе показано, что использование современной элементной базы, как вычислительной, так и силовой электроники, дает возможность обеспечить более оптимальные подходы к управлению процессом сверления, при этом созданные системы удовлетворяют условиям надежности и себестоимости.
Разработанное лабораторное оборудование может быть использовано в дальнейшем при изучении процесса сверления, а также в учебных целях.
На базе лабораторного оборудования для предприятия ОАО "Роствертол" был создан промышленный экземпляр силовой сверлильной головки и системы управления для сверления глубоких отверстий.
Лабораторные исследования определили основные требования к проектированию специализированного оборудования для сверления глубоких отверстий малого диаметра применимое в станках с ЧПУ, а также были рассмотрены локальные системы управления процессом сверления на специализированных сверлильных головках.
Сформулированы принципы построения системы контроля качества формируемого отверстия.
Определены новые алгоритмы диагностики оборудования в ходе его работы.
8. На базе полученных алгоритмов была создана управляющая программа и построена микропроцессорная система управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра.
Апробация результатов исследования. Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях кафедры "Автоматизация производственных процессов" ДГГУ. Были произведены испытания на предприятии ОАО "Роствертол" и получены акты внедрения.
Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях:
Д.В. Назаренко, Е.Ю. Панов, П.Н. Потапенко. Управление формообразующими движениями при сверлении глубоких отверстий малого диаметра. / "Динамика технологических систем". Труды VI Международной научно-технической конференции (ДГГУ. Ростов н/Д. 2001.-284 с.)
Панов Е.Ю. Влияние осевой жесткости силовой сверлильной головки на переходные процессы изменения сил резания. / "Новые технологии управления движением технических объектов". Материалы IV Международной научно-технической конференции. (Том 3 Новочеркасск 2001.)
Лукьянов А.Д. Назаренко Д.В. Панов Е.Ю. Родригес СБ. Модернизация системы ввода/вывода программ ЧПУ металлообрабатывающих центров./ "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях". Сборник трудов по итогам VII Международной открытой научной конференции. (Выпуск 7 Воронеж 2002.)
Лукьянов А.Д. Назаренко Д.В. Панов Е.Ю. Доработка систем ЧПУ универсальных обрабатывающих центров. / "Теория и практика создания радиотехнической аппаратуры в рыночных условиях". Межрегиональная научно-практическая конференция. ФГУП "ВНИИ "Градиент". (Тезисы докладов Ростов-на-Дону 2001.)
Панов Е.Ю. Особенности автоматизации процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра. / "Технико-технологическая база развития региональной науки". Межрегиональная научно-практическая конференция ФГУП «ВНИИ «Градиент». (Тезисы докладов Ростов-на-Дону 2002.)
Панов Е.Ю. Особенности автоматизации процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра. / "Нелинейная динамика и прикладная синергетика".
Международная научная конференция ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (Тезисы докладов Комсомольск-на-Амуре 2002.)
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержание которых изложено на 217 страницах машинописного текста, включая 76 рисунков, 15 таблиц, приложение на 17 страницах и список литературы источников, включающий 198 наименований.
В первой главе изложен анализ литературных источников и состояние вопроса о подходах к решению проблемы повышения производительности и надежности сверления отверстий малого диаметра. Рассмотрены различные пути совершенствования сверлильного оборудования, делается вывод о наиболее перспективных направлениях улучшения характеристик сверлильного оборудования, сформулирована цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена описанию исследований в области механики процесса сверления глубоких отверстий спиральными сверлами. Производится описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента. Приводятся примеры результатов экспериментов и их анализ. Показана значимость воздействия пакетируемой стружки и сделан анализ развития силовых зависимостей процесса сверления от технологических режимов. Рассмотрен вопрос влияния осевой жесткости станочной системы на динамику изменения сил и дана методика определения осевой жесткости в процессе работы.
Третья глава рассматривает возможные пути оптимизации процесса сверления. Здесь показано существование оптимальной траектории формообразующих движений инструмента исходя из критерия максимальной производительности. Построена динамическая модель процесса сверления с учетом взаимодействия приводов вращения шпинделя и подачи с процессом резания, а также влияние пакетируемой стружки. Найден способ построения области устойчивого состояния процесса сверления, области заклинивания и кривой (сепаратриссы), разграничивающей эти области.
В четвертой главе описываются алгоритмы, которые позволяют двигаться в пространстве состояния системы с максимальной скоростью, максимально близко к сепаратриссе, но не переходить через нее, так как именно в этом заключается принцип максимума, обеспечивающий оптимальность по быстродействию. Здесь же учтены ограничения на пространство координат вектора управления. Кроме того, в алгоритмах реализован контроль качества формируемого отверстия и система оценивания износа режущего инструмента. Производится анализ эффективности системы управления процессом сверления в сравнении с ручной обработкой.
В приложении приведены программы и блок-схемы динамического моделирования системы управления, реализованные в математическом пакете. Приведены программы статистической обработки данных. Также прилагаются акты технического внедрения.
Работа выполнена на кафедре "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета в течение 1999-2003 гг по научно-техническим программам и грантам:
Задание Министерства на проведение отдельной НИР в рамках гранта МГТУ им. Баумана. Тема НИР: " Проведение исследований и диагностики качества изготовления деталей на металлорежущих станках токарной группы на базе стохастического прогнозирования формообразующих движений ".
Задание Министерства на проведение отдельной НИР в рамках гранта СПб ГУАП. Тема НИР: "Диагностика эволюции процесса резания как динамической самоорганизующейся системы".
НИР "Интелелктуальная система динамического мониторинга трибосопряжении в ответственных узлах приборов и машин" выполняемой в рамках программы "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий", раздел "Механика в машино- и приборостроении", научным руководителем программы является В.Л.Заковоротный.
НИР выполняемым в рамках грантов по фундаментальным исследованиям в области приборостроения, в том числе: по теме 102 «Диагностика эволюции процесса резания как динамической самоорганизующейся системы», научный руководитель - В.Л.Заковоротный
5. Конкурс 2000 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук. Раздел: Машиностроение. Шифр гранта ТОО-б.6-1049. Наименование НИР по гранту: Разработка нового класса систем числового программного управления процессами обработки на станках токарной группы на — 10— основе раскрытия эволюционных преобразований при формировании качества изделий. Руководитель НИР: Лукьянов Александр Дмитриевич.
6. Конкурс 2000 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук. Раздел: Энергетика и электротехника. Шифр гранта ТОО-1.5-3240. Наименование НИР по гранту: Изучение свойств электромеханических приводов взаимодействующих со средой. Руководитель НИР: Семко Игорь Александрович. —11--
Принципы управления сверлением глубоких отверстий малого диаметра
На сегодняшний день разработан ряд схем управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра. Коротко рассмотрим их.1. За основу построения систем принята идеология обработки на постоянных режимах. Для очистки инструмента от стружки и охлаждения производят его периодический отвод из зоны резания по величине просверленного отверстия. Учитывая, что процесс осуществляется на постоянных режимах, отвод осуществляется по времени обработки, так как в данном случае за равные промежутки времени будут достигнуты одинаковые заглубления. Данная схема является наиболее простой. Однако необходимо отметить, что для внедрения такой схемы требуется высокая культура производства. А именно, необходимо иметь инструмент с минимальным разбросом физико-механических характеристик. Помимо этого, обрабатываемый материал должен быть однородным. Здесь же отметим, что чем выше твердость обрабатываемого материала, тем меньше должна быть его неоднородность. Обработка труднообрабатываемых материалов на таком оборудовании нецелесообразна. Практика эксплуатации такого оборудования на производстве показывает, что вышеприведенные условия являются фактически невыполнимыми.2. Идеология построения этой схемы заключается в том, что как и в предыдущем случае обработка ведется на постоянных режимах. Но в системе присутствует датчик крутящего момента, а отвод инструмента из зоны резания происходит по команде датчика крутящего момента в том случае, когда величина крутящего момента превысит значение уставки.
В литературных источниках [38, 39, 87, 88, 166, 167, 168] показано, что в данном случае существенно снижается вероятность поломки режущего инструмента. При этом брак по поломке в промышленных условиях снижается до 5-10%. Положительной стороной такого способа управления является то, что отвод инструмента производится по некоторому объективному показателю, а именно, превышение крутящим моментом некоторого критического значения. Однако производительность процесса сверления при таком управлении далека от максимальной.3. Приведенные выше способы не являются оптимальными. Такое заключение можно сделать хотя бы из следующих соображений. Известно, что силы резания пропорциональны подаче. В приведенной выше схеме обработка ведется на заведомо заниженной подаче, а как только крутящий момент достигает критического значения, происходит отвод инструмента. Хотя оптимальным было бы производить сверление на такой подаче, при которой возникает момент, граничащий с критическим. Естественно, что по мере заглубления сверла момент увеличивается в следствии накопления стружки в стужкоотводящих канавках. Данный процесс должен компенсироваться изменением величины подачи. Таким образом, варьируя скорость подачи, стабилизируют крутящий момент. Этому вопросу были посвящены работы В. Л. Заковоротного, М. Л. Яншахова, А. В. Чубукина [53, 58, 60].
Анализируя все вышеизложенные способы, сделаем следующие выводы.1. На параметры процесса глубокого сверления накладываются ограничения. Это связано с физическими свойствами режущего инструмента. Поэтому в ходе обработки траектория формообразующих движений выбирается таким образом, чтобы не нарушить эти ограничения. Тут же отметим, что процесс происходит тем оптимальней, чем ближе находятся его параметры к граничным значениям. Поэтому особое внимание при построении систем следует уделить инструменту. Как правило, его изготавливают из быстрорежущей стали Р6М5 или ее модификаций. У Румянцевой И.Д. показано [146], что разрушение этого материала во многом обусловлено его ограниченной усталостной прочностью. В связи с этим, при формировании законов управления функцию управления выбирают таким образом, чтобы сумма интегральных и циклических составляющих сил не превышала этого определенного значения. По этой причине, всегда в системах управления процессом глубокого сверления задают значение уставки меньше статического предельно допустимого значения крутящего момента. Однако законы управления, учитывающие сумму интегральных и циклических сил, не рассмотрены.2. Следует сказать, что при построении станочного оборудованиянеобходимо учитывать динамические свойства механических и электрических его составляющих, а также взаимодействие их между собой. К тому же в таком станочном оборудовании, как правило, используется два электропривода. Один из них предназначен для вращения инструмента, второй - для осуществления подачи инструмента. При построении систем управления необходимо учитывать динамические свойства этих приводов, инерционность механической части, а также тот факт, что оба привода оказывают нагрузку друг на друга через процесс резания. Изложенные выше обстоятельства должны быть положены в основу при разработке систем управления процессом сверления глубоких отверстий. 3. Необходимо отметить, что зависимость возникновения силы резания от скорости есть функция существенно нелинейная. Интерес представляет та часть функции, где наблюдается спад сил при увеличении скорости. Более того, динамика движения стружки по стружкоотводящим канавкам зависит от скорости резания, и обладает некоторым экстремумом, в котором величина единичного заглубления максимальна. Однако скорость резания является ограниченной, (здесь подразумеваются ограничения исходящие из физических соображений) и не достигает своего оптимального значения по критерию минимума интенсивности изнашивания. Поэтому закон управления процессом сверления необходимо оптимизировать по критерию максимальной производительности. Необходимо добавить, что на функцию управления накладываются ограничения, обусловленные требованиями сверления без поломок инструмента и соблюдения качества формируемой оси отверстия. Из сказанного видно, что задача синтеза закона управления представляет собой вариационную задачу. Учитывая накладываемые ограничения на управление процессом сверления, задача не укладывается в рамки классических задач вариационного исчисления. Поэтому траекторию движения в пространстве
Экспериментальная установка и методы организации исследований
За основу был взят токарно-револьверный станок 1Н325. На его станине установлена силовая сверлильная головка, конструкция которой разработана на кафедре "Автоматизация производственных процессов" ДГТУ (рис. 2.6.). Функционально она представляет собой механический узел, осуществляющий формообразующие движения инструмента.
В патроне 1 рис. 2.5. токарного станка закреплена обрабатываемая деталь 2. Сверло 3 закреплено в шпинделе 5 посредством цангового зажима 4. Перемещение пиноли обеспечивает двигатель привода подачи (ДПП) типа S-300, а вращение шпинделя двигатель вращения сверла (ДВС) типа ЭД9.
Ранее силовая сверлильная головка была укомплектована трехфазным асинхронным двигателем подачи и трехфазным асинхронным двигателем вращения, что позволяло вращать шпиндель инструмента с частотой п{"] = 2800 об./мин., при скорости подачи Vs = 2,35 мм/с. Быстрый подвод пинолипроизводился со скоростью vmK)ll=\50 мм/с, а отвод инструмента со скоростью1/,,,,,=300 мм/с.
В процессе исследований возникла необходимость модернизации силовой сверлильной головки. Это связанно с теми обстоятельствами, что анализировалась большая номенклатура деталей, и рассматривалась обработка отверстий различного диаметра. Кроме этого, использование управляемых приводов подачи и частоты вращения шпинделя необходимо для формирования траекторий формообразующих движений в пределах каждого единичного заглубления. Номенклатура исследуемых деталей приведена в таблице 2.2., а их физико-механические свойства приведены в таблице 2.3.
Так как предполагалась обработка широкой номенклатуры изделий различными диаметрами, потребовалась модернизация силовой сверлильной головки. Основное содержание модернизации связано с установкой регулируемых приводов постоянного тока, обеспечивающих перемещение пиноли и регулировку частоты вращения шпинделя инструмента. Необходимость модернизации связана так же с тем обстоятельством, что была поставлена задача одновременного управления частотой вращения шпинделя инструмента и скоростью подачи.
Учитывая вышесказанное, в качестве привода подачи был использован регулируемый привод KUKA. Данный привод представляет собой электродвигатель S-300 (технические характеристики приведены в таблице 2.4.), тахогенератор, тормоз, датчик углового перемещения и транзисторный усилитель TRM03-250B. Все узлы разработаны фирмой Siemens и были взяты без изменения. Конструктивно механические части привода собраны в одном корпусе, на одной оси. Транзисторный усилитель предназначен для стабилизации частоты вращения двигателя и предотвращения аварийных ситуаций. Блок-схема транзисторного усилителя приведена на рис. 2.7.- широтно-импульсного модулятора (ШИМ).
Частота вращения двигателя задается напряжением, подаваемым на вход 5(+), б(-) дифференциального усилителя заданного значения. Его величина лежит в пределах от 0 до 15 В, что соответствует вращению от 0 до 3000 об./мин., а полярность определяет направление вращения. Включается привод сигналом "деблокировка", для его запуска необходимо подать на /вход 8/ уровень логического нуля. Включение привода KUKA позволило реализовать плавный переход от вспомогательного движения подвода инструмента к рабочему. До этого переход осуществлялся с помощью электрических муфт, переключением которых выбиралась необходимая кинематическая цепь. Время их срабатывания достаточно велико и имеет большой разброс. Обычно, при управлении таким объектом, пользуются статистическим значением времени срабатывания электрических муфт. Этот фактор оказывает значительно большее влияние на переходной процесс, нежели инерционность движущихся узлов силовой сверлильной головки.
В данном случае учитывалась динамика системы и переход от вспомогательных движений к рабочим осуществлялся по наикратчайшей фазовой траектории. Это дает возможность быстрее и точнее подвести инструмент к обрабатываемой поверхности, увеличив при этом производительность системы в целом, значительно снизить поломку инструмента и брак. Вопрос перехода от вспомогательных перемещений к рабочим заглублениям в работе не рассматривался, так как он требует самостоятельных исследований.
Как уже было сказано, в работе рассматривалась обработка двух материалов - нержавеющая сталь 12Х18Н9Т и сталь 45 сверлами разного диаметра - от 1,9 до 5мм. Ряд экспериментов был посвящен исследованию зависимости износа инструмента от скорости резания. При этих исследованиях, для стали 45 и диаметра обрабатываемого отверстия 2,5мм максимальная частота вращения шпинделя составляла 10000 об./мин. Поэтому, асинхронный двигатель привода шпинделя был заменен на коллекторный двигатель ЭД9. Его основные параметры указанны в таблице 2.4.
Однако, при обработке нержавеющий стали 12Х18Н9Т для диаметра обрабатываемого отверстия 1,9мм максимальная частота вращения шпинделя составляет 1200 об./мин. Указанный выше двигатель не может перекрывать диапазон частоты вращения шпинделя 1000-10000 об./мин. Поэтому, для проведения данных исследований, был включен двигатель такой же марки, как и на приводе подачи S-300 (параметры двигателя указанны в таблице 2.4.). Но данный двигатель также не обеспечивает необходимого диапазона регулирования, так как его максимальная частота вращения ограничена 3000 об./мин. Поэтому в экспериментальной установке предусмотрена эксплуатация как одного, так и другого двигателя, в зависимости от поставленной задачи эксперимента. Фланцевое крепление двигателей, посредством переходного кольца, позволяет обеспечить достаточно быструю их замену. На данный момент времени, в качестве двигателя вращения сверла, на станке установлен двигатель S-300. Его внешний
Пути оптимизации рабочих заглублений
Для определения управления (напряжения на якоре двигателя подачи 6 , и напряжения на двигателе вращения сверла и2) по критерию максимальной производительности будем исходить из следующих соображений.1. Система должна формировать такие траектории формообразующихдвижений VX ) и S(x), при которых величина единичного заглубления будетмаксимальна. Очевидно, что при этом количество заглублений будет минимально. Подчеркнем, что максимальной величине каждого единичного заглубления должно соответствовать минимальное время. Значения частоты вращения и скорости подачи, соответствующее максимальной координате единичного заглубления, будет называться терминальными значениями траекторий, которые характеризуют точку Fv ( ,.), "( /) Терминальная точка х-, характеризуется обеспечением максимальной глубины единичного заглубления.2. Возможно бесконечное множество траекторий (х),я(х) движения ктерминальной точке. Задача заключается в том, чтобы из этого бесконечного множества траекторий выбрать такую траекторию, при которой время движения к терминальной точке будет минимально. Для определения этой траектории воспользуемся максимумом Л.С. Понтрягина и, конкретно, теорией оптимального быстродействия, разработанной В.Г. Болтянским и Р.В. Гамкрелидзе. Согласно этой теории при движении системы по критерию / - min координаты состояния системы (в рассматриваемом случае ГДх),я(х)) должны двигаться по границемножества допустимых координат состояния. Однако, в отличие от известных задач классического вариационного исчисления, эти ограничения не являются постоянными и они накладываются не на вектор управления, а на координаты пространства состояния. Будем считать, что нам задана некоторая поверхность Мк1, = Мкп{\\(х),п(х)), то есть это четырехмерная поверхность. Однако приподходе к терминальной точке при обеспечении условия / - mill должно выполняться условие Vs - max. Этому значению соответствует значениетехнологического режима, поэтому имеет смысл рассматривать поверхность Мк -Мкр{п{х)) при изменении Vs от максимального значения до терминальноготаким образом, чтобы обеспечить движение системы согласно принципу—130— максимума. Такая поверхность для сверления стали 45 приведена на рис. 3.2. Она построена на основе экспериментальных данных, описанных во второй главе. М, 3. На приведенной иллюстрации (рис. 3.2) показана плоскость max. Все траектории, лежащие выше этой плоскости, являются недопустимыми, так как при движении по минимальному времени соответствует максимальная частота вращения шпинделя траектория движения п(х) должнасоответствовать максимальной частоте вращения шпинделя. Это значение определяется, исходя из значения интенсивности изнашивания инструмента, и выбирается из двух соображений: во - первых, при обработке труднообрабатываемых материалов 12Х18Н9Т должна быть обработка хотя бы одного отверстия; во - вторых, при обработке деталей из стали 45 это значение выбирается из условия обработки хотя бы одной партии деталей. Практически начальная частота вращения шпинделя выбирается также, исходя изконструктивных соображений и возможности регулирования привода вращения сверла.
Изложенное выше показывает, что при движении к терминальной точке система на форсированных (максимально допустимых) режимах переходит к области состояния системы (А) и затем по границе множества допустимых вариаций движения к точке xr. Однако, при движении к точке (А) при выборефорсированных режимов также необходимо учитывать, что величина подачи является ограниченной. Во второй главе было показано, что одним из ограничений, накладываемых на процесс резания (2.4), является критическое значение осевого усилия, которое, прежде всего, зависит от величины подачи на оборот.
Таким образом, алгоритм изменения режимов (частоты вращения шпинделя и скорости подачи) состоит из двух этапов. Первый этап - врезание на форсированных режимах, при этом частота вращения шпинделя и скорость подачи выбираются максимально допустимыми с учетом оговоренных выше ограничений. При этом скорость подачи и частота вращения шпинделя остаются постоянными. Это этап максимально быстрого перехода к границе ограничений, накладываемых на величину крутящего момента. Второй этап - движение к терминальной точке хт по границе области допустимых вариаций режимов, при которых крутящий момент является близким к критическому.
Необходимо подчеркнуть, что по мере движения к терминальной точке х, скорость подачи и частота вращения шпинделя уменьшаются, так как при этом имеет место накопление стружки в стружкоотводящих канавках, что вызывает интегрирование крутящего момента по перемещению.
Снижение величин технологических режимов при подходе к терминальной точке хт имеет дополнительные преимущества, обусловленные надежностьюсверления без поломок. Дело в том, что крутизна нарастания крутящего момента при неизменной подаче принципиально зависит от частоты вращения шпинделя. Поэтому, в силу ограниченности полосы пропускания системы управления, большие приращения крутящего момента во времени, имеющие место при больших частотах вращения шпинделя, могут привести к тому, что система управления не успеет их отработать.
Так как характеристика Мкр = f(x,n) при ST =Sr(xr) построена на основеэкспериментальных данных, то приведенные характеристики являются вероятностными, а граница размытой, поэтому при реализации закона оптимального управления используется следующий принцип. На основе экспериментально полученной поверхности (рис 3.2) определяется закон п(х) придвижении к терминальной точке xr. Этот закон является априорно заданным иположен в основу программного изменения частоты вращения шпинделя по координатам единичного заглубления. Что касается скорости подачи кдх), то этатраектория получается автоматически на основе создания системы стабилизации крутящего момента, при этом используется информация о текущем его значении.
Таким образом, предлагаемый подход к построению системы, оптимальной по быстродействию при сверлении глубоких отверстий малого диаметра, основан на сочетании программного управления напряжения и1 якоря двигателя
Особенности построения системы управления
Рассмотрим обобщенную блок-схему системы управления силовых сверлильных головок (рис.4.6). - подпрограмма формирования траекторий формообразующихдвижений;- подпрограмма формирования вспомогательных перемещений.
Таким образом, независимо от той или иной подпрограммы, информация окоординатах состояния приводов и параметрах процесса резания попадает в систему управления приводами. Как правило, в силовых сверлильных головках использовались аналоговые приводы, то есть задающим значением скорости привода являлось напряжение на его входе. Включение или выключение обеспечивалось дискретным сигналом. Поэтому, в сущности, система управления приводами представляла собой комплекс аналогоцифровых преобразователей и управляющей логики.
В начале работы функционирует подпрограмма формирования вспомогательных перемещений. Посредством привода П2 она обеспечивает подвод инструмента к обрабатываемой детали, при этом информация о координате пиноли X берется с датчика ОС по перемещению. Согласно подпрограмме, обеспечивается алгоритм управления, минимизирующий время вспомогательных перемещений при обеспечении заданной точности позиционирования. Так как начальная скорость подачи в зависимости от величины заглубления не остается постоянной, то при этом корректируется величина напряжения при переходе на рабочее заглубление. Во второй главе было показано, что такая коррекция целесообразна по двум обстоятельствам:при врезании осевое усилие не должно превышать некоторого критического значения, определяемого исходя из условий потери осевой устойчивости инструмента. При этом величина критического усилия возрастает по мере заглубления инструмента в заготовку;при врезании даже малые вариации радиально-неуравновешеннои составляющей силы могут способствовать развитию увода инструмента. Однако, по мере формирования отверстия, роль фактора, стабилизирующего направление движения инструмента, выполняют боковые поверхности обрабатываемой детали. Таким образом, с позиции компенсации, на увод радиально-неуравновешеннои составляющей силы величина скорости подачи возрастает по мере увеличения заглубления.
Следовательно, установка датчика ОС по перемещению (рис. 4.6) выполняет двойную роль: во-первых, с помощью этого датчика запоминается координата зоны резания и формируется относительно этой координаты функции вспомогательных перемещений обеспечивающая вывод из зоны резания инструмента для его очистки от стружки и улучшения доступа СОЖ на каждом единичном заглублении; во-вторых, с его помощью происходит коррекция режимов резания по мере заглубения инструмента.
После подвода инструмента подпрограмма формирования вспомогательных перемещений сигнализирует программе управления о начале обработки. Она предает управление подпрограмме формирования траекторий формообразующих движений. В качестве входных данных к определению оптимальных формообразующих траекторий подпрограмма получает информацию о текущей координате инструмента, его износе, значении крутящего момента, а также оценивается параметр, характеризующий тенденцию увода инструмента.
Алгоритмы оценивания этой информации будут изложены ниже. Здесь же подчеркнем, что указанная информация является основой для формирования траектории формообразующих движений в пределах каждого единичного заглубления. При этом обеспечивается текущий контроль крутящего момента и контролируется обеспечение условия мч, Mlp. Если это условие невыполняется, то в дальнейшем система управления работает как система стабилизации крутящего момента, а управление осуществляется на основе функции изменения подачи. При выполнении этого условия, система работает как система подчиненного регулирования, в которой, в приводах П1 и П2, за счет ОС по скорости в двигателях шпинделя и подачи, осуществляется стабилизация реальных траекторий изменения скоростей по перемещениям по отношению к заданным формируемым микропроцессорной системой на основе изложенной выше информации.
Результаты исследований, изложенные в третьей главе, показывают, что в пределах каждого единичного заглубления функция изменения частоты вращения шпинделя и скорости подач уменьшается по мере заглубления инструмента в заготовку. В связи с этим, наступает момент, когда дальнейшее заглубление инструмента фактически прекращается. Момент в этом случае обусловлен моментом, действующим за счет накопившейся стружки. В [54,55] показано, что существует постоянное и неизменное минимальное значение скорости подачи, при которой с учетом времени на вспомогательные перемещения производительность будет максимальна. Это значение скорости вычисляется априорно и закладывается в систему управления как исходная информация для переключения подпрограммы рабочих заглублений на подпрограмму вспомогательных перемещений. При этом, одновременно с помощью датчика ОС по перемещению "X" запоминается координата зоны резания по отношению к которой реализуется алгоритм вспомогательных перемещений: вывод из зоны резания из исходной точки; подвод к зоне резания и переключение на рабочее заглубление.
Указанные выше стадии повторяются до тех пор пока отверстие не будет просверлено.Однако в ходе эксплуатации системы было обнаружено, что при сверлении сквозного отверстия при выходе инструмента из заготовки на последней стадии сверления наблюдается поломка, инструмента. Это связано с тем обстоятельством, что, как показано во второй главе, жесткость силовой сверлильной головки в осевом направлении является конечной. В результате при выходе инструмента из зоны резания наблюдается резкое увеличение подачи. Она возрастает из за того, что накопленная потенциальная энергия в виде упругих деформаций в осевом направлении приводит к дополнительным перемещениям инструмента в сторону обрабатываемого отверстия (наблюдается "закусывание" инструмента при выходе из заготовки). При этом происходит всплеск крутящего момента, величина которого может достигать критического значения. По данным опытно-промышленных испытаний в условиях ОАО "Роствертол", при сверлении отверстия в стали 45 этот эффект практически отсутствует. Однако при сверлении стали 12Х18Р9Т такой эффект является правилом. Поэтому алгоритм управления предусматривает коррекцию последнего заглубления на пониженных режимах и информационный переход на эти режимы программируется по датчику ОС по перемещению "X".Рассмотрим подробнее функционирование следующих систем:система управления приводами как система подчиненногорегулирования;система оценивания увода инструмента;
