Содержание к диссертации
Введение
Технологическая эффективность обработки на станках с программным управлением и работоспособность режущего инструмента при выработке эксплуатационного ресурса и износе станков с чпу. состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Проблемы обеспечения размерной точности обработки и работоспособности режущего инструмента в современном механообрабатывающем производстве при выработке эксплуатационного ресурса и износе станков с ЧПУ 13
1.2. Проблемы оптимизации процесса резания, критерии оптимальности, системы и параметры регулирования, управление обработкой на токарных станках с ЧПУ ... 15
1.3. Системы программного управления, информационно-измерительные системы и их эффективность при обработке на станках с ЧПУ 20
1.4. Проблемы, состояние вопроса и задачи исследования 27
Модель и программно-аппаратное обеспечение интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на токарных станках с ЧПУ 32
2.1. Формулирование задачи оптимального управления точностью обработки на токарном станке с ЧПУ 32
2.2. Модель интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на токарных станках с ЧПУ 40
2.3. Структура программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на токарных станках с ЧПУ 47
2.4. Формирование программно-аппаратного комплекса интегрированной системы диагностики и управления обработкой на токарных станках с ЧПУ 51
2.5. Выводы по разделу 57
Исследование отклонений геометрической формы, деформаций и перемещений элементов технологических систем и их диагностика при обработке на токарных станках С ЧПУ 58
3.1. Установки и аппаратура для диагностики отклонений формы, деформаций и перемещений в технологических системах с шаговым и следящим приводом подач токарных станков с ЧПУ 58
3.2. Исследование отклонений от прямолинейности перемещений исполнительных рабочих станков с ЧПУ и погрешностей отсчета координат при изменении нагрузок в технологических системах 63
3.3. Деформации и перемещения элементов технологических систем станков с ЧПУ при их силовом и температурном нагружении 66
3.4. Математическая модель погрешностей и определение величины коррекции траектории движения формообразующего режущего инструмента при обработке на токарных станках с программным управлением 69
3.5. Выводы по разделу 78
Система резания и оперативная диагностика нагружения режущего инструмента в процессе обработки на токарных станках с ЧПУ 79
4.1. Формулирование критерия оптимальности и модель взаимосвязи параметров системы резания при обработке на токарных станках с ЧПУ 79
4.2. Определение составляющих силы резания по рассогласованию положения в следящем приводе станка с ЧПУ 85
4.3. Оперативная коррекция траекторий движения формообразующего режущего инструмента, компенсирующая погрешности обработки на токарных станках с программным управлением
4.4. Устройства для оперативной диагностики режимов силового и температурного нагружения режущего инструмента. Компенсация износа режущего инструмента при размерной обработке на токарных станках с ЧПУ 97
4.5. Выводы по разделу 103
Повышение технологической эффективности обработки и работоспособности режущего инструмента при точении на токарных станках с чпу с использованием интегрированных систем диагностики и управления 104
5.1. Интерфейс оператора интегрированной системы диагностики и управления от PCNC процессами обработки на токарных станках с ЧПУ 104
5.2. Повышение качества обработки и размерной точности формообразования деталей точением при использовании интегрированных систем диагностики и управления от PCNC процессами обработки на токарных станках с ЧПУ... ПО
5.3. Повышение эффективности эксплуатации и использование оригинальных конструкций сборного инструмента повышенной работоспособности при обработке на токарных станках с ЧПУ 119
5.4. Снижение трудоемкости, повышение производительности и технико-экономической эффективности использования технологического оборудования при его реновации и переоснащении интегрированными системами диагностики и управления обработкой на токарных станках с ЧПУ 122
5.5. Выводы по разделу 127
Основные выводы и результаты работы 128
Список использованных источников
- Проблемы оптимизации процесса резания, критерии оптимальности, системы и параметры регулирования, управление обработкой на токарных станках с ЧПУ
- Структура программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на токарных станках с ЧПУ
- Исследование отклонений от прямолинейности перемещений исполнительных рабочих станков с ЧПУ и погрешностей отсчета координат при изменении нагрузок в технологических системах
- Определение составляющих силы резания по рассогласованию положения в следящем приводе станка с ЧПУ
Введение к работе
Конкурентоспособность современного многономенклатурного машиностроительного производства и его продукции определяется гибкостью и технологическими возможностями обеспечения высокого качества изготовления изделий, которое чаще всего в решающей мере обеспечивается точностью процессов механообработки при повышении эффективности производства за счет наращивания производительности технологического оборудования.
В условиях нарастающего старения основных производственных фондов и, прежде всего механообрабатывающего оборудования, при остром дефиците инвестиций в их обновление возникает проблема поддержания и более того -увеличения производственной точности и производительности металлорежущих станков и в том числе наиболее технологически эффективных - станков с числовым программным управлением. Выборочный анализ состояния технологического оборудования на ряде конверсионных предприятий и на предприятиях нефтегазового машиностроения показывает, что до 80% и более станков с ЧПУ по нормам точности к настоящему времени выработали свой эксплуатационный ресурс и возможности его восстановления за счет проведения ремонта в обозримом будущем также не имеют достаточного финансово-экономического обеспечения.
Попытки реализации в производственных условиях повышения точности обработки на станках с ЧПУ путем введения в управляющие программы пре-дискажений траекторий движения формообразующего режущего инструмента с целью компенсации погрешностей, возникающих в технологических системах (ТС), на практике необходимой технологической эффективности, как правило, не обеспечивают. При этом большая часть находящихся в эксплуатации систем программного управления функционально не позволяет с целью компенсации погрешностей вводить в режиме реального времени в управляющие программы оперативную коррекцию перемещений исполнительных рабочих органов непо-
средственно в процессе обработки на станках с ЧПУ.
Выработка эксплуатационного ресурса технологического оборудования предопределяет снижение жесткости ТС и ухудшение условий эксплуатации режущего инструмента, что в свою очередь приводит к снижению размерной стойкости резцов, осыпанию и выкрашиванию режущих кромок, макросколам и разрушению режущей части твердосплавного инструмента, повышенным потерям по браку и простоям станков с программным управлением, снижению эффективности процессов механообработки в целом.
Цель работы. Повышение размерной точности, производительности, качества обработки и эффективности использования режущего инструмента в условиях выработки эксплуатационного ресурса и снижения производственной точности технологического оборудования при точении на станках с программным управлением.
Задачи исследования.
Формулирование критерия оптимизации и разработка модели интегрированной системы, объединяющей диагностику и управление обработкой на токарных станках, оснащаемых специализированной системой ЧПУ типа PCNC.
Разработка установки, методики и программно-аппаратного комплекса для предварительной и оперативной диагностики технологических систем, исследование отклонений геометрической формы, деформации и перемещений элементов ТС при их нагружении, а также разработка системы ввода оперативных коррекций в траектории движения формообразующего режущего инструмента, компенсирующих погрешности, возникающие в процессе обработки на токарных станках с ЧПУ.
Реализация с использованием интегрированной системы диагностики и управления (ИСДУ) оперативной диагностики процессов нагружения режущего инструмента, а также коррекции режимов резания с целью обеспечения регламентированного ресурса работоспособности инструмента при специфических изменениях скорости и глубины резания, подачи инструмента, диаметра обра-
ботки и параметров сечения срезаемого слоя в процессе точения на токарных станках с программным управлением.
Разработка конструкций режущего инструмента повышенной прочности, жесткости и работоспособности для условий обработки на станках с ЧПУ при выработке их эксплуатационного ресурса, снижении жесткости технологических систем станков.
Проведение исследований и оценка технологической эффективности ввода коррекций в траектории перемещений формообразующего режущего инструмента с целью повышения его работоспособности при обеспечении точности обработки в процессе точения с использованием интегрированной системы диагностики и управления обработкой на токарных станках с ЧПУ.
Методы исследования. При выполнении работы использованы методы вычислительной математики и аналитической геометрии, информатики, математического моделирования и программирования, матричного анализа, интерполяции и аппроксимации, математической обработки результатов экспериментов, технологии машиностроения, теории резания. Экспериментальные исследования проведены по оригинальным методикам. Разработанные вычислительные алгоритмы имеют оригинальное авторское содержание.
Автор защищает:
положение о повышении технологической эффективности обработки при использовании интегрированных систем диагностики и управления точением на токарных станках с программным управлением;
методику систем нагружения и измерения отклонений геометрической формы, деформаций и перемещений элементов технологических систем обработки на токарных станках с ЧПУ в сочетании с использованием программно-аппаратного комплекса регистрации и обработки данных диагностики токарных станков при их оснащении системами программного управления типа PCNC;
технологически ориентированный программно-аппаратный комплекс управления обработкой на токарных станках с ЧПУ, реализующий для повыше-
ния точности обработки оперативную коррекцию траекторий движения исполнительных рабочих органов станков, компенсирующую погрешности, а также управление режимами резания с обеспечением рационального силового и температурного нагружения режущего инструмента при изменении входных параметров системы резания;
методику и программную реализацию определения при точении составляющих силы резания по данным измерения величин рассогласования задаваемых и фактически отрабатываемых координат в следящих приводах станков с ЧПУ;
оригинальные конструкции сборного режущего инструмента повышенной работоспособности для условий обработки на токарных станках с ЧПУ;
модель обрабатываемости резанием, а также силового и температурного нагружения режущего инструмента при точении сложных фасонных деталей на токарных станках с ЧПУ во взаимосвязи с изнашиванием и работоспособностью режущего инструмента.
Научная новизна работы:
Научно обосновано и экспериментально подтверждено выдвинутое положение об эффективности технологического обеспечения точности токарной обработки путем комплексной диагностики и управления технологическим оборудованием, переоснащаемым системами программного управления типа PCNC, в условиях значительной выработки эксплуатационного точностного ресурса металлорежущих станков с ЧПУ.
Разработана модель диагностики, методики, установки и оригинальные устройства для измерения отклонений геометрической формы, деформаций и перемещений элементов ТС при различных схемах и режимах их нагружения, что при оснащении токарных станков системами программного управления типа PCNC позволяет с использованием оригинального программно-аппаратного комплекса регистрировать данные диагностики ТС конкретного технологиче-
ского оборудования и использовать их для определения величин компенсирующих коррекций при управления процессами обработки на станках с ЧПУ.
Разработана модель обрабатываемости резанием и взаимосвязи параметров системы резания и экспериментальными исследованиями подтверждено, что в процессе точения сложных фасонных деталей на станках с ЧПУ при изменении скорости и глубины резания, подачи инструмента, диаметра обработки, формы сечения срезаемого слоя и изменении износа инструмента программно-аппаратная реализация посредством PCNC режима управления обработкой, обеспечивающего постоянство контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях инструмента, обеспечивает также стабильность качества формируемого поверхностного слоя детали и повышение надёжности прогнозирования работоспособности режущего инструмента.
Разработана модель интегрированной системы, сочетающей предварительную и оперативную диагностику с управлением процессами точения на металлорежущих станках, переоснащаемых системами ЧПУ типа PCNC, а также технологически ориентированный программно-аппаратный комплекс диагностики и управления процессами обработки, комплексное использование которых позволяет реализовать наиболее полное использование эксплутационного точностного ресурса конкретного технологического оборудования и рациональное использование режущего инструмента при обеспечении стабильности качества и наибольшей для конкретных условий технико-экономической эффективности обработки.
Практическая ценность работы заключается в разработке экспериментально-теоретического и программно-аппаратного комплексов, а также установок и устройств для повышения эффективности процессов обработки на станках с ЧПУ, в основу которых положены:
- научно-методологическая база в виде комплекса методик определения
параметров отклонений от правильной геометрической формы, деформирова
ния, силового и температурного нагружения элементов ТС, а также параметров
системы резания в сочетании с системой компьютерной регистрации и обработки экспериментальных данных диагностики применительно к конкретным условиям обработки;
технологически ориентированный программно-аппаратный комплекс диагностики и управления процессом обработки на станках с ЧПУ, оригинальные программные продукты для управления станками со следящим и шаговым приводами, реализующие при использовании систем программного управления типа PCNC интерполяцию и оперативный ввод коррекций в траектории движения формообразующего режущего инструмента при точении на станках с ЧПУ, а также разработанный интерфейс оператора станков, оснащаемых системами программного управления типа PCNC;
модель обрабатываемости резанием применительно к условиям точения на станках с ЧПУ, позволяющая с учетом текущих изменений силовых и температурных нагрузок прогнозировать величины износа режущего инструмента и составляющих сил резания и на этой основе реализовать эффективные алгоритмы управления процессом резания при рациональном использовании эксплуатационного ресурса инструмента и полном использовании точностного ресурса токарных станков с ЧПУ.
оригинальные конструкции сборного режущего инструмента повышенной прочности, жесткости и надежности для условий обработки на станках с ЧПУ при большой выработке их эксплуатационного ресурса.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на научных, научно-практических, региональных, всероссийских и международных конференциях: Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении». Тюмень: ТюмГНГУ, 2000 г.; Областной научно-методической конференции «Информационные технологии». Тюмень: ТюмГНГУ, 2002 г.; Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири». Тюмень: ТюмГНГУ, 2003 г.; III Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении». Пенза:
Пензенский государственный университет, 2003 г.; IX Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов». Пенза: Пензенский государственный университет, 2004 г.; II Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения». Томск: Томский политехнический университет, 2004 г.
Проблемы оптимизации процесса резания, критерии оптимальности, системы и параметры регулирования, управление обработкой на токарных станках с ЧПУ
Основой теоретических и практических разработок при решении задач оптимизации и управления обработкой являются труды Л.С. Мурашкина, А.К.Мартынова, Г.Л. Куфарева, В.К. Старкова, А.Г. Суслова, B.C. Мухина, В.Э. Рыжова, В.А. Красильникова, B.C. Кушнера, A.M. Сулимы, Е.М. Трента, М.Е. Мерчанта и др. При этом для управления в технологических системах информационными и материальными потоками предложено использовать методы теории массового обслуживания, основные положения и математический аппарат которых разработаны Е.С. Вентцель, Б.В. Гнеденко, Г.А. Ивницким, Г.П. Климовым, И.Н. Коваленко, А.Н. Колмогоровым, Т.П. Мартьяновичем, Л.А. Овчаровым, Т.Л. Саати, А.Я. Хинчиным.
Эффективное управление процессами механообработки и их оптимизация принципиально могут быть реализованы на основе использования моделей процесса резания, разработанных В.А. Кудиновым, СИ. Петрушиным, B.C. Куш-нером, С. By, Д. Керроллом, В.К. Старковым и др.
В соответствии с [12] наиболее эффективное, т.е. оптимальное управление режимом резания и нагружения инструмента при точении деталей в общем случае сводится к определению скорости резания V и величины подачи на оборот S, при которых изображающая точка в фазовом пространстве (V, S, tp, t) обеспечивает максимум функционалу: Jn = \ TV(t)-s(t).tF(t)cdt ( + . (1Л) где T - период стойкости инструмента, мин; tp - глубина резания, мм; tCM - время простоя станка и при смене инструмента, мин; t - текущее время, мин. Авторы [12], принимая скорость резания V и подачу S в качестве управляющих воздействий, глубину резания t в качестве возмущающего воздействия, а стойкость Г в качестве налагаемого ограничения и считая, что перечисленные параметры в разных сочетаниях могут быть постоянными и переменными, получают двенадцать вариантов показателя эффективности токарной обработки. Указанные варианты (см. табл. 1 Приложения 2), описывают основные способы управления режимом резания, базирующиеся как на самонастройке, так и на стабилизации тех или других параметров ТС. При этом системы, обладающие экстремальными рабочими характеристиками, относят к самонастраивающимся (режимы 3, 4, 7, 8, 11, 12), остальные (режимы 1, 2, 5, 6, 9, 10) - к системам стабилизации. Поскольку рабочие характеристики режимов 7 и 8 обладают экстремумами, структурные схемы их представляют собой самонастраивающиеся системы.
Изучая деформации в технологической системе, Б.С. Балакшин пришел к выводу, что "...основным фактором, влияющим на точность и производительность обработки является отклонение сил резания, порождающее упругие перемещения режущего инструмента относительно базы станка или приспособления" [1], и если поддерживать постоянство сил резания путем изменения скорости резания или подачи инструмента, то ход технологического процесса будет оптимальным. Разработанный им способ механической обработки, обеспечивающий оптимизацию процесса за счет изменения условий обработки, прежде всего режимов резания, в зависимости от конкретных условий нагружения ТС в каждой точке технологического пространства назван адаптивным резанием.
В соответствии с реализуемыми целями различают два основных вида адаптивных систем: предельного регулирования АСС (Adaptive Control Constraint) и оптимизации АСО (Adaptive Control Optimisation) [7].
Адаптивные системы АСС осуществляют предельное регулирование по текущей информации о значениях одного или нескольких контролируемых параметров в зоне резания. Примером использования такой системы является применение на токарном станке типа DFS400NC/AC системы ASEMA, стабилизирующей силу резания, что позволяет снизить штучное время обработки на 25-50% за счет увеличения подач при резании Scp=l,4 мм/об (по сравнению с Scp=0,7 мм/об без ACQ [133].
По данным Б.М. Базрова [6] на практике выгоднее применять системы предельного регулирования (АСС), например, со стабилизацией силы резания (Pz,Py = const), тогда как создание и эксплуатация систем оптимизации (АСО) требует больших затрат. Не смотря на это, зарубежными фирмами "Гидельмей-стер", "Сименс" (Германия), "Грумман Эйркрафт Корпорейшн" и "Боинг (США), а также японскими фирмами разработаны автоматические системы регулирования АСО, оптимизирующие технологический процесс из условия минимизации себестоимости обработки [7,25,74,122,131,136].
Различают: ССР - системы стабилизации силы резания; СМР - системы стабилизации мощности резания; СТР — системы стабилизации температуры резания. Системы стабилизации режима резания, особенно системы ССР, СМР и СТР, обладают рядом общих свойств и построены по аналогичным структурным схемам.
Структура программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на токарных станках с ЧПУ
Функционирование интегрированной системы диагностики и управления обработкой на токарных станках с ЧПУ обеспечивается с использованием системы управления на базе промышленного технологически ориентированного персонального компьютера. В основу разработки программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления (ИСДУ) процессами обработки на токарных станках с ЧПУ положен принцип многоуровневой организации обработки информации при управлении посредством микроЭЯМ, что в современных условиях предопределяет необходимость построения архитектуры и программного обеспечения ИСДУ на базе промышленного персонального компьютера.
В качестве конфигурационного ядра ИСДУ использованы средства системной связи, обмена и управления, обеспечивающих сопряжение ИСДУ с технологическим оборудованием, что согласуется с практикой применения программно-логических, электрических и конструктивных средств сопряжения в проблемно-ориентированных управляющих и измерительных комплексах на базе микроЭ М. С учетом изложенного программное обеспечение ИСДУ составляется из программных модулей, что обеспечивает многофункциональность, расширение и модернизацию структуры ИСДУ в процессе ее развития без нарушения работоспособности системы в целом.
По принципу организации общей структуры ИСДУ является системой с распределенно-централизованной организацией управления, позволяющей сочетать преимущества сетевой и иерархической организации уровней управле ния. Основываясь на распределено-централизованном принципе организации структуры и модульном принципе построения, в работе реализован синтез конфигурационного ядра ИСДУ с учетом внутрисистемных информационных связей, каналов ввода-вывода и обработки информации, средств сопряжения с периферийными устройствами и технологическим оборудованием.
Структура программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на станках с ЧПУ представлена на рисунке 2.4 а.
Управление ИСДУ осуществляется посредством системы контроллеров и модулей, реализующих управление станком с использованием представленного выше программного обеспечения. Платформой конфигурационного ядра ИСДУ является операционная система Windows NT Для модулей числового программного управления, работающих в режиме реального времени, в качестве операционной системы использована оригинальная операционная система реального времени.
В структуре ИСДУ выделены следующие уровни: - интерфейсный, осуществляющий перераспределение информационных потоков и заданий в зависимости от текущего режима работы ИСДУ. С его помощью оператор осуществляет управление и принимает сообщения о ходе технологического процесса при работе ИСДУ. Этот уровень представлен интерфейсом оператора ИСДУ; - информационно-измерительный, осуществляющий сбор и обработку информации о текущем состоянии технологической системы; - исполнительный, преобразующий сигналы управления, сформированные системой управления, в движения исполнительных рабочих органов станка. Эти функции выполняет часть системного программного обеспечения NC-приложения.
Помимо того в структуре ИСДУ выделены более мелкие независимые структуры. Например, интерфейсный уровень представляет собой комплекс сложных, иерархически связанных уровней. Внутри информационно-измерительного уровня можно выделить систему сбора информации от датчиков ТС и систему обработки информации. Исполнительный уровень разделен на несколько модулей по числу независимых приводов и т.д.
Интерфейс оператора ИСДУ является самым верхним уровнем иерархии программного обеспечения ИСДУ и обеспечивает доступ к технологическим и информационным ресурсам системы управления в различных режимах работы ИСДУ, в том числе в режиме диагностики погрешностей ТС, в режиме ручного и программного управления обработкой на станке с ЧПУ. Кроме того, интерфейс оператора ИСДУ выполняет функции информационного канала и коммуникационной шины в процессе передачи сигналов управления, измерения, контроля и диагностики между программными модулями различных уровней в процессе их работы.
Драйверы устройств «ввода-вывода» - это пакет системного программного обеспечения, осуществляющий управление периферийными устройствами в составе технологического оборудования посредством программируемых контроллеров устройств «ввода-вывода» в режиме реального масштаба времени.
Состав прикладного и системного программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления обработкой на токарном станке с ЧПУ представлен на рисунке 2.4 б.
Некоторым средним звеном в иерархии структуры программного обеспечения ИСДУ являются пакеты программного обеспечения, включающие в себя Л С-приложения и РС-приложения.
М7-приложения - часть системного программного обеспечения ИСДУ, формирующая среду для выполнения основных задач программного управления, в том числе управления следящим приводом, обеспечения цикла интерполяции и коррекции траектории движения формообразующего режущего инструмента, обеспечения измерительного цикла, связь с электроавтоматикой технологического оборудования и т.д.
Исследование отклонений от прямолинейности перемещений исполнительных рабочих станков с ЧПУ и погрешностей отсчета координат при изменении нагрузок в технологических системах
Перед началом проведения экспериментальных исследований отклонений от прямолинейности перемещений суппорта станка в продольном и поперечном направлении проводится подготовка токарного станка и установка на него контрольно-измерительного оборудования. Для учета фактора температурных деформаций станок включался и работал на холостом ходу при частоте вращения шпинделя «=1000 об/мин в течение двух часов. После выхода станка на установившийся тепловой режим осуществлялся контроль положения поверочных линеек относительно направляющих станины и суппорта станка.
Вариант компоновки экспериментальной установки для исследования отклонений от прямолинейности перемещений исполнительного рабочего органа токарного станка в продольном и поперечном направлении представлен на рисунках 22-23 Приложения 2.
Диагностика отклонений от прямолинейности перемещений исполнительного рабочего органа токарного станка с ЧПУ в продольном направлении осуществляется в режиме автоматического эксперимента и состоит из ряда последовательных циклов, реализуемых для различных (с шагом п) положений суппорта станка по оси координат X (см. рисунок 21 Приложения 2). Каждый цикл диагностики осуществляется при определенном сочетании нагрузок на суппорт в направлении технологических составляющих силы резания Рх и Ру. При этом происходит программное перемещение исполнительного рабочего органа станка по направлению вдоль оси координат Z на постоянной скорости подачи в пределах технологического пространства в плоскости X0Z системы координат станка сначала в положительном, затем в отрицательном направлении с возвратом в исходное положение. Положительные и отрицательные направления перемещения исполнительного рабочего органа станка в процессе диагностики на рисунке 22 Приложения 2 указаны соответствующими стрелка ми. При перемещении ИРО станка по направлению вдоль оси координат Z параметры АХ каждой траектории определяются с шагом т (см. рисунок 21 Приложения 2) с помощью измерительного датчика и посредством устройства цифровой индикации ЛИР-531 вводятся в память ИСДУ. Измерительной базой для измерительного датчика является линейка поверочная (длиной 1000 мм.), установленная на станине станка параллельно оси координат Z. После проведения всех циклов диагностики в памяти ИСДУ формируется массив данных по параметрам АХ всего ансамбля траекторий перемещений исполнительного рабочего органа станка по направлению вдоль оси координат Z.
Диагностика отклонений от прямолинейности перемещений исполнительного рабочего органа токарного станка в поперечном направлении осуществляется в режиме автоматического эксперимента и состоит из ряда последовательных циклов, реализуемых при одном, произвольном положении суппорта по оси координат Z. Каждый цикл диагностики осуществляется при определенном сочетании нагрузок на суппорт в направлении технологических составляющих силы резания Рх и Ру и включает в себя программное перемещение исполнительного рабочего органа станка по направлению вдоль оси координат X на постоянной скорости подачи в пределах технологического пространства в плоскости X0Z системы координат станка сначала в положительном, затем в отрицательном направлении с возвратом в исходное положение. Положительные и отрицательные направления перемещения исполнительного рабочего органа станка в процессе диагностики на рисунке 23 Приложения 2 указаны соответствующими стрелками. При этом параметры AZ каждой траектории с шагом п (см. рисунок 21 Приложения 2) определяются с помощью измерительного датчика и посредством устройства цифровой индикации ЛИР-531 вводятся в память ИСДУ. Измерительной базой для измерительного датчика является линейка поверочная (длиной 320 мм.), установленная на станине станка параллельно оси координат X. После проведения всех циклов диагностики погрешностей ТС в памяти ИСДУ формируется массив данных по параметрам AZ всего ансамбля траекторий перемещения исполнительного рабочего органа токарного станка по направлению вдоль оси координат X.
Наладки для диагностики позиционных отклонений ДЛґот прямолинейности перемещений ИРО токарных станков мод. 16К20ФЗ и мод. ТПК-125ВРМ в направлении оси координат Z представлены на рисунках 24-25 Приложения 2.
Исследования, проведенные в производственных условиях, показали наличие значительной погрешности отсчета перемещений у ряда токарных станков с ЧПУ. На рисунках 26-28 Приложения 2 представлены сравнительные показания положения ИРО станков, индицируемых системой ЧПУ и положения ИРО станков, контролируемых с помощью установленных в ТС цифровых измерительных линеек системы измерения линейных перемещений мод. ЛИР-531. Погрешности отсчетов перемещений исполнительных рабочих органов станка с ЧПУ в направлении осей координат X, Z обусловлены совместным влиянием неравномерности износа ходовых винтов а также продольных и поперечных направляющих станины.
Определение составляющих силы резания по рассогласованию положения в следящем приводе станка с ЧПУ
Как известно, система ЧПУ осуществляет управление следящим приводом подачи в реальном масштабе времени. Эту функцию в системе ЧПУ выполняет операционная система реального времени (ОСРВ), осуществляющая прерывание фоновой программы системы ЧПУ и запуск стоящих в очереди алгоритмов управления следящим приводом всех управляемых координат с частотой до 1000 Гц (таким образом, интервал управления следящими приводами станка с ЧПУ составляет одну миллисекунду).
Рассмотрим структурную схему следящего привода токарного станка с ЧПУ представленную на рисунке 4.2. В течение очередного интервала управления система ЧПУ формирует управляющее напряжение Uynp, для исполнительного электродвигателя, определяющее закон перемещения исполнительного рабочего органа в течение следующего интервала управления. С этой целью сравнивается информация датчика обратной связи по положению о фактическом положении їфакт.і рабочего органа станка в текущем интервале управления с информацией о задании на перемещение Z3adi для следующего интервала управления, поступающей из интерполятора. При наличии рассогласования Zpacc.i+i = Z3adj - Z(i aKmi в течение следующего интервала управления исполнительный электродвигатель будет вращаться со скоростью, пропорциональной сигналу рассогласования, поскольку на управляющий вход комплектного элек тропривода поступит напряжение управления Uynp z = Кт ZpaccM, где Кп z- коэффициент пропорциональности Я-регулятора следящего привода продольной подачи. Таким образом, усилие следящей системы будет направлено на уменьшение рассогласования, вплоть до его уничтожения. В случае постоянного наличия рассогласования следящая система будет действовать непрерывно в направлении его уменьшения.
Для установления зависимости величины рассогласования по положению є следящего привода рассмотрим принцип работы кругового датчика обратной связи по положению, схема которого представлена на рисунке 4.3. В общем случае датчик положения состоит из растрового диска (2), закрепленного на ходовом винте (1) и оптопары (4), установленной напротив расположенных по периферии растрового диска отсчетных отверстий (3).
При вращении растрового диска меняется фототок фотодиода оптопары и образующиеся при этом прямоугольные импульсы напряжения поступают на вход аппаратного счетчика координаты. При перемещении исполнительного рабочего органа станка на одну дискрету растровый диск поворачивается на угол, равный углу между центрами двух соседних отсчетных отверстий. Из уравнения (4.22) видно, что составляющую силы резания Рх можно определять, используя задаваемую в управляющей программе скорость подачи F и определяя по формуле (4.22) рассогласование положения sz.
Точно так же определяются составляющие силы резания Ру, Pz : ,,.- , ,, (4.23) иХ иш где єх,єш рассогласование положения соответственно привода поперечной подачи и привода главного движения; ах, Ьх, аш, Ъш обобщенные коэффициенты соответственно привода поперечной подачи и привода главного движения.
Таким образом, определение силы резания в следящем приводе токарного станка с ЧПУ осуществляется по следующему алгоритму: 1. Определяется рассогласование положения 8г привода продольной подачи: sz и .ы Z paKm.i. 2. Определяется составляющая силы резания Рх. = (z bzF)laz 3. Определяется рассогласование положения х привода поперечной ПОДаЧИ: ЕХ задлА Хфакт\ . 4. Определяется составляющая силы резания Ру .Ру (х bxF)/ax. 5. Определяется рассогласование положения ш привода главного ДВИЖеНИЯ: Єш = зад.і-l - Зфактл . 6. Определяется составляющая силы резания Pz:Pz = (ш KF)lam. 7. Определяется сила резания: Р - лм л- +Ру +Pz .
Структурная схема следящего привода токарного станка с ЧПУ с возможностью определения величины силы резания представлена на рис. 4.4.
Наиболее эффективным способом определения и уточнения параметров следящего привода в процессе эксплуатации технологического оборудования является периодическое экспериментальное исследование характеристик следящего привода. С целью экспериментального определения параметров следящего привода токарного станка мод. 16К20ФЗ с ЧПУ используется экспериментальная установка, описанная в разделе 3.1.
Экспериментальное определение параметров az, bz следящего привода продольной подачи токарного станка с ЧПУ осуществляется в режиме автоматического эксперимента и состоит из ряда последовательных циклов, реализуемых для каждого значения величины подачи F суппорта станка по оси координат Z в отдельности. Каждый цикл диагностики осуществляется при определенной нагрузке на суппорт станка в направлении технологической составляющей силы резания Рх и включает в себя программное перемещение исполнительного рабочего органа станка по направлению вдоль оси координат Z. В процессе определения параметров следящего привода продольной подачи измеряется величина рассогласования положения Є z и вводится в память ИСДУ.
Графически результаты экспериментальных исследований представлены семейством характеристик sz = f(Px,F), приведенными на рисунке 40. Приложения 2. Коэффициенты az, bz эмпирической зависимости для рассогласования положения в следящем приводе продольной подачи определялись методом наименьших квадратов. Применительно к полученным экспериментальным данным, представленным в таблице 10 Приложения 2, az =0.001, 6Z=0.02. Таким образом, согласно (4.22) текущее значение составляющей силы резания Рх определяется как Рх = 1000z - 20FZ.
В процессе обработки на токарных станках с ЧПУ по результатам проведения диагностики погрешностей ТС АХ, AZ станка осуществляется компенсация этих погрешностей путем ввода коррекции Кх, Kz в траектории движения перемещении исполнительного рабочего органа (суппорта) ИРО станка в зависимости от текущего усилия резания.
Определение величины отклонений от прямолинейности AZ при станка в процессе диагностики погрешностей ТС станка проводится при некотором положении суппорта станка по оси координат Z (см. раздел 3.2). Результатом математической обработки экспериментальных данных отклонений от прямолинейности AZ при перемещении ИРО станка в поперечном направлении, как показано в разделе 3.4, является матрица коэффициентов интерполяционного полинома.
