8. Производственные машины с параллельной и гибридной кинематикой.

Благодаря появлению высокопроизводительных компьютеров и интеллектуальных мехатронных моделей стало возможным управление движением машин с нелинейной структурой в реальном масштабе времени. Мехатронный подход к интеграции прецизионной механики с микроэлектронными, вычислительными и сенсорными устройствами делает перспективным создание и внедрение машин с параллельной и гибридной кинематикой в различных отраслям промышленности.

Такие мехатронные центры (машины), состоящие из ряда модулей контролируют предельные значения скоростей и ускорений в приводах, исключают возможность достижения границ рабочей зоны линейными или ориентирующими степенями подвижности. Все описанные ситуации визуализируются на дисплее системы управления.

Примером производственных машин на единой конструктивной базе могут быть: координатно-измерительные машины (КИМ) и технологические модули (ТМ) для механообработки.

Сочетание функций обрабатывающего центра и КИМ дает возможность:

− точно «координировать» новые участки к уже готовым поверхностям;

− корректировать траектории движения инструмента с учетом деформации обрабатываемой детали;

− аттестовывать и при необходимости дорабатывать изделия на одном рабочем месте.

Технологические модули предназначены для фасонной обработки изделий с высокой точностью методами фрезерования, шлифования, сверления, полирования, а также для выполнения операций гравировки, растачивания, разметки. Рабочая зона таких производственных машин варьируется у различных моделей в диапазонах: по оси Х – 500 …3000 мм, по оси У − 400 … 1400 мм, по оси Z − 350 … 750 мм. Максимальный угол поворота подвижной платформы относительно каждой из осей составляет 45…60⁰, скорость её движения задается программно в интервале 0.01 … 160 мм/с. Технологические машины оснащаются мехатронными модулями типа «мотор-шпиндель» мощностью от 1.5 … 7.5 кВт с регулируемой частотой вращения в диапазоне 400…2400 мин^-1.

КИМ выполняют автоматические измерения и контроль размеров деталей от конструкторских или технологических баз. Погрешность объемных измерений для различных моделей не превышает 3.8 мкм для измеряемого размера L = 300 мм.

Измерения выполняются с помощью специальной головки-щупа, оснащенной датчиками механического или токового касания. Контактное усилие при токовом касании не превышает 0.0003 Н, что позволяет измерять податливые и мелкоструктурные детали. Погрешность позиционирования рабочего органа для технологических машин составляет 5.0 мкм (на перемещениях на расстояние до 300 мм).

8.1 Мехатронные технологии обработки материалов резанием.

Существует точка зрения, что мехатронные технологии включают в себя технологии новых материалов и композитов, микроэлектронику, фотонику, микробионику, лазерные и др. технологии.

Однако, при этом происходит подмена понятий и, вместо мехатронных технологий, которые реализуются на основе использования мехатронных объектов, в этих работах идет речь о технологии изготовления и сборки таких объектов.

Большинство научных работников в настоящее время считают, что мехатронные технологии всего лишь формируют и реализуют необходимые законы исполнительных движений механизмов с компьютерным управлением, а также агрегатов на их основе, или осуществляют анализ этих движений для решения диагностических и прогностических задач.

В механической обработке эти технологии направлены на обеспечение точности и производительности, которые невозможно достигнуть без использования мехатронных объектов, прообразами которых являются металлорежущие станки с открытыми системами ЧПУ. В частности такие технологии позволяют компенсировать погрешности, которые возникают вследствие колебания инструмента относительно заготовки.

Однако, предварительно следует отметить, что мехатронные технологии включают в себя следующие этапы:

1. Технологическая постановка задачи;

2. Создание модели процесса с целью получения закона исполнительного движения;

3. Разработка программного и информационного обеспечения для реализации;

4. Дополнение информационной управляющей и конструкторской базы типового мехатронного объекта, реализующего предлагаемую технологию, если в этом есть необходимость.

Адаптивный способ повышения виброустойчивости токарного станка.

В условиях использования разнообразного режущего инструмента при обработке деталей сложной формы и широкой номенклатуры может резко возрастает вероятность возникновения автоколебаний и потеря виброустойчивости технологической системы станка.

Это влечет за собой снижение интенсивности обработки или дополнительные капитальные вложения в технологический процесс. Перспективным способом снижения уровня автоколебаний является изменение скорости резания в процессе обработки.

Такой способ достаточно просто реализуется технически и оказывает эффективное воздействие на процесс резания. Ранее этот способ реализовался как априорное регулирование на основе предварительных расчетов, что ограничивает его применение, так как не позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость условий возникновения вибраций.

Значительно более эффективны адаптивные системы регулирования скорости резания с оперативным контролем силы резания и ее динамической составляющей.

Механизм считывания уровня автоколебаний при обработке с изменяемой скоростью резания можно представить следующим образом.

Пусть при обработке детали со скоростью резания V₁ технологическая система находится в условиях автоколебаний. При этом частота и фаза колебаний на обработанной поверхности совпадают с частотой и фазой колебаний силы резания и самого резца (эти колебания выражаются в виде дробления, волнистости и шероховатости).

При переходе к скорости V₂ колебания на обработанной поверхности детали относительно резца при последующем обороте (при обработке «по следу») происходит с другой частотой и синхронности колебаний, то есть их фазовое совпадение нарушается. Благодаря этому, в условиях обработки «по следу» интенсивность автоколебаний снижается, а в их спектре появляются высокочастотные гармоники.

С течением времени в спектре начинают преобладать собственные резонансные частоты и процесс автоколебаний вновь интенсифицируется, что требует повторного изменения скорости резания.

Из сказанного следует, что основными параметрами описанного метода является величина изменения скорости резания A_V, а также знак и частота этого изменения. Эффективность влияния изменения скорости резания на показатели обработки следует оценивать по длительности периода восстановления автоколебаний. Чем он больше, тем дольше сохраняется пониженный уровень автоколебаний.

Разработка метода адаптивного управления скоростью резания предполагает имитационное моделирование этого процесса на основе математической модели автоколебаний (рис.8.1), которая должна:

1. Учитывать динамику процесса резания;

2. Принимать во внимание обработку «по следу»;

3. Адекватно описывать процесс резания в условиях автоколебаний.

Рис.8.1. Структурная модель автоколебаний.

1. - модель динамической характеристики силы резания

2. - преобразование P_z в колебания резца Z_p

3. - преобразование Z_p в колебания а_д на поверхности детали

4. - блок задержки на время одного оборота заготовки

Первоначально возмущающим входным воздействием разработанной

модели является а₃ припуска на заготовке.

Изменения припуска приводят к колебаниям силы резания P_z, что определяется моделью ее динамической характеристики. Изменение P_z вызывает колебание Z_p резца. Дальнейшие преобразования колебания резца в колебания а_д детали, позволят перейти к колебаниям на обработанной поверхности детали.

Введение обратной связи путем подачи колебания а_д на вход модели с задержкой на время одного оборота заготовки учитывает обработку «по следу».

В результате моделирования установлено следующее:

1. Регулированием скорости резания в условиях автоколебаний можно добиться уменьшения их амплитуды. В дальнейшем амплитуда может снова возрастать, что требует повторного изменения скорости резания.

2. Величина изменения скорости резания заметно влияет на длительность периода снижения и восстановления уровня автоколебаний.

3. Для каждой частоты автоколебаний существует свое оптимальное значение изменения скорости резания.

4. Чем выше частота автоколебаний, тем меньше должно быть значение AV

5. Чем меньше заданная допустимая амплитуда автоколебаний, тем с большей частотой следует изменять скорость резания.

Последнее свидетельствует о том, что область применения предложенного метода подавления автоколебаний ограничена динамическими характеристиками привода главного движения (ПГД). На основании результатов моделирования разработан алгоритм адаптивного управления приводом главного движения в целях снижения уровня автоколебаний (рис. 8.2). Исходя из технологических условий, задают допустимую амплитуду автоколебаний технологической системы. В отсутствие задания система сама устанавливает мнимое значение а_доп.

Рис.8.2. Алгоритм адаптивного управления приводом главного движения