книги из ГПНТБ / Адаптивное управление металлорежущими станками

ний. Следует отметить, что в данной конструкции при введении чувствительного элемента не увеличивается изгибная податливость шпинделя. Крутильная податливость уменьшается весьма незна­ чительно и в разработанной конструкции составляет по расчетным данным 0,5-10~8 рад/кгс-см при исходной податливости 0,45Х X ІО-8 рад/кгс • см.

Гамма магнитоупругих датчиков крутящего момента с внутрен­ ним диаметром 1(£—250 мм, предназначенных для станков с адап­ тивным управлением, используется в системе АСЕМА [58]. Схема датчиков показана на рис. 64. Магнитоупругий датчик 4 устанав­ ливают в корпусе 2 из немагнитного материала. На исследуемом валу 5 с помощью конических зажимных колец закрепляется втул­ ка 1 из немагнитного материала с приклеенной лентой 3 из магнит­ ного материала (ц-металла) толщиной 0,05—0,10 мм. Основные габаритные размеры указаны на рисунке. Размер а датчика зави­ сит от диаметра вала D:

Расстояние от зажимных конусов должно обеспечивать отсут­ ствие концентрации напряжений в зоне измерений, его рекомен­ дуется выбирать не менее 4 мм. В приведенной конструкции дат­ чик базируется в расточке корпуса. Предусмотрен также вариант установки датчика на собственных опорах с использованием под­ шипников качения.

Датчик рассчитан для шпинделей с номинальными касательны­ ми напряжениями 3 кгс/мм2 при максимально допустимых напря­ жениях 9 кгс/мм2. Питание осуществляется напряжением переменно­ го тока с частотой 20 кгц. Датчик имеет коэффициент чувствитель­ ности около 1200 и обеспечивает точность измерений ±2,5% в диа­ пазоне изменения температур от +20 до +50° С.

К методам измерения момента на шпинделе станка может быть также отнесен метод, используемый фирмой Setco Industries Inc. [52], предусматривающий измерение перепада давлений в полостях гидродвигателя, соединенного муфтой со шпинделем. Применение датчиков давления упрощает конструкцию узла и позволяет про­ изводить измерения с высокой точностью. Однако при больших из­ менениях К ..П .Д. двигателя необходима коррекция. При наличии между гидродвигателем и шпинделем коробки скоростей данный метод равнозначен методам измерения мощности со всеми прису­ щими им недостатками.

В настоящее время часто 'используется метод измерения момен­ та при помощи балансирных устройств, двигателя или редуктора [64]. В этом случае величину момента оценивают по перемещению или усилию, создаваемому подвешенным статором электродви­ гателя или корпуса редуктора. При использовании данного метода следует иметь в виду его низкое быстродействие, связанное с боль-

шой массой 'перемещающихся деталей, а также погрешности, выз­ ванные потерями в опорах балансирной іподвеоки и в зацеплениях. Последнее приводит к большой нестабильности измерений. При использовании моментных редукторов наилучшая стабильность до­ стигается при использовании фрикционных передач, однако в этом случае наблюдаются большие потери. Преимуществом балансир­ ных методов является простота и возможность применения различ­ ных типов преобразователей. *

Рис. 65. Зависимость параметров асинхронного дви­ гателя от нагрузки

Методы измерения мощности резания. Получение информации о величине мощности, затрачиваемой на резание, предполагает измерение электрической мощности, потребляемой электродвигате­ лем главного движения станка. Этот метод получил широкое рас­ пространение главным образом вследствие простоты и наличия се­ рийно выпускаемых преобразователей, хотя и обеспечивает срав­ нительно невысокую точность. Невысокая точность регулирования при измерении мощности обусловлена характеристиками преобра­ зователя, местом его установки и конструктивными особенностями станка, а также сравнительно малым объемом информации при оценке параметров процесса резания по значению мощности.

Мощность, потребляемая при резании, можно оценивать как путем измерения мощности электродвигателя (полной или актив­ ной), так и измерением других электрических параметров: полного или активного тока, коэффициента мощности двигателя (cos ф). Эти величины, характеризующие режим работы асинхронного двигателя, наиболее широко используемого в качестве привода главного движения в станках, изменяются при изменении механи­ ческой нагрузки на валу двигателя. На рис. 65 приведены типовые зависимости, характеризующие изменение этих величин, а также

по

к. п. д. 1] двигателя в функции механической нагрузки на валу [46]. Из графика видно, что наиболее подходящую для систем регулиро­ вания информацию можно получить путем измерения активной мощ­ ности Ра или активного тока / а, которые изменяются практически линейно во всем диапазоне нагрузок. При необходимости получе­ ния информации в небольшом диапазоне нагрузок могут быть ис­ пользованы другие характеристики. Например, при нагрузках до 0,2 Яном удобно измерять изменение cos ф, а при нагрузках 0,8 РВ(Ш и выше — значение полного тока / [46].

Измерение активной мощности является наиболее точным, так как позволяет практически полностью устранить влияние колеба­ ний сетевого напряжения и cos ф. Датчик активной мощности вы­ полняется на базе ваттметрического узла с трансформаторами то­ ка и напряжения. Мгновенные значения тока и напряжения пере­ множаются, обеспечивая на выходе аналоговый сигнал, пропор­ циональный IU cos ф, т. е. активной мощности.

На рис. 66 приведена схема серийно выпускаемого датчика ак­ тивной мощности Е725 [48] для трехфазных сетей. Он состоит из двух одинаковых однофазных блоков. Входные трансформаторы напряжения ТН имеют по две вторичные обмотки W2 ’, включае­ мые каждая последовательно со вторичной обмоткой трансформа­ тора тока ТТ и выпрямительным мостом В { (В2) на диодах. Пульси­

рующие токи после выпрямления поступают на нелинейные полупро­ водниковые сопротивления НПСи НПС2, НПС3, НПС4 и вычитают­ ся на активных сопротивлениях Rz, R4 Rs, Re- Выходное пульсиру­ ющее напряжение сглаживается фильтром, состоящим из индуктивности L и емкостей С\ и С2. В данной схеме принята по­ следовательность операций: выпрямление, возведение в квадрат и сглаживание, что позволяет обеспечить независимость результата измерения от формы кривой входных токов и напряжений.

Другие измерительные преобразователи мощности отличаются от описанного в основном типом элементов, с помощью которых производится перемножение напряжения и тока. Известны конст­ рукции, в которых с этой целью применяются варисторы, подогрев­ ные сопротивления и другие элементы.

Перспективно применение в преобразователях мощности дат­ чиков Холла, достоинствами которых являются безынерционноеть, постоянство чувствительности при значительных изменениях вход­ ных сигналов, простота схем. В настоящее время освоен выпуск таких датчиков («преобразователей мощности») модели П003 (для однофазных сетей) и П004, П005, П006 (для трехфазных сетей), предназначенных для осциллографирования. В них обеспечивается выходной сигнал 5 в на нагрузку 30 ком или на нагрузку 1 ком при постоянной времени 2 • ІО-4 и пульсациях 10%, обусловленных частотой напряжения сети. Вес датчика составляет 1,5—2 кг, вес описанного выше преобразователя Е725— 14 кг.

Схема датчика активного тока аналогична, однако величина выходного сигнала зависит от колебаний сетевого напряжения, что приводит к значительной погрешности. Например, при допустимом колебании сетевого напряжения в промышленных цейях от— 15% до + 5% от номинального активная составляющая тока изменяется на 12%, в то время как значение активной мощности практически не изменяется. Вследствие этого в датчиках активного тока обычно имеются специальные компенсирующие блоки.

Все устройства для измерения электрических характеристик привода регистрируют соответствующие изменения напряжения и тока на частоте сетевого напряжения, т. е. 50 гц. Это определяет максимальную регистрируемую частоту процесса, которая не пре­ вышает 5—10 гц. В реальных конструкциях преобразователей час­ тотный показатель связан с качеством измерений; это обусловлено необходимостью установки в датчиках фильтрующих блоков для сглаживания пульсаций после выпрямителей.

В серийно выпускаемых датчиках мощности [48] постоянная времени 2 • 10~4 сек обеспечивается при пульсациях 10% от номи­ нального выходного сигнала, а при пульсациях 0,1% постоянная времени равна 0,1—0,5 сек. Наличие пульсаций снижает точность измерений и затрудняет регистрацию быстропротекающих процес­ сов, например, процессов касания инструмента и детали. При оцен­ ке постоянной времени измерений следует также учитывать, что датчик мощности устанавливается на значительном расстоянии от

Таким образом, для устранения погрешностей, связанных с из­ менением условий работы, необходимо в течение всего процесса обработки определять мощность холостого хода и вычитать ее из общей мощности. Такое решение приводит к существенному услож­ нению системы управления вследствие введения специальных за­ поминающих и логических элементов, но не устраняет полностью погрешностей, связанных с колебанием холостого хода. Это обу­ словлено тем, что потери холостого хода можно определять только в периоды, когда резание не производится, поэтому изменение по­ терь в механизмах станка под действием сил резания остается не­ скорректированным.

. 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТОЙКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНСТРУМЕНТА В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

Выше рассмотрены принципы построения адаптивных систем регулирования режимов резания, реализующих технологические законы стабилизации стойкости. Показано, что может быть два ва­ рианта построения таких систем: в первом регулирование ведется на основе использования априорно выбранных зависимостей стой­ кости от режимов резания, во втором — на основе измерения неко­ торых параметров резания, дающих возможность прогнозировать стойкость, которая имела бы место при продолжении резания в тех же условиях. Ниже изложены результаты исследований прогнози­ рования стойкости по измеряемым параметрам и дана оценка воз­ можности использования этих параметров во втором варианте си­ стем адаптивного управления.

Определение стойкости путем измерения величины износа в ходе обработки. Предварительно следует уточнить, чем определяется пе­ риод стойкости,* т. е. по какому критерию можно судить об окон­ чательном износе резца и о необходимости его замены (переточки). Единого определения этого критерия в теории резания нет, а на практике смена инструмента производится по различным отклоне­ ниям процесса резания от нормы (появлении при резании звуков высокой частоты, ухудшении качества поверхности и т. л.) или при поломке инструмента.

В теории резания для инструмента, осуществляющего чистовую обработку, применяется критерий «размерного» износа как вели­ чины, характеризующей снижение точности обработки. При токар­ ной черновой обработке в качестве критерия износа используют фаску на главной задней грани, лупку на передней грани, фаску на вспомогательной задней грани, площади износа по указанным гра­ ням, объемный и весовой износ инструмента в целом или отнесен­ ный к одной из граней.

Чаще используют износ по задней грани, так как величину его можно измерить наиболее простым способом. Величина износа по задней грани положена в основу отечественных нормативов и ря­ да зарубежных стандартов. В отечественных нормативах [28]

выбор этого критерия аргументируется тем, что он «более удобно измеряется и достаточно полно отражает режущую способность инструмента», несмотря на то, что при напряженных условиях обработки (высоких скоростях и больших подачах) почти для всех твердых сплавов основным является износ в виде лунки на передней грани.

Зависимость износа по задней грани от времени может быть, представлена кривой (рис. 67) с тремя четко выраженными участ­ ками [73, 77]. Первый участок соответствует периоду приработки, на протяжении которого под действием тангенциальных сил быст­ ро срываются наиболее выступающие элементы поверхности ин­ струмента. После некоторого сглаживания трущихся поверхно­ стей наступает период нормальной работы, при котором износ инструмента во времени (или по пути резания) равномерен, т. е.

Рис. 68. Экспериментальные зависимости фаски износа резцов (Т15К6) от времени при различных подачах [73]

скорость износа постоянна. Третий участок соответствует периоду повышенного износа, сопровождающегося ростом температуры и пр. Третий участок следует считать нерабочим; приведенные в нормативах и стандартах значения предельного износа по задней грани при обработке, в частности, жаропрочных сталей, соответст­ вуют началу третьего участка. Пример экспериментально получен­ ных [73] зависимостей фаски износа резцов по задней грани пред­ ставлен на рис. 68. Величины предельного затупления имеют зна­ чительный разброс, кроме того, они ниже установленных норм в условиях обработки, характеризующихся преимущественным изно­ сом инструмента по передней грани.

- Японские исследователи считают типичными графики износа инструмента по задней грани, приведенные на рис. 69. Графики по­ строены в логарифмических координатах и свидетельствуют о том, что функция является показательной, составленной из двух членов: первый соответствует двум участкам графика по рис. 67, второй — третьему, нерабочему участку. Этот вид зависимости хорошо сог­ ласуется с формулой [73] для резцов из твердого сплава Т15К.6:

где h3— износ резца по задней грани.

Зависимость верна только для первых двух участков графика (см. рис. 67). Показатель степени был установлен эксперименталь­ но. При облегченных условиях резания период приработки может быть исключен, так что зависимость износа по задней грани от времени становится линейной, т. е. скорость износа постоянна. В этом случае, если известно приращение величины износа Ah за время Ат, можно определить скорость износа

Ah

V = -----------

Дх

и, следовательно, период стойкости, соответствующий этой ско­ рости.

Один из путей определения величины износа—непосредствен­ ное измерение изменяющихся геометрических параметров инстру­ мента в процессе обработки, что возможно только тогда, когда в ходе обработки весь инструмент или его отдельные режущие эле­ менты периодически выходят из зоны резания. Возможность соз­ дания такой измерительной системы для контроля износа инстру­ мента при фрезеровании показана в работе [34], где приведено описание лабораторной установки, включающей электрооптическое измерительное устройство, снабженное видиконом, задерживаю-

щим триггером, стробирующей цепью, высокоскоростным счетчи­ ком импульсов и интегратором. Изображение освещенной ленточ­ ки по задней грани увеличивается микроскопом и передается на экран видикона. На выходе видикона формируются импульсы пря­ моугольной формы, длительность которых пропорциональна шири­ не фаски износа вдоль линии развертки. При неправильной форме фаски рекомендуется усреднять выходные данные нескольких ли­ ний развертки.

В ряде случаев геометрические параметры инструмента могут быть определены косвенно по смещению режущей грани резца от­ носительно обрабатываемой детали. Для измерения этих смещений могут быть применены измерительные средства, используемые в системах активного контроля. Недостатком такого измерения яв­ ляется снижение точности вследствие пересчета величины погреш­ ности обработки в величину износа, отклонений формы обработан­ ных и измеряемых участков деталей, вызванных упругими и теп­ ловыми деформациями системы СПИД, а также из-за значитель­ ных микронеровностей при черновой обработке. Эти отклонения со­ измеримы и могут даже превышать величину изменений геометри­ ческих параметров изнашиваемой части резцов. Несмотря на это, делаются попытки создания подобных устройств для адаптивных систем управления.

Измерительное устройство для адаптивной cncreMbf управления режимами резания на токарном станке описано в работе [34]. Дат­ чик (рис. 70), представляющий собой электромикрометричесікую головку типа дифференциального трансформатора, устанавливают на резцедержателе так, что его щуп находится в постоянном кон­ такте с поверхностью резания (рис. 71). При износе инструмента по задней грани поверхность резания смещается, вызывая соответ­ ствующее смещение' щупа. Тем самым осуществляется измерение размерного износа инструмента в осевом направлении (в отличие от радиального, определенного в работе [24]). Связь между фаской

износа по задней грани 1і3 и величинойразмерного износа hr опре­ деляется зависимостью

также равном 0, что и принято в данной работе; при у¥=0 зависи­ мость имеет более сложный характер [66]. В работе [73] отмечено, что величины 1г3, получаемые путем такого пересчета, значительно расходятся с действительными значениями фаски износа.

Кроме того, предложенному способу измерения износа присущи погрешности из-за теплового расширения резца, деформации его под действием силы резания, отклонения и вибрации обрабатывае­ мой заготовки, недостаточной жесткости станка, шероховатости поверхности резания, находящейся в контакте с щупом [34]. Для устранения помех от следов подачи, а также для уменьшения по­ грешности от теплового расширения инструмента предлагается ис­ пользовать резцы с главным углом в плане ф —90°. Считается, что вибрационные помехи высоких частот могут быть сглажены филь­ тром, а погрешности, вызываемые податливостью станка и детали, могут быть сведены к минимуму приближением щупа к резцу. Для компенсации ошибок от силовых и температурных деформаций рез­ ца, которые считаются превалирующими, предлагается [34] исполь­ зование дополнительных датчиков усилий (тензодатчиков) и тем­ пературы, показания которых при помощи потенциометров умно­ жаются на соответствующие коэффициенты и подаются в аналого­ вое суммирующее устройство (приведена блок-схема устройства компенсации). Для автоматического исключения погрешности от этих двух факторов рассматривается также использование допол­ нительного компенсационного датчика, который устанавливается на резцедержке, а щупом упирается в инструмент.

В адаптивной системе управления с этим измерительным ус­ тройством для исключения погрешности измерения от деформаций после начала обработки производится установка нулевого положе­ ния датчиков [74]. В этом случае при постоянно меняющихся усло­ виях резания и соответственном изменении усилий и вызываемых ими деформаций для получения объективной информации об абсо­ лютной величине износа необходимо наличие в системе памяти ве­ личины начального смещения, соответствующего, например, каж­ дому новому сочетанию режимов. В противном случае после каж­ дой смены режимов может быть получена информация об износе, отсчитываемом с нового момента времени.

Для исключения погрешностей измерения в момент врезания предусмотрен специальный электрический сигнал начала измере­ ний, используемый одновременно и для установления нулевой точ­ ки отсчета выходных данных. Однако из-за налипания стружки на резец и неровностей от износа резца отмечались шумы, которые не