книги из ГПНТБ / Адаптивное управление металлорежущими станками

лила бы связь стойкости инструмента с режимами резания. В рабо­ те [12], например, перечисляется десять зависимостей, предложен­ ных исследователями; там же отмечается, что для расчетов опти­ мальных режимов резания наиболее употребительна эмпирическая степенная зависимость как самая удобная.

Действительно, использование этой зависимости дает возмож­ ность получить простые уравнения для расчета оптимального ре­ жима, а также теоретически обосновать подход к разработке ал­ горитмов АС, показать сущность уже известных систем и прибли­ женно оценить их эффективность.

При практическом использовании указанной модели резания следует учитывать, что ее достоверность для различных видов об­ работки и материалов детали и инструмента неодинакова. Наи­ более изучена токарная обработка углеродистых конструкционных сталей. В соответствии с этим расчеты различных алгоритмов ре­ гулирования сделаны для этого варианта обработки; в случае не­ обходимости и знания соответствующих констант подобные рас­ четы могут быть проведены и для других вариантов. Весьма воз­ можно, что в этих случаях будут получены иные результаты и сделаны другие выводы.

Для практического применения результатов расчетов большое значение имеет оценка их достоверности. Этот вопрос не возни­ кал бы, если бы существовало единство взглядов на достоверность использованных в расчетах степенных зависимостей стойкости и силовых параметров резания от режимов резания. Такого единст­ ва в теории резания нет, и ответ может быть получен только на основе экспериментальной проверки эффективности действия АС. Однако при такой проверке возникает ряд затруднений.

Дело в том, что единственно правильными критериями эффек­ тивности обработки являются критерии, учитывающие соотноше­ ние стойкости инструмента и времени его смены, стоимости и т. п. Следовательно, для экспериментальной проверки изменения таких критериев в условиях обработки с АС и без нее следует вести контроль изменения стойкости инструмента, а подобные стойкостные испытания трудоемки и не всегда дают надежные результаты. Именно этим, как нам представляется, объясняется отсутствие работ, посвященных анализу эффективности АС. Отдельные рабо­ ты, в которых выводы об эффективности АС делаются без учета стойкости инструмента или эта стойкость определяется на одномдвух экземплярах инструмента, недостаточно убедительны, и их выводы могут приниматься во внимание только тогда, когда апри­ ори известно, что введение АС слабо или совсем не влияет на стойкость инструмента (по сравнению с его стойкостью при рабо­ те без АС).

Следует надеяться, что со временем будут разработаны вполне достоверные методы сокращенных стойкостных испытаний, кото­ рые будут эффективны и при исследованиях АС.

Другим серьезным затруднением является отсутствие четких представлений о методике назначения исходных предельных зна­ чений различных ограничений. Этот вопрос в теории резания раз­ работан еще недостаточно, и практически режимы резания назна­ чаются в большей степени интуитивно, на основе имеющегося опыта. В таких условиях экспериментальная проверка эффектив­ ности АС может оказаться недостаточно объективной и не всегда отражающей действительность.

Проведенный в данной работе анализ оптимального регулиро­ вания режимов резания может быть использован при рассмотре­ нии общих закономерностей построения АС, предназначенных для повышения производительности (снижения себестоимости) черно­ вой обработки, а предложенная методика расчета эффективности различных, алгоритмов регулирования режимов резания и влияния погрешностей, присущих реальным АС, может быть использована для предварительных оценок при их проектировании.

Кроме того, для получения представления об отдельных эле­ ментах АС в разделах 3 и 4 приведены сведения об измеритель­ ных средствах и методах измерений, которые применяются или могут быть использованы в качестве датчиков обратной связи по параметрам резания. В разделе 5 показаны возможности обеспе­ чения устойчивого, т. е. безвибрационного резания, а также воз­ можность регулирования глубины резания по ограничению, нала­ гаемому вибрациями.

В связи с большими перспективами, которые открываются с развитием систем управления с самопрограммированием, в разде­ ле 6 описаны некоторые алгоритмы самопрограммирования тра­ ектории черновых проходов, реализованные (или реализуемые) в ряде АС. В разделе 7 систематизированы отрывочные сведения по АС для токарных станков, имеющиеся в проспектах зарубеж­ ных фирм и частично в описаниях патентов. Так как отечествен­ ные АС описаны в ряде сводных работ, их дублирование было призвано излишним.

Введение и разделы 1, 2, 7 написаны М. С. Городецким, раздел 3—Л. Н. Цейтлиным, раздел 4—Е. Р. Гордоном и М. С. Городец­ ким, раздел 6 — Г. В. Бронштейном и М. С. Городецким, раз­ дел 5 — В. В. Каминской.

1. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ

Исходным понятием при построении адаптивных систем регу­ лирования режимов резания является понятие «оптимального» режима. Ниже рассматриваются некоторые критерии, позволяю­ щие оценить оптимальность процесса резания, и определяется критерий, используемый при анализе адаптивных систем, предназ­ наченных для повышения эффективности черновой обработки.

Для построения адаптивной системы следует также найти по­ ложение оптимальных режимов в многомерном пространстве управляемых переменных, определяющих эти режимы, и на осно­ ве полученных результатов установить технологические законы регулирования этих переменных для оптимизации обработки при случайных изменениях условий резания.

Критерий оптимизации. Критерием эффективности обработки деталей резанием являются приведенные затраты, учитывающие технологическую себестоимость изготовления деталей требуемого качества и эффективность капитальных вложений в оборудование, осуществляющее обработку.

Оценка эффективности обработки по приведенным затратам является наиболее полной и отражает все издержки обществен­ ного труда. Оценка эффективности по времени резания, продол­ жительности съема единицы объема металла или по расходу ин­ струмента является частным случаем оценки по проведенным за­ тратам. Критерий приведенных затрат в различных модификациях широко используется в отечественной и зарубежной литературе и служит основой как для расчетов режимов резания при стабиль­ ных условиях обработки [14—16], так и в качестве функции цели управления для адаптивных систем.

Как показано в работах [14 и 17], при оценке эффективности собственно процесса резания должна учитываться та часть при­ веденных затрат Ѳ, которая зависит от режима резания. Эта часть при обработке конкретной детали может быть определена по формуле

учетом затрат на инструмент и его замену. Величину ту будем на­ зывать удельными приведенными затратами, или удельными затра­ тами [17].

При назначении режимов резания принято вместо величин ѵ и

при постоянных условиях резания постоянна в течение всего пе­ риода стойкости (при этом начальный период приработки инстру­ мента отбрасывается [19]). Соответственно, выражение (2) примет следующий вид

Для токарной обработки мгновенная скорость съема (с точ­ ностью до постоянного множителя)

0| = Vt tit

где V — скорость резания, м/мин;

s— подача, мм/об;

t— глубина резания, мм.

Тогда удельные затраты для обработки с фиксированным ре­ жимом резания составят

Величина ти равна количеству станкоминут, эквивалентному за­ тратам на инструмент и его замену при данной стоимости стан­ коминуты. В зависимости от способа расчета ти величина ту мо­ жет отражать различные аспекты понятия эффективности. Если в некоторых условиях интересует только эффективность процесса резания, а смена инструмента и связанные с этим потери могут не учитываться, то принимается Еи—0 и ти=0, а удельные затра­ ты ту сводятся к удельному времени резания тр, которое опреде­ ляется только скоростью съема металла

Тр Fs/

Величина тр не определяет фактической производительности станка, так как последняя зависит не только от времени чистого резания, но и от продолжительности простоев на замену инстру­

мента. Оценка действительной производительности возможна толь­ ко при учете потерь на смену инструмента, т. е. при Еп=тсмЕр или, соответственно, при

ся суммой нескольких слагаемых, например, первоначальной стои­

рат во всех случаях, когда тп=^0. Удельные затраты ту будем использовать как основной критерий оптимальности процесса ре­ зания.

Иногда при оценке эффективности обработки может представ­ лять интерес величина съема металла за период стойкости инстру­ мента, равная

qA= — =VstT.

тр

Критерий <7Д удобен для оценки изменения расхода инструмен­ та, требующегося для съема заданного объема металла при раз­ личных режимах резания. Критерий оптимальности процесса ре­ зания по формуле (3) характеризует однопроходную обработку, так как не учитывает изменения числа проходов, связанного с изменением глубины резания. Для многопроходной обработки с регулированием глубины резания следует ввести критерий опти­ мальности цикла обработки, который учитывает как величину удельных затрат при резании, так и потери времени на холостое перемещение в начало следующего прохода

где Qi — объем металла, снимаемый за один проход;

' k — длина перемещения в і'-том проходе на скорости быстро­ го хода sx.x (включая перемещение по длине и радиусу детали) ;

&пр — количество проходов.

Если для всех проходов удельные затраты ту/ и длина пере­

мещения на скорости быстрого хода U одинаковы и равны ту U приведенное выражение примет следующий вид

критерий съема металла за период стойкости

Г

модели процесса резания, на основе которой может быть сформу­ лирован алгоритм работы системы; эта модель должна обеспечи­ вать расчет удельных затрат как основного критерия.

Так как величина ти, входящая в формулу (3), является кон­ стантой для каждого конкретного случая обработки, а пара­ метры режима резания V, s и t могут быть определены тем или иным способом, задачей моделирования процесса резания являет­

Подобная модель должна учитывать влияние на стойкость свойств материала заготовки и инструмента, особенностей кон­ струкции инструмента, вида обработки и т. д.

Из известных функций (6) наибольшее распространение полу­ чила степенная зависимость

ЧИТАЛЬНОЙ© ЗАЛА 1

Следует отметить, что (недостатки уравнения (7) больше ска­ зываются при расчете оптимальных режимов резания и меньше при регулировании, так как в первом случае выбор оптимального режима ведется во всей зоне возможных значений V, s и t и при этом существенны абсолютные значения констант, входящих в это уравнение.

При регулировании предполагается, что начальный режим, ус­

параметров резания, определяемой только отклонениями возму­ щающих воздействий от расчетных. В этих условиях очевидно, что недостатками модели (7) по пунктам «а» и «б» .можно прене­ бречь, считая все константы постоянными в зоне регулирования.

После подстановки формулы (7) в формулу (5) получим урав­ нение для расчета критерия оптимальности, т. е. удельных затрат по параметрам режима резания

'где н=

гт .

Алгоритмы беспоисковой системы, обеспечивающей минимиза­ цию удельных затрат, зависят от расположения минимума ту в многомерном пространстве параметров V, s и t, описываемом уравнением (8) при различных значениях констант ти, Су, ц, уѵ,

х ѵ.

Если такой экстремум (минимум) имеется, задачей беспоиско­ вой системы является его отыскание, т. е. определение оптималь­ ной комбинации V, s и t; если такой экстремум отсутствует, ана­ лиз выражения (8) должен помочь установить иные способы рас­ чета оптимальных режимов.

Для наглядности анализа уравнения (8) используем применя­ емый в теории автоматического регулирования метод изображе­ ния топографии функции цепи в плоскости переменных. Для этого в плоскости V — s следует соединить линиями все точки, в которых при постоянной глубине резания величина удельных затрат оди­ накова. Учитывая, что удельные затраты имеют размерность вре­ мени, отнесенного к единице объема, назовем эти линии изохро­ нами.

Уравнение изохроны можно получить совместным решением уравнений (8) и (3). Обозначив

получим в параметрической форме уравнение изохрон

vv vv -*v l~yv

V v y.*o

ЛѴі(і

\

1

Семейство изохрон показано на рис. 3. Из анализа уравнения изохрон следует, что в плоскости V—s кривая изохроны имеет две