книги из ГПНТБ / Адаптивное управление металлорежущими станками

цессе одного оборота фрезы величина крутящего момента изме­ няется, система обеспечивает регулирование подачи по максималь­ ному значению момента за оборот; в течение одного оборота фре­ зы подача не меняется.

Подача регулируется адаптивной системой при изменении глу­ бины резания в пределах 10—20 мм, причем возможно изменение подачи в диапазоне 1:12; ограничения по максимальной и мини­ мальной подаче могут быть введены вручную.

Описываемая адаптивная система установлена на вертикально­ фрезерном станке FKrS630/IXNC-AC.

Системой АСЕМА с самопрограммированием траектории [95] оснащен токарный станок DFS400NC. В системе используется ин­ формация о действительных значениях крутящего момента, изме­ ряемого с помощью машитоуиругого датчика на шпинделе, и о мощности главного привода, измеряемой по току двигателя. Регу­ лирование подачи и программирование траектории ведется в усло­ виях ограничений по максимальной силе резания, мощности реза­ ния и предельной подаче, причем сила резания ограничена величи­ ной 1400 кгс (дискретность задания предельной силы 20 кгс и все­ го может быть задано 99 значений силы).

Адаптивные системы фирмы AEG. Некоторые сведения о способе ввода уставок адаптивной системы и их порядке можно получить из проспекта фирмы Boeringer. Токарный станок этой фирмы мо­ дели V800NC оснащен адаптивной системой ЧПУ фирмы AEG — Telefunken [105]. Из проспекта следует, что в исходной программе задаются предельные значения силы резания Р тах и минутной подачи sтах и s-min, причем величина Р тах используется как устав­ ка регулятора, а величины s тах и sm\n как ограничения. Одновре­ менно вручную вводится предельное значение мощности резания, которое также служит ограничением.

Наличие адаптивной системы позволяет программировать толь­ ко средние значения подачи; в качестве примера дан следующий кадр программы (в коде ISO [7]: N — G — X — Z — F60 — S — T — M — C220516; здесь N — адрес номера кадра; G — команда группы G; X, Z — координаты перемещения по осям X и Z, F60 — средняя расчетная подача, равная (в коде) 600 мм)мин; S, T, М — скорость вращения шпинделя, инструмент и команда функций М; С — адрес уставок адаптивной системы. Первые две цифры, следующие за адресом С, означают максимальную минутную подачу («22», дис­ кретность задания 10 мм/мин) smax= 220 мм/мин; следующие две —

100 кг) Р =1600 кгс.

Фирмой намечены три іэтаіпа развития адаптивных систем: пер­ вый — разработка адаптивных приставок регулирования режимов резания к существующим системам ЧПУ; второй — оснащение си­ стем ЧПУ приставками адаптивного управления с самопрограмми­ рованием траектории; третий — использование для адаптивного

управления систем ЧПУ с центральной ЭВМ. На первом этапе предполагается управление только подачей в зависимости от глу­ бины резания, на втором — регулирование подачи и глубины реза­ ния с упрощенным алгоритмом самопрограммирования траекто­ рии (разбивка на проходы). На последнем должно быть полностью реализовано самопрограммирование траектории в сочетании с ре­ гулированием подачи и скорости резания. Соответственно наме­ ченной программе, фирмой AEG разработаны три варианта адап­ тивных систем [106].

В системе «Adaptic-101» измеряется и стабилизируется мощ­ ность резания путем регулирования подачи с учетом ограничений по максимальным силе и подаче резания. Величина мощности не вводится непосредственно, а пересчитывается в самой системе из заданных предельных значений силы и скорости резания. Причем скорость резания с учетом диаметра точения автоматически пере­ считывается в скорость вращения шпинделя. В систему отдельно вводятся максимальные значения мощности и крутящего момента, используемые в качестве уставок предохранения.

Система «Adaptic-201» предназначена для станков с ЧПУ.

Алгоритм самопрограммирования траектории, реализованный в

таком сочетании возле станков устанавливаются только упрощен­ ные «адаптивные приставки».

Адаптивная система «Fanuc». Японской фирмой Fujitsu Limited разработана адаптивная система ЧПУ модели «Fanuc-240B», вклю­ чающая систему регулирования скорости вращения шпинделя (для поддержания постоянства скорости резания) и систему самопро­ граммирования траектории и регулирования подачи [97].

На станке измеряются сила резания, ток двигателя привода шпинделя и некоторый параметр вибраций. На переключателях, расположенных на пульте управления, вводятся величины расчет­ ной глубины и предельной силы резания; расчетная подача задает­ ся на перфоленте. На пульте можно одновременно задать девять значений глубины резания (от 0 до 8 через 1 мм) и силы. Выбор нужного значения производится, очевидно, от перфоленты. Кроме того, по адресам М80 — М89 относительно заданного значения предельной силы резания вводится второй меньший предел силы (например, по адресу М81 второй предел равен 10% от предель­ ного значения, установленного на переключателях пульта). Если сила резания меньше второго предела, обработка ведется по про­ грамме. Если сила резания больше этого предела, но меньше пер­

Аналогичные уровни с соответствующей реакцией системы на них имеются для тока двигателя и параметра вибраций, однако способ ввода этих уровней не описан.

Система «Fanuc-240B» предназначена для работы с токарными станками; имеются сведения, что она использована в токарном станке фирмы АТАКА (Япония).

Адаптивная система фирмы Siemens. Одной из первых систем самопрограммирования траектории явилась система фирмы Sie­ mens, демонстрировавшаяся совместно с токарным станком фир­ мы Gildemeister на выставке в Париже в 1969 г. Алгоритм фор­ мирования траектории, примененный в этой системе, описан выше. Поскольку цифровых данных о своей системе в многочисленных публикациях фирма не приводит, некоторый интерес представляет патент, полученный фирмой в Англии [96] на «Автоматическую об­ работку детали режущим или формообразующим инструментом». Предметом патента (наряду с рядом конструктивных особенностей, изложенных в общем виде) является установление четырех поро­

ской величины этого параметра с пороговыми значениями проис­ ходят изменения скорости и траектории перемещения инструмента.

Если измеряемый параметр, например сила резания, превосхо­ дит значения Р2, скорость перемещения инструмента уменьшается с тем, чтобы можно было осуществлять процесс резания или фор­ мообразования (под этим можно, очевидно, понимать как начало снижения рабочей подачи, так и переход с быстрого хода на рабо­ чую подачу при врезании). Если сила резания станет больше по­ рога Р 3, автоматически происходит такое движение инструмента или детали, при котором резание или формообразование будут ме­ нее эффективны (очевидно, происходит уменьшение глубины реза­ ния). Если сила резания меньше порога Ри начинается увеличение глубины резания (настолько, чтобы не зайти за заданный програм­ мой контур детали).

Если сила резания станет больше Р4, движение инструмента автоматически прекращается до тех пор, пока сила снова не станет меньше Р4.

В патенте указывается, что все отклонения инструмента от за­ данного контура детали регистрируются и запоминаются е тем, чтобы обработка продолжалась до получения заданного контура детали.

Адаптивная система фирмы Cincinnati. Так как в описаниях адаптивных систем, выпущенных зарубежными фирмами, подроб­ ные структуры систем не приводятся, интерес представляет патент, полученный фирмой Cincinnati (США) на «Адаптивное управление металлорежущим станком» применительно к фрезерному станку [37]. В этой системе реализуется технологический закон регулиро­ вания

VtT,m = С ,

причем величина постоянной С «аходится экспериментально путем определения фактического Т* при некоторой скорости V*:

у.?.™ = У*Т*т .

Для настройки адаптивной системы, кроме проведения предва­ рительных испытаний, требуется знание большого количества констант, что делает систему пригодной только для эксперимен­ тальных работ. Этот патент был использован в системе «Асгашіzer», демонстрировавшейся фирмой в 1969 г. ів Париже. Сведений в. печати о ее эксплуатации в промышленности не было, за исклю­ чением краткого сообщения, что в связи со сложностью регулиро­ вания скорости вращения шпинделя в трехшпиндельном фрезерном станке фирма отказалась от регулирования скорости резания и ограничилась только регулированием подачи.

Ввведении к патенту {37] отмечается, что это изобретение яв­ ляется усовершенствованием патента США № 3, 22, 313, получен­ ного автором ранее (1965 г.). В первом патенте сигнал обратной связи, дающий информацию о стойкости инструмента, определялся отношением суммарного отжима инструмента к тангенциальной силе резания. Этот сигнал использовался для изменения скорости резания, причем реализовывалась линейная аппроксимация теоре­ тической степенной зависимости от скорости резания. Хотя резуль­ таты работы управляющего устройства по первому патенту удов­ летворительны, в новом изобретении обеспечивается более точное управление и, следовательно, более эффективное использование инструмента. Это достигается тем, что величина стойкости принята равной отношению квадрата отжима режущего инструмента к частному от деления величины жесткости СПИД «инструмент — деталь» на тангенциальную силу резания, а выходной сигнал яв­ ляется логарифмической функцией стойкости.

Впервом изобретении прекращение быстрого подвода осущест­ вляется только по появлению отжима инструмента, в новом — по

появлению как отжима, так и осевой или тангенциальной силы резания.

Впервом патенте для повышения точности ограничивалась од­ на и та же величина суммарного отжима как для черновой, так и чистовой обработки; в новом — суммарный отжим ограничивается только для черновой обработки, а для чистовой ограничивается отжим по нормали к поверхности детали.

Впервом патенте подача устанавливалась максимальной и за­ тем уменьшалась вплоть до нуля; в новом—наименьшая подача ограничена некоторым значением, отличным от нуля.

Впервом изобретении управляющий сигнал соответствовал ско­

рости вращения инструмента (об/мин), в новом —скорости реза­ ния (фут/мин) , так что оператор у станка может использовать эту систему управления для непосредственной установки скорости ре­ зания.

На рис. 123 показана блок-схема системы управления для опе-

сящая от величины крутящего момента, и вторая переменная //, зависящая от выходных сигналов датчиков деформаций ôx и öv. Эти переменные используются для регулировки числа оборотов шпинделя, причем выход контура / является логарифмической функцией входных сигналов, что обеспечивает точность управления скоростью вращения инструмента в соответствии с действительны­ ми параметрами процесса резания.

Подача изменяется согласно изменениям скорости вращения ин­ струмента так, чтобы подача на оборот оставалась постоянной; од­ нако, если величина параметров превышает 0,8 от их установлен­ ной предельной величины (ограничения I I I — VII), подача умень­ шается, хотя и не становится менее установленной величины sTOi„.

Специальный контур VIII позволяет проходить участки, где ин­ струмент выходит из детали со скоростью, в четыре раза большей установленной максимальной подачи. Этот контур получает сигна­ лы, зависящие от величины крутящего момента, деформаций и осевого усилия резания, и не работает, если инструмент находится в детали. Информация о крутящем моменте и деформации шпин­ деля дополнительно используется для сигнализации о недопусти­ мом износе инструмента.

На рис. 124 показана часть фрезерного станка, который имеет колонну 1 с вращающимся шпинделем 2. В шпинделе закреплен инструмент 3, обрабатывающий деталь 4. Деталь закреплена в приспособлении 5, установленном на столе станка 6, и переме­ щается вместе с ним от гидравлического двигателя 7, обеспечива­ ющего регулирование с постоянным моментом. Шпиндель вращает­ ся двигателем 8, скорость вращения которого регулируется при. постоянном крутящем моменте.

Деформации шпинделя измеряются четырьмя датчиками 9, рас­ положенными вокруг шпинделя через 90°. Каждая пара датчиков, расположенных на одном диаметре, дает информацию о деформа­ ции шпинделя по одной оси координат. С их помощью можно по­ лучить информацию о суммарной деформации шпинделя и отжиме инструмента.

Каждый датчик 9 состоит из держателя 10, прикрепленного к колонне 1 возле шпинделя 2. К держателю крепится кронштейн II, имеющий колено 12, на котором закреплен предварительно нагру­ женный подшипник 13. Наружное кольцо подшипника катится по кольцу 14, закрепленному на шпинделе с минимальным биением. На рычаге 11 укреплены два стандартных датчика 15, измеряющих

ментов 16—19, наклеенных на втулку 20, которая кольцами 21 свя­ зана со шпинделем и крепится зажимными кольцами 22 и 23. На

Рис. 124. Размещение датчиков крутящего момента, осевой силы и деформаций

втулке под углом 45° к оси шпинделя закреплено четыре чувстви­ тельных элемента, соединенных в мостовую схему; подвод напря­ жения к мосту осуществляется четырьмя щетками 24—27 через кольца 28—31. Щетки расположены в изоляционной втулке 32, которая сидит на втулке 20 на подшипниках 37 и 38.

Для получения информации о величине силы резания по вели­ чине крутящего момента необходимо также знать диаметр фрезы.

Для измерения осевой силы, действующей на шпиндель, исполь-

зуются полупроводниковые датчики 33—36. Каждая пара датчиков (например, 33 и 34) выполняется из полупроводниковых элементов различной проводимости, так что сопротивление одного элемента (например, 33) при растяжении увеличивается, а второго (соответ­ ственно 34) уменьшается. Все элементы включаются в мостовую схему.

Вместо описанных датчиков могут быть использованы любые другие, выполняющие те же функции.

Контур управления скоростью вращения шпинделя реализует зависимость

т а

ния и характеризует условия обработки детали, так как твердость материала детали, износ инструмента, жесткость СПИД между деталью и инструментом изменяются в ходе резания и от детали к детали; величина X различна для разных операций (фрезерования, сверления, нарезания и т. п.). Величина X * — тот же параметр, но записанный в ходе настройки станка на аналогичной операции при фиксированной скорости резания К*; Т* — стойкость инструмен­ та, определенная в ходе той же настройки станка при определении X*. Показатель степени m—из уравнения ѴТ* "*= const; величина m зависит от материала инструмента; например, для быстрорежущей

величина, разная для разных операций: например, для фрезерова­

ности величина а может отличаться от приведенных значений, хо­ тя среднее значение, а примерно им соответствует) ; tc — среднее время смены инструмента, В — стоимость изношенного инструмен­

Здесь 2,3—постоянный коэффициент, который может корректиро­ ваться при настройке; Fs— максимальная окружная сила, равная измеренному крутящему моменту, деленному на радиус инструмен­ та; Е — жесткость системы СПИД; Хтах — допустимая погрешность обработки (в тысячных долях дюйма), одновременно определяющая

струмента при настройке (обработка с V* и Т*), равная в случае! фрезерования и расточки величине X*. '

Измерительный мост датчика крутящего момента питается ге-| нератором, выходной сигнал с моста подается на усилитель пере-! мениого тока. Выход усилителя подключен к демодулятору, даю-і щему напряжение постоянного тока, пропорциональное амплитуде! входного напряжения. Сигнал с выхода демодулятора по линии 1\ подается на операционный усилитель 2 (рис. 125), в котором умно-|

жается на — (эта величина вводится по шкале .'Л. Коэффициент

усиления усилителя 2 подбирается потенциометром 4 (шкала 5)! для обеспечения нужного масштаба. Выходной сигнал усилителя 2\ равен произведению входного сигнала на отношение сопротивле-j ний 4 к 33. Через диод 6 и потенциометр 7 напряжение с усили-і теля 2 подается на усилитель 8, усиление которого регулируется! потенциометрами 7 и 9. - .• '

Напряжение с выхода усилителя 8 через потенциометр 10 посту-j пает в линию 11; потенциометром 10 по шкале 12 вводится множи-| тель, зависящий от отжима А*, который имел место при предвари-!

рис. 124), включенных в два моста: один для деформаций по оси Х,\ второй — по оси У. Сигнал с моста датчика ôsx через усилитель по-! ступает на демодулятор, на выходе которого напряжение постоян-і

ная нагрузка привода подач). Сигнал с выхода демодулятора по-j дается по линии 1 (рис. 126) на операционный усилитель 2. По-j тенциометрами 3 и 4 настраиваются множители: первым — пере-;

даточное число К= — , зависящее от жесткости инструмента, оп-|

А2„

линии 17, 16 (см. рис. 125) попадает в линию 1 (рис. 127) и ni