книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

При программировании контурным методом, когда каждую кривую рассматривают отдельно, пришлось бы при движении по каждой из линий (рис. 156) задавать начальные и конечные усло­ вия, коэффициенты кривой и направление движения по ней, т. е. не менее семи чисел, если исходить из структуры программирую­ щего устройства, воспроизводящего кривые второго порядка. Число рабочих проходов в рассматриваемом случае 37 + 36 = 73.

При программировании поверхностным методом необходимо задать координаты лишь двух точек — начала движения Н и его

окончания К, величину периодической подачи Аг, логику пере­ ключения коэффициентов иг и «3 и коэффициенты обрабатываемой

поверхности, т. е. в данном случае необходимо задать всего лишь примерно 14 чисел на весь участок поверхности.

Таким образом, сокращение объема входной информации при поверхностном методе программирования по сравнению с контур­ ным в рассматриваемом примере составит

т. е. число, примерно равное числу рабочих проходов. Сокращение входной информации достигается благодаря введению блока ав­ томатического управления программирующим устройством.

На рис. 157 изображен другой порядок покрытия поверхности траекториями, когда рабочие проходы совпадают с образующими конуса, а проходы периодической подачи являются окружностями. Такой порядок движения имеет технологические преимущества перед описанным выше, так как в последнем случае фреза меньше работает на врезание.

Кривая Гх является линией пересечения конуса с плоскостью х — 0, т. е. м3 = 1. Кривая Г 3 — это линия пересечения конуса с плоскостью, проходящей через ось Z п точку 2, т. е. с плоскостью

пересечения конуса с плоскостью, проходящей через ось Z и точ­ ку 4, т. е. с плоскостью у4х -]- х4у = 0, и т. д.

Приведенные рассуждения и. определяют логику блока авто­ матического режима в этом случае. Существенно, что при движе­ нии по кривым с нечетным номером

соответствуют значениям коэффициентов us при движении по об­ разующим конуса. Знак этих us должен определяться дополни­

тельно.

Если диаметр наибольшей эквидистантной окружности

Число проходов периодической подачи равно 24.

292

Могут быть предложены и другие порядки покрытия поверх­ ности проходами. Предлагаемый метод программирования допу­ скает очень большое число порядков обработки. Задание на тот или иной порядок обработки должен выдавать инженер-технолог, исходя из свойств режущего инструмента, заготовки и конструк­ ции станка.

Всякая информация 'о порядке обработки может быть исклю­ чена в случае стохастического задания и5при движении в заданных

границах по заданной поверхности. По-видимому, стохастическое задание us позволит значительно повысить надежность всей си­

стемы, осуществляющей процесс обработки поверхности, но при этом возрастет время покрытия поверхности проходами. Переход на стохастическое задание us вызовет пересмотр всей технологии

процессов обработки поверхностей.

Развитие техники можно проследить по тем геометрическим формам, которые использовались при конструировании машин и приборов. При создании новых машин для обеспечения их опти­ мальных параметров оказывается целесообразным использовать более сложные геометрические формы. Например, развитие дви­ гателей внутреннего сгорания поставило вопрос о замене поршне­ вых двигателей коловратными.

Внедрение в машиностроение программного управления сни­ мает с конструктора многие ограничения в отношении формы де­ талей разрабатываемой им машины.

Внедрение программного управления потребует перестройки работы не только цехов, в которых используются станки с про­ граммным управлением, но и конструкторских бюро, разрабаты­ вающих машины, детали которых изготовляются с помощью этих станков.

Если теперь основным рабочим документом является чертеж детали, то с развитием систем программного управления он пре­ вратится лишь в иллюстрацию. Если теперь основные рабочие инструменты конструктора — это циркуль и линейка и сложные поверхности он составляет из многих кусочков сфер, плоскостей, круговых цилиндров и конусов, что очень неудобно при програм­ мировании, то для системы программного управления конструк­ тор должен выдать только уравнение поверхности, даже если оно сложное, что значительно уменьшит трудоемкость программиро­ вания.

Лишь совместными усилиями конструкторов машин, технологов и разработчиков систем программного управления могут быть ре­ шены проблемы, выдвигаемые развитием этих систем.

Для иллюстрации сказанного приведем один пример. Реальные фрезы лишь в том случае могут рассматриваться как шаровые, если их ось находится вблизи от нормали к обрабатываемой по­ верхности. При работе на большинстве станков это условие далеко не всегда выполняется. Например, конструкция фрезерных стан­ ков для обработки гребных винтов заведомо не обеспечивает этого,

293

в результате чего приходится программировать перемещение цен­ тра фрезы по очень сложной кривой (эквидистанта cR = var),

что очень усложняет программирование. Если бы конструкция станков обеспечивала установку инструмента по нормали к обра­ батываемой поверхности, то улучшились бы условия работы фрезы и качество обработки поверхности и значительно облегчилось бы программирование.

30.ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЧЕРНОВОЙ ОБРАБОТКИ

ШТАМПОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ

Структура систем программного управления определяется прежде всего теми заданиями, для выполнения которых они пред­ назначены. Как видно из изложенного выше, программирование обработки поверхности имеет свои характерные особенности, и система управления, предназначенная для управления процессами обработки поверхности, в отличие от систем позиционного и кон­ турного программного управления, может быть названа системой поверхностного программного управления.

Следует отметить, что перечисленные системы отличаются пре­ жде всего различной степенью самостоятельности внутри того мно­ гообразия, на котором задано их поведение. Мерой самостоятель­ ности поведения этих систем можно считать число произвольных коэффициентов us в структуре программирующего устройства,

задающего их поведение. Поэтому система позиционного программ­ ного управления имеет самостоятельность, равную нулю; система контурного управления — самостоятельность, равную единице (темп выработки управляющих сигналов во времени может быть произвольным); система поверхностного управления — самостоя­ тельность, равную трем (произвольная траектория на поверхности, произвольный темп во времени). Самостоятельность может быть алгоритмической, как это имеет место в рассмотренных выше схе­ мах для программирования обработки поверхности, или вероят­ ностной, когда коэффициенты usмогут назначаться случайно. Даль­

нейшим развитием систем программного управления являются си­ стемы с поведением, заданным с точностью до трехмерного много­ образия. Применительно к металлообработке такой системой будет система управления выборкой металла из заданного объема (объем можно рассматривать как трехмерное многообразие). Выборка объема металла — это заполнение части пространства заданной конфигурации (заданного объема) трубками конечного диаметра, который определяется размером обрабатывающего ин­ струмента. Задача управления выборкой металла — это задача перемещения инструмента по пространственным линиям, являю­ щимся осями трубок, заполняющих объем (в частности, при чер­ новой обработке штампов). Система управления выборкой металла из заданного объема может быть названа системой объемного про-

294

граммного управления; она имеет самостоятельность, равную шести.

Очевидно, что^чем больше самостоятельность систем, тем меньше входной информации ей требуется для выполнения того или иного задания, для достижения той или иной цели..

Значительное сокращение входной информации, вводимой

впрограммирующее устройство при программировании чистовой

иполучистовой обработки штампов дает применение поверхност­ ного программного управления. Ниже рассматривается способ программирования черновой обработки штампов, который позво­ ляет уменьшить объем входной информации примерно в /г2 раз по сравнению с поверхностным методом (k2 — число слоев снимае­

мого металла).

Всякий объем в трехмерном пространстве можно рассматри­ вать как трехмерное многообразие, и если он задается уравне­ нием F (xlt х 2, х 3, jt4) = 0, то структура дифференциального ана­

лизатора, позволяющая воспроизводить множество траекторий, заполняющих данный объем, будет описываться уравнениями:

Например, если заданный объем ограничен поверхностью сферы х2 + у2 + z2 = R2, то структуру дифференциального ана­

лизатора, воспроизводящего траектории внутри этого шара, можно описывать уравнениями:

dx

■илу ■— u2z — u3R;

dtp

dy = —Uxx + u4z + ubR\

dtp

-|L = u2x — uAy — ueR\

dR = —u3x + u5y — U BZ.

dtp

Задание коэффициентов us определяет ту или иную траекторию в этом объеме. Пусть заданы какие-то значения us; программирую­

щее устройство вырабатывает в соответствии с этим управляющие сигналы, которые отрабатываются приводами подач станка, фреза перемещается по траектории, соответствующей этим значениям us,

295

и производит выборку металла. Как только фреза дошла до гра­ ницы заданного объема, необходимо так изменить коэффициенты us,

чтобы новая траектория, как и первая, пролегала внутри задан­ ного объема. Эта траектория, как и первая, должна быть такой, чтобы фреза не перегружалась, но работала все время с нагрузкой, близкой к максимальной. Индикатором нагруженное™ фрезы мо­ жет служить электрическая мощность мотора, вращающего ее.

В соответствии с изложенным на рис. 158 изображена схема управления черновой обработкой. Задатчик траектории ЗТ осу-

ществляет изменение коэффициентов при достижении границ за­ данного объема (о чем сигнализирует ПУ) и при отклонении элек­ трической мощности N двигателя Д от заданного значения мощ­ ности Nx и (AN).

Величина Nx назначается в зависимости от типа фрезы, обра­

батываемого металла и с учетом других технологических требо­ ваний. Задание us может осуществляться либо по какому-нибудь

алгоритму, либо случайно. Программирующее устройство может быть выполнено на непрерывных элементах, так как требуемая точность черновой обработки невысока. Входная информация сводится в общем случае к заданию коэффициентов многообразия, ограничений и величины Nt .

Для примера рассмотрим простейший алгоритм при выборке металла из верхнего диска полусферы (рис. 159). Фреза поме­ щается в отверстие, высверленное в центре диска, и движется от точки а0до тех пор, пока нагрузка на фрезе не возрастет до допу­ стимой; после этого она движется по окружности Г г до тех пор,

296

пока не вернется в точку <зь о чем просигнализирует уменьшение

потребляемой мощности.

Из этой точки фреза снова движется по горизонтальному ра­ диусу до набора полной мощности, до точки а2, потом она будет

двигаться по окружности Г 2 и т. д. до тех пор, пока не будет вы­ бран весь металл из диска до радиуса R i; после этого фреза пе­

рейдет к отработке другого диска, лежащего ниже, с радиусом, меньшим /?!, и так до тех пор, пока не будет выбран металл из всей полусферы. При этом программирующее устройство полу­ чается очень простым.

Любой отрабатываемый объем можно аппроксимировать час­ тями объемов различно расположенных сфер. При аппроксимации объемов в зависимости от конкретных требований могут быть ис­ пользованы и другие конфигурации. Рассмотренная система яв­ ляется системой объемного программного управления.

Технологические процессы производства изделий делятся на классы по характеру взаимодействия между орудием и предметом обработки. К первому классу относятся процессы, характеризуе­ мые точечным воздействием орудия на предмет обработки, когда взаимодействие происходит на малой относительно обрабатываемой поверхности элемента рабочей части орудия, который может рас­ сматриваться как точка. Рабочее движение в этом случае опре­ деляется формой обрабатываемой детали, а орудие имеет большую универсальность. Второй и третий классы характеризуются тем, что взаимодействие между орудием и предметом обработки осу­ ществляется по линии и по поверхности. Рабочее движение ста­ новится кинематически простым, а орудие — узкоспециализиро­ ванным.

Автоматика п электропривод сегодняшнего дня, техника про­ граммного управления позволяют осуществлять сколь угодно кинематически сложные движения. Траектория движения является самым гибким элементом технологического процесса. Переход же от одной формы обрабатывающего орудия, например штампа,

к другой является значительно более трудным делом. Поэтому

вусловиях бурного развития науки и техники, когда необходимо быстро и дешево перестраиваться с производства одних моделей машин на производство других, более новых и совершенных, наи­

большими возможностями обладают технологические процессы с точечным взаимодействием орудия и предмета обработки. Для повышения производительности процессов с точечным взаимодей­ ствием идут по пути концентрации энергии в точке обработки и од­ новременного использования нескольких точечных орудий.

Интересно отметить аналогию между классификацией техноло­ гических процессов по характеру взаимодействия между орудием и предметом обработки и приведенной выше классификацией систем программного управления. Во втором случае также выде­ ляются системы позиционного, контурного, поверхностного и объемного программных управлений, только эта классификация

297

относится прежде всего к сфере подготовки входной информации н обусловлена стремлением уменьшить объем информации, вводи­ мой в программирующее устройство в зависимости от вида работ. Например, для управления сверлильным станком применяется позиционное управление; для управления газорезательным ав­ томатом, осуществляющим раскрой листов, — контурное; для уп­ равления процессами обработки поверхности детали на универ­ сальном фрезерном станке — поверхностное; для управления про­ цессами выборки металла из заданного объема в случае черновой обработки штампов — объемное программное управление. Про­ граммное управление обработкой каждой конкретной детали должно быть разумным сочетанием этих четырех видов управления.

Системы программного управления станками в настоящее время состоят из трех частей: металлорежущего станка, обору­ дованного управляемым приводом подач; программирующего уст­ ройства (интерполятора), которое вырабатывает управляющие сигналы на приводы подач станка; цифровой универсальной ма­ шины, которая подготавливает входную информацию для интер­ полятора на основе информации о подлежащих обработке дета­ лях (источником такой информации может быть чертеж детали).

Проблема уменьшения объема входной информации непосред­ ственно связана с распределением функций между этими тремя составными частями.

Интерполяторы являются промежуточными вычислительными устройствами. В настоящее время наблюдается тенденция уста­ навливать их непосредственно у станка.

Рассмотрим три основных способа математического описания деталей с точки зрения широты класса деталей, объема входной информации и удобства программирования эквидистаит.

Первый из этих способов — описание деталей тригонометри­ ческими рядами. В 1955 г. фирмой SNECMA во Франции были начаты работы по созданию цифро-аналогового комплекса для управления универсальными фрезерными станками с целью мо­ дернизации изготовления копиров, которое являлось узким местом производства. В основу этих работ было положено описа­ ние конфигурации деталей тригонометрическими рядами, пред­

298

является дополнительной координатой, определяющей вращение осей ОХ, ОУ вокруг OZ.

каждой группы а и |3.

В систему могут входить и другие вспомогательные коорди­ наты для упрощения описания некоторых частных видов поверх­

ностей.

Следует отметить, что параболические кривые и поверхности описываются тригонометрическими рядами очень сложно. Но имеется большой класс поверхностей, который этими рядами опи­ сывается хорошо.

Предлагаемая Файяром методика аппроксимации системы то­ чек тригонометрическим рядом не является строгой. Рассчитан­ ная по этой методике кривая будет проходить через заданные точки, но между точками принципиально возможны большие выбросы.

С помощью тригонометрических рядов с переменными коэф­ фициентами можно описать поверхность в целом, а траектории на этой поверхности задавать с помощью блока автоматического режима; последнее позволило бы значительно уменьшить объем информации, вводимой в программирующее устройство.

Программирование эквидистант исходя из тригонометричес­ кого описания контуров — сложный процесс. В устройстве экви­ дистантные кривые программируются очень приближенно и удо­ влетворительная точность при этом получается лишь благодаря использованию инструмента очень малых размеров (диаметром

2 мм).

Существует класс интерполяторов, который базируется на описании деталей алгебраическими уравнениями, причем одни уравнения основаны на описании деталей полиномами, другие — на описании неявными алгебраическими функциями [5].

Недостатком такого математического описания является узость класса воспроизводимых кривых. Даже такую распространен­ ную кривую, как окружность, требуется аппроксимировать несколькими параболами. Поверхность при таком подходе при­ ходится задавать как совокупность контуров всех проходов, что приводит к большому объему входной информации.

Программирование эквидистант с помощью параметрического описания также является трудоемким, поскольку при этом необ­ ходимо знать частные производные кривой, которые в данном слу­ чае сложно вычислить.

299