3.7. Управление динамической настройкой технологической системы

Способы управления размером Ап разнообразны: управление силами резания и их моментами, жесткостью элемен- тов станка, его температурным полем, динамическими характери- стиками звеньев станка и др. Наиболее распространен способ внесения поправки в размер Ая путем изменения силы резания. При этом изменяются в той или иной мере упругие перемещения yt всех составляющих звеньев размерной цепи, замыкающим звеном которой является расстояние между режущими кромками инстру- мента и заготовкой. Для реализации процесса резания в станке нужно создать натяг А'„, необходимый для съема материала с обрабатываемой т—1 заготовки; А'А = £ yi. Если действительное значение Ая отли- чается от заданного, то в него следует внести поправку. Изменение геометрии резания существенно влияет на А'л, так как при этом меняются направление и значение вектора силы резания Р. Например, при токарной обработке в процессе резания можно изменить передний угол, угол резания, главный угол в плане и другие параметры резца, что вызывает изменение вектора Р. Таким образом, изменяя геометрию резания, можно управлять динамической настройкой. Управление упругими перемещениями технологической си- стемы путем изменения подачи S выполяется следующим образом. В процессе обработки контролируется какая-либо физическая величина Q, изменение которой пропорционально изменению А'л, например относительное упругое перемещение yt звеньев техноло- гической системы, сила резания или ее составляющие, Мыр и др. Измеренное значение Q, преобразованное в электрический сиг- нал '{Л,, подается на СУ (рис. 3.21), где сравнивается с сигналом Ut, поступающим с ЗУ и пропорциональным заданной величине Л д. Если сигналы иг и (78 отличаются, то СУ выдает сигнал рассо- гласования £/з> который подается на ИМ. Последний изменяет подачу S до тех пор, пока рассогласование не уменьшится до допустимого значения. Вносить поправку в размер динамической настройки можно путем изменения жесткости jt одного или нескольких звеньев технологической системы, так как

^1 + '+...+ • (З.Ю) 'т. с /1 /» /m-l ) где /4 — жесткость /-го звена размерной цепи, замыкающим зве- ном которой является расстояние между технологической базой детали и регулирующими кромками инструмента; /т. „ — жест- кость технологической системы.

Рис. 3.21. Схема САдУ размером динамиче- ской настройки: ИУ — измерительное устройство; СУ — сравни- вающее устройство; ЗУ — задающее устройство; ИМ — исполнительный механизм

Этот способ внесения поправки отличается от способа внесе- ния поправки путем изменения вектора силы резания (Лд =* = P/JI.C)- Отличие состоит в том, что компенсация отклонения упругого перемещения на замыкающем звене выполняется путем изменения только величины yt звена, жесткость которого регу- лируется. Например, если из-за изменения входных параметров заготовки упругое перемещение Лд = (z/i ± A»/i) + (#2 ± Д#г) + -\ ----- h (Ун ± Д#л) Н ----- 1- (ym-i ± A^m-i), где Az/, — прираще- ние упругого перемещения на каждом t-м составляющем звене размерной цепи, то при изменении жесткости k-ro звена откло- нение упругого перемещения АЛД компенсируется внесением поправки Ay'k в упругое перемещение „этого звена, т. е. Лд = = 0/1 ± Aj/i) + (1/2 ± А«/2) Н ---- + («/* ± А»/* Т A«/i) + ---- Ь + (Ут-i ± Аг/шщ). При этом необходимо соблюдение условия

Управление упругими перемещениями при таком способе внесения поправки происходит следующим образом. Заранее устанавливают зависимость между Лд и упругим перемещением yi звена, жесткость которого регулируют, т. е. Лд = kyt. Во время обработки для компенсации изменения АЛд размера динамиче- ской настройки жесткость /р регулируемого звена автоматически изменяется на такую величину, при которой отклонение упругого перемещения этого звена от изменения жесткости равно по вели- чине АЛд, но с обратным знаком. Так, если в результате изменения входных данных заготовки АЛД изменилось и приняло новое зна- (т— 2 т— 2 \ £ Ус + Е A#j I + (У* + А#р), где yv — заданное <=i <=i / упругое перемещение регулируемого звена; Аур, A#j — отклоне- ния упругих перемещений регулируемого и других составляющих т— 2 звеньев, то для компенсации отклонения АЛД = 2 Д#<4-Д#р (=i можно определить новое значение жесткости /р регулируемого звена на основании уравнения 1//т.0 = l//z + 1//р, где /z — суммарная жесткость составляющих звеньев, кроме регулируе- мого. Тогда 1? = Р3.р/(уР — АЛД), где Р3. Р — эквивалентная сила, действующая на регулируемое звено. Размер динамической настройки изменяется из-за возника- ющих при резании вибраций, являющихся следствием потери устойчивости замкнутой (через процессы резания, трения, упра- 131

->

.

Процесс резания 1"

Станок Ц

*—

Динамическая настройка \у,

•«

Пьезоэлектрический вибратор

Преобразователь и усилитель

4 1

Усилитель * мощности

I -». Фазовращатель

1 Измерение относительных колебаний инструмента и заготовки

а)

\\4\\\\\\\\\4N

б) Рис. 3.22. Устранение вибраций путем управления размером динамической настройки: а — структурная схема гашения колебаний; б — пьезовибратор; /, 2, 3 ~ влементы настройки предварительного сжатия; 4 — пьезоэлектрический силовой эдем-гит; S ~ жесткая пружина; в — корпус; 7 — составная мембрана: 9 — резец •

вления) технологической системы. Вибрации, как правило, недо- пустимы по требованиям точности обработки и надежности экс- плуатируемого оборудования. Вибрации устраняются изменением режима резания, стабилизацией динамической настройки путем управления положения инструмента и заготовки, путем управле- ния динамическим состоянием технологической системы в целом. Для управления процессом резания, в том числе и с целью повышения виброустойчивости, используют многоконтурные САдУ. Каждый контур работает по определенному алгоритму. Например, САдУ фрезерованием осуществляет стабилизацию подачи на зуб фрезы путем регулирования частоты вращения фрезы в функции минутной подачи. Первый контур с помощью

регулятора мощности стабилизирует мощность резания на задан- ном уровне номинальной мощности, причем регулятор реализует интегральный закон регулирования в квазиустановившихся ре- жимах и специальный релейный в характерных переходных режимах. Второй контур гасит возникающие на резонансных частотах станка колебания с амплитудой большей номинальной путем шагового экстремального регулирования частоты вращения фрезы. Третий контур осуществляет стабилизацию подачи за счет регулирования частоты вращения шпинделя в функции изме- нения подачи. Работа этого контура начинается только тогда, когда второй контур устранит вибрации. Устранение вибраций за счет управления относительным поло- жением инструмента и заготовки реализуется при наложении об- ратной связи по перемещению, посредством кото'рой измеряются относительные колебания указанных элементов, а также преобра- зуются эти колебания в электрический сигнал. Последний после усиления и фазового сдвига подается в преобразователь электри- ческого напряжения в перемещения, в качестве которого может быть использован пьезовибратор, оказывающий управляющее воздействие на динамическую систему станка. Схема системы данного типа приведена на рис. 3.22, а. Пьезо- вибратор (рис. 3.22, б) имеет силовой элемент, набранный из поляризованных пьезокерамических дисков (диаметром 30 мм, толщиной 2 мм). Одноименные полюса двух соседних дисков обращены друг к другу. Между дисками установлены электроды из медной фольги. Подвод управляющего напряжения осуще- ствляется через входные клеммы по двум проводам, соединяющим соответственно отрицательные и положительные электроды. При подаче на вход переменного напряжения столбик дисков совершает механические колебания и работает как вибратор. Управление с целью гашения вибраций динамическим состоя- нием технологической системы может быть реализовано путем установки в стыки пар сопрягаемых деталей станка активных динамических демпферов на пьезокерамической основе. Последние обеспечивают такое управление предварительно сжатыми сты- ками, которое делает стол станка практически невосприимчивым к внешним возмущениям.