Ульяновский политехнический институт

На правах рукописи

КУЗЬМИН Александр Васильевич

УДК 621.503.55 (088.8)

СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПЕРЕМЕННЫМ РАДИУСОМ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических неук,

профессор АЦДРЕЕВ В.А.

Ульяновск 1986

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . .. . . . . . . . 4

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ . .. . . . ... . . .. 11

1. Технологические возможности режима стабилизации скорости резания . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . .12

1.2. Обзор современного уровня развития устройств стабилизации скорости резания . . . . . . .. . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . ..19

1.3. Математические модели и способы реализации режима стабилизации скорости резания. . . . . . .. . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . ..28

1.4. Установившиеся режимы работы в непрерывных системах . . . ..34

1.5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

ГЛАВА ВТОРАЯ. СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ТИПА . . . . . . . . . . . . . ..54

2.1. Методы исследования систем с двумерными не–

линейностями. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.2. Линеаризация дифференциальных уравнений систем с параметрическим регулятором . . . .. . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.3. Динамические процессы в системах и методы их исследования. .62

2.4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. СИСТЕМЫ С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ РАДИУСА

ОБРАБОТКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.1. Влияние шага дискретизации радиуса на характер процессов в системах. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.2. Установившиеся режимы работы. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.3. Динамика систем с дискретным измерением радиуса

обработки. .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . .. 107

3.4. Особенности режима переключения при дискретном измерении радиуса обработки . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

3.5. Выводы ……..…..…..…..…....…..…..…..…..…..…..…..…..….. 115

ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ СТАБИЗАЦИИ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ…............ 117

4.1. Системы с регулируемым приводом главного движения ... . . .117

4.2. Системы с автоматической коробкой скоростей

в главном приводе.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . . . .. . . . 125

4.3. Регуляторы соотношения скоростей .. . . . .. . . . . . .. . . . .. . . . .. . .133

4.4 Режим стабилизации скорости резания в микро–

процессорных системах числового программного управления ... 139

4.5. Выводы .. . . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . 144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . 147

ЛИТЕРАТУРА . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. .. . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . 151

ПРИЛОЖЕНИЯ.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . 165

ПРИЛОЖЕНИЕ I. СВЕДЕНИЯ О ВНЕДРЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .166

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ

УПРАВЛЕНИЯ.. .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . 176

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ .. . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . . . . 202

П.3.1. Система с автоматической коробкой скоростей

в главном приводе .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . .. 203

П.3.2. Непрерывная система параметрического типа с дополнительной обратной связью и различным значением параметров в пусковом режиме .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . 211

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ.. . . . .. . . . .. . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . .216

П.4.1. Множительно-делительные устройства.. . . . .. ... . . . .. . . . .. . . 217

П.4.2. Устройства контроля угловой скорости и периода вращения шпинделя станка .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . 224

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В материалах ХIII съезда КПСС и основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 - 1990 годы и на период до 2000 года отмечено, что одной из важнейших задач развития народного хозяйства является неуклонное укрепление тяжёлой промышленности, для успешного решения которой требуется ускорить выпуск прогрессивной техники, необходимой для технического перевооружения машиностроения. Для этого необходимо опережающими темпами осуществлять изготовление систем промышленной автоматики на базе электроники, прежде всего для управления технологическими процессами. Особое внимание следует уделять последовательному усилению режима экономии важнейшему фактору интенсификации производства, добиваться максимальной загрузки оборудования, ускоренно переходить к ресурсосберегающим технологиям. [24, 97].

Из автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в самостоятельную группу можно выделить системы стабилизации технологических параметров, к которым и относятся системы стабилизации скорости резания (ССР), Поддержание скорости резания на заданном уровне при изготовлении деталей с переменным радиусом обработки обеспечивает сокращение машинного времени обработки до двух раз и одновременно улучшает качество обработки поверхности изделия за счёт снижения высоты и шага микронеровностей в его центральных участках. Это даёт возможность получить однородную по качеству поверхность деталей в результате одного прохода режущего инструмента [1,99,134]. Кроме того, в режиме ССР повышается точность обработки и время работы режущего инструмента, т.к. при поддержании скорости резания на заданном уровне физико-механический процесс снятия стружки и тепловой режим резания более стабильны, и имеют место снижение тепловых деформаций (3,74). В режиме ССР наблюдается также значительное снижение колебаний остаточных напряжений и наклёпа по поверхности детали, уменьшающее изменение их геометрической формы после термической обработки и в процессе эксплуатации при повышенных температурах (75,81) .

Отсюда следует, что использование систем ССР повышает технико-экономические показатели работы оборудования и качество выпускаемой продукции, снижает энергетические затраты и затраты рабочего времени на единицу продукции. Поскольку при токарной обработке операции, требующие режима ССР, т.е. операции формообразования торцовых, конических, сферических и других фасонных поверхностей с переменным радиусом обработки, составляют большое количество, внедрение систем ССР в производство позволяет получить в народном хозяйстве значительный экономический эффект. Таким образом, диссертационная работа непосредственно направлена на выполнение постановления ЦК КПСС и СМ СССР от 18 февраля 1980 года за № 145 "0 значительном повышении технологического уровня и конкурентоспособности металлообрабатывающего, литейного и деревообрабатывающего оборудования и инструмента".

К настоящему времени для систем ССР остаётся нерешённым ряд вопросов и проблем, что является сдерживающим фактором их разработки и применения. В частности, в проводившихся ранее исследованиях не рассмотрены вопросы детального анализа установившихся и динамических процессов в различных системах ССР и их связи с технологическими параметрами процесса резания: скоростями подачи и резания, радиусом обработки и усилием резания. Практически отсутствуют работы по созданию систем ССР с учётом дискретного характера измерения радиуса обработки и регулирования угловой скорости вращения шпинделя станка. Нет достаточно чётких и подробных рекомендаций по выбору структур систем ССР и их построению с учётом технологических особенностей и качественных показателей работы различных типов токарных станков, а также методик инженерного уровня анализа и синтеза этих систем, учитывающих влияние технологических параметров процесса резания.

Цель работы. В связи с вышеизложенным целью работы является разработка методик исследования систем ССР с непрерывным и .дискретным характером измерения радиуса обработки, учитывающих влияние технологических параметров процесса резания, структурных схем этих систем и практических рекомендаций по их построению для различных типов токарных станков.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1.Разработать методику определения аналитических зависимостей, описывающих поведение координат нелинейных непрерывных и дискретных систем ССР в установившихся и динамических режимах работы с учётом влияния технологических параметров при управляющих и возмущающих воздействиях.

2.Исследовать динамические и установившиеся процессы в непрерывных и дискретных системах ССР при управляющих и возмущающих воздействия и различных значениях технологических параметров.

3.Разработать принципы построения систем ССР, обладающих необходимыми показателями качества работы, для различных типов токарных станков с учётом технологических особенностей их работы и минимальной технической сложности систем.

4.Экспериментально исследовать работу наиболее перспективных систем ССР на действующем оборудовании.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с помощью методов преобразования и решения дифференциальных, интегральных и алгебраических уравнений и неравенств. Использовались методы линеаризации нелинейных дифференциальных уравнений, структурных преобразований, методы исследования импульсных систем, в частности, теорема Котельникова. Широко применялись методы математического моделирования с использованием цифровых вычислительных машин и физического моделирования.

Проверка теоретических положений проводилась на основе экспериментальных исследований опытных образцов систем ССР на действующем оборудовании при хронометрировании машинного времени обработки и регистрации процессов в системах магнито-электрическими осциллографами К20-22 и Нева MT-I. Шероховатость поверхности обработанных изделий контролировалась профилографом-профилометром модели 201 в соответствии с рекомендациями paбот (17, 135).

Научная новизна.

1.Установлены и обоснованы общие закономерности изменения установившихся и динамических процессов в различных системах CCP и их зависимости от технологических параметров процесса резания при непрерывном и дискретном измерении радиуса обработки.

2.Разработана методика исследования систем ССР в установившемся режиме и предложена линеаризация нелинейных диф-ференциальных уравнений систем ССР с параметрическим регулятором скорости резания. Это позволяет производить не только анализ, но и синтез систем ССР на основе методов линейной теории управление с учётом влияния технологических параметров процесса резания при управляющих и возмущающих воздействиях.

3. На. основании теоремы Котельникова получены аналитические условия, позволяющие определять характер работы систем ССР (дискретный или непрерывный) в зависимости от технологических параметров и параметров самой системы управления при дискретном измерении радиуса обработки,

4. Синтезирован ряд структурных схем систем ССР и разработаны рекомендации по их построению и использованию в токарных станках различных типов с учётом технологических особенностей их работы.

Практическая ценность.

1.Разработаны методики исследования систем ССР инженерного уровня, позволяющие производить не только анализ, но и синтез систем ССР различных типов при управляющих и возмущающих воздействиях как с дискретным, так и непрерывным измерением радиуса обработки с учётом влияния технологических параметров процесса резания.

2.Выработаны рекомендации по построению систем ССР для токарных станков различных типов: универсальных различной точности, с устройством числового программного управления (УЧПУ), станков с микропроцессорным управлением, а также ста­нков с различным типом главного привода; регулируемым и приводом, содержащим автоматическую коробку скоростей (АКС). Эти рекомендации позволяют создать системы ССР с малым аппаратурным составом и высокими показателями качества работы.

3.Разработан и испытан в лабораторных и производственных условиях ряд систем ССР, а также их основных узлов, обеспечивающих унификацию систем ССР и УЧПУ.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы были положены в основу разработки системы ССР параметрического типа с дополнительной обратной связью и различным значением параметров в пусковом режиме, которая прошла лабораторные испытания. Модификаций этой системы для станка с регулируемым главным приводом и устройством числового программного управления подготовлена к внедрению в производство.

На Ульяновском авиационном промышленном комплексе имени ^; Д.Ф. Устинова внедрена в производство система ССР для токарного станка модели 16К20ФЗ с УЧПУ H22-IM с экономическим эффектом более 12 тысяч рублей в год на один станок при плане внедрения на 11 станков.

На производственном объединении ИЖМАШ г..Устинова внедрена в производство система ССР с интегральным параметрическим регулятором для универсального токарного станка особо высокой точности модели 250ИТА с -экономическим эффектом в 2,3 тысячи рублей в год на один станок. В двенадцатой пятилетке запланирован серийный выпуск станков с этой системой в количестве 40 штук.

Новизна и оригинальность разработанных систем и их отдельных элементов подтверждена II авторскими свидетельствами, 4 из которых используются в промышленности.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке систем стабилизации скорости резания различного типа для станков токарной, карусельной и шлифовальных групп. Кроме этого разработанные принципы построения систем ССР могут найти применение в других отраслях промышленности: при автоматизации процессов лучевой обработки материалов, усовершенствовании устройств записи-воспроизведения и информации на дисковых носителях, для качественного улучшения технологических процессов намотки различных материалов и других процессов, где используется преобразование угловой скорости вращения в линейную с переменным радиусом.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на Всесоюзных научно-технических конференциях: «Проблемы создания и эксплуатации систем ЧПУ для металлообрабатывающего оборудования на основе микропроцессоров» (г Ульяновск 1982 г.), «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов» (г, Барнаул 1982 г,) на Республиканских научно-технических конференциях "Применение технологического оборудования с ЧПУ для автоматизации производства в машиностроении" (г. Киев 1982 г.), «Разработка, исследование и внедрение прогрессивных технологических процессов механосборочного производства» (г. Севастополь 1982 г.), «Сокращение ручного труда при сборке изделий в приборостроении на основе использования промышленных роботов» (г. Севастополь 1983 г.), на Поволжской научно-технической конференции «Алгоритмы, средства и системы автомати­ческого управления» (г, Волгоград 1984 г.), на областных научно-технических конференциях «Автоматизация технологических процессов и промышленных установок» (г, Пермь 1978, 1979, 1982, 1983 г.г.), на научно-технических конференциях Ульяновского политехнического института (1978 - 1985 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, из которых 11 являются авторскими свидетельствами, 4 из них используются в промышленности; основные положения диссертации были доложены на 18 конференциях, в том числе на 6 Всесоюзных и Республиканских конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Основная часть диссертации содержит 125 страниц машинописного текста и 50 иллюстраций.

Автор выражает признательность научному консультанту кандидату технических наук, доценту кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Ульяновского политехнического института Логинову Григорию Викентьевичу за оказанную им помощь при выполнении работы.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ

Необходимость режима стабилизации скорости резания при изготовлении деталей с переменным радиусом обработки на станках токарной группы с технологической точки зрения не вызывает сомнения, т.к. в этом случае технико-экономические показатели работы оборудования могут быть значительно улучшены. Однако к настоящему времени системы ССР не нашли достаточного распространения в промышленности, что объясняется отсутствием детальных исследований, происходящих в этих системах, установившихся и динамических процессов и связи их с параметрами процесса резания, обусловивших в свою очередь отсутствие обоснованных принципов построения систем этого класса.

Каждая операция токарной обработки в общем случае состоит из двух этапов, на первом из них - пусковом происходит при отсутствии усилия резания переход с одной заданной угловой скорости вращения шпинделя на другую. На втором этапе производится непосредственно обработка детали, характеризуемая возникновением усилия резания, появляющимся в момент врезания резца в деталь. Анализ технологических программ обработки деталей на станках с автоматической сменой инструмента показывает, что общее время первого этапа может составлять 5 – 10% всего времени обработки [5]. Таким образом, приобретает важное значение сокращение времени переходных процессов в пусковых режимах работы [92]. Наряду с этим необходимо также обеспечить в пусковых режимах небольшое значение перерегулирований и их количество по угловой скорости шпинделя и, следовательно, по скорости резания, т.к. это обеспечивает снижение износа станка и сохранение его класса точности более продолжительное время. Особенно критично это требование для станков высокой и особо высокой точности, для которых желательно максимальное перерегулирование не превышающее 5 – 15%. Для станков с более низким классом точности это значе­ние может быть увеличено в 2 - 3 раза.

На втором этапе токарной обработки основным требованием является стабилизация угловой скорости шпинделя, а для систем ССР - скорости резания при действии возмущения, т.е. в данном случае усилия резания. Нормы СЭВ для электроприводов главного движения устанавливают нестабильность угловой скорости 0,5 – 15% при действии возмущения и суммарную нестабильность ± 5 – 30% [9,50]. Поскольку система ССР содержит в своём составе главный электропривод, её качественные показатели определяются в значительной степени соответствующими показателями главного электропривода станка. С учётом этого, приняв также во внимание, что точность стабилизации скорости резания определяется в основном требованиями технологии, а в настоящее время нормативные требования к нестабильности ско­рости резания отсутствуют, определим нестабильность скорости резания при действии возмущений равной 5 – 10% от номинального значения. Максимальное перерегулирование по скорости резания при действии возмущения ограничим пределами перерегулирований для пускового режима работы, т.е. 5 – 15%, что вполне допустимо по требованиям технологии.