Соломонцев Ю.М. Теория автоматического управления

Рис. 3.21. Схема САдУ размером динамической настройки:

ИУ — измерительное устройство; СУ — сравнивающее устройство; ЗУ — задающее устройство; ИМ — исполнительный механизм

Этот способ внесения поправки отличается от способа внесения 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 регулируется. Например, если из-за изменения входных параметров заготовки упругое перемещение Лд = (z/i ± A»/i) + (#2 ± Д#г) +

устанавливают зависимость между Лд и упругим перемещением yi звена, жесткость которого регулируют, т. е. Лд = kyt. Во время обработки для компенсации изменения АЛд размера динамической настройки жесткость /р регулируемого звена автоматически изменяется на такую величину, при которой отклонение упругого перемещения этого звена от изменения жесткости равно по вели-

131

регулятора мощности стабилизирует мощность резания на заданном уровне номинальной мощности, причем регулятор реализует интегральный закон регулирования в квазиустановившихся режимах 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 изменения подачи. Работа этого контура начинается только тогда, когда второй контур устранит вибрации.

Устранение вибраций за счет управления относительным положением инструмента и заготовки реализуется при наложении обратной связи по перемещению, посредством кото'рой измеряются относительные колебания указанных элементов, а также преобразуются эти колебания в электрический сигнал. Последний после усиления и фазового сдвига подается в преобразователь электрического 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. Пьезовибратор (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 осуществляется 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 состоянием 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 стыками, которое делает стол станка практически невосприимчивым

квнешним возмущениям.

3.8.КОМПЛЕКСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКОЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Эффективным способом адаптивного управления ходом технологического процесса на станках является комплексное управление статической и динамической настройкой, обеспечивающее автоматическое управление как точностью, так и производительностью обработки. В САдУ, реализующих этот способ,

133

Рис. 3.23. Структурная схема САдУ размерами статической и динамической настройки токарного полуавтомата

' Спид

полняется с наибольшим допустимым по частоте значением по-

дачи S = Sv.

Изменения величины упругого перемещения, вызванные колебанием входных данных заготовки или затуплением режущего

и индуктивного датчика 2, шток которого упирается в регулиро-. вочный винт 3, непрерывно измеряется размер Ая. Первыйкон-

тур САдУ является следящей системой размером Л0, обеспечивающей изменение Ае за счет малых перемещений суппорта в радиальном направлении на величину Д0 == Лд. Перемещения осуществляются посредством реверсивного механизма 5, встроенного в рычаг упора щупа. Высокая точность перемещений обеспечи-

135

Рис. 3.24. Структурная схема САдУ шероховатостью поверхности

Структурная схема системы автоматической стабилизации шероховатости обрабатываемой поверхности показана на рис. 3.24. В блоке определения подачи на оборот вычисляется соотношение скоростей подачи и главного движения, которое и равно подаче на оборот с точностью до постоянного коэффициента. Фактическое значение 5Ф, мм/об, сопоставляется с заданной величиной в блоке сравнения. Аппаратная часть системы управления реализуется на базе микропроцессорного модуля.

Управление состоянием поверхностного слоя. Кроме точности к числу показателей качества относится состояние поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, которое определяется глубиной и степенью наклепа поверхностей, величиной остаточных напряжений в поверхностных слоях. Управление необходимо для получения заданных значений показателей, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики деталей.

Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения или разупрочнения, зависящих от преобладания в зоне резания силового или теплового факторов. Увеличение силы резания Р повышает степень наклепа. Увеличение продолжительности ее действия на поверхностный слой вызывает увеличение глубины распространения наклепа. Изменение режимов обработки, приводящее к увеличению температуры в зоне резания, усиливает интенсивность разупрочнения и уменьшает степень наклепа. Увеличение силы Р приводит к росту остаточных напряжений сжатия и снижению напряжений растяжения при обработке малопластичных материалов. Изменение режимов резания, приводящее к возрастанию температуры резания, вызывает рост остаточных напряжений растяжения и уменьшает напряжения сжатия. Повышение температуры может вызвать фазовые изменения поверхностного слоя и появление дополнительных остаточных напряжений.

САдУ обеспечивают контроль и стабилизацию на заданном уровне главных факторов, определяющих состояние поверхностных слоев: температуру и силу резания. САдУ не только стабилизируют параметры качества поверхностного слоя, но и обеспечивают необходимые номинальные значения путем ввода силового и теплового режимов.

137

Управление температурными деформациями технологической системы. При обработке в технологической системе возникают температурные деформации, являющиеся следствием действия широкого спектра факторов, влияние которых различно в зависимости от конкретных условий. Погрешности, вызываемые температурными деформациями звеньев технологической системы, сказываются, с одной стороны, на изменении размера Ае, а с другой — на изменении размера Лд, что обусловлено изменением динамической жесткости системы. Кроме того, изменения точностных показателей деталей происходят из-за температурных деформаций самих деталей. Наиболее рациональным средством сокращения таких погрешностей является использование САдУ,

Наиболее интенсивному тепловому воздействию подвергается режущий инструмент, так как он при резании находится в зоне

высоких температур. Изменения температурного поля приводят к изменению размеров режущего инструмента и появлению

мента (в частности, резца) в зависимости от времени его работы достаточно точно подчиняются экспоненциальному закону. Однако при колебании входных данных заготовок (в частности, z) характер температурных деформаций меняется. Поэтому необходимо применять САдУ.

На рис. 3.25 показана система термостабилизации в зоне резания при токарной обработке. Информация о температуре резания в виде термоЭДС между заготовкой и режущим инструмен-

особенности каждого нового инструмента в соответствии с его кодом, передаваемым устройством ЧПУ (УЧПУ). Сигнал с выхода СУ управляет регулируемым приводом главного движения. Номинальное значение скорости главного движения задается

висходной программе.

Впроцессе регулирования режима резания необходимо обеспечить постоянство подачи на оборот, которая связана с частотой вращения шпинделя обратно пропорциональной зависимостью.

1.ЧЯ

Рис. 3.25. Структурная схема системы термостабилизации:

/ — шпиндель; 2 — датчик угла поворота шпинделя; S — датчик термоЭДС; 4 — двигатель поперечной подачи; 5 — двигатель продольной подачи

Для этого на шпинделе расположен фотоэлектрический датчик угла поворота, информация с которого поступает в УЧПУ. Последнее использует алгоритм, соблюдающий при управлении приводом подачи указанную обратно пропорциональную зависимость. Такое управление процессом резания обеспечивает увеличение стойкости инструмента, сохранение постоянной шероховатости обработанной поверхности, повышение производительности обработки.

Новым подходом к решению задачи повышения точности и производительности обработки является использованиемикропроцессором. Учет факторов, определяющих геометрические погрешности обработки, сводится к созданию либо эмпирическим, либо аналитическим путем математической модели станка, которая затем закладывается в вычислительное устройство, ведущее управление, ходом процесса обработки. В этом случае станок оснащают системой первичных преобразователей (датчиков), дающих информацию о режиме, силе резания, температурном режиме обработки, координатах положения режущего инструмента, реализуемых в соответствии с УП. Получаемые данные о состоянии технологической системы вводят в вычислительное устройство, которое расчетным путем определяет вид и уровни сигналов коррекции, поступающих в УЧПУ, или непосредственно на соответствующие рабочие органы станка. Использование вычислительных устройств позволяет управлять процессом обработки по свободному параметру путем всесторонней оценки состояния техноло-

139