Механической обработке

Повышение эффективности процесса обработки - конечная цель совершенствования металлорежущих станков. Достижение этой цели связано с повышением производительности, точности, чистоты и стоимости обработки. Параметры эти взаимосвязаны, и достичь экстремального значения одного из них можно при ус­ловии наложения ограничений на остальные. В то же время тре­бования к увеличению точности и чистоты обработки являются более конкретными, чем требования к производительности и стоимости. Если недостаточная производительность или себестоимость обработки детали могут быть скомпенсированы и допу­щены, то несоответствие реальной точности и чистоты обработ­ки делают бессмысленной эксплуатацию станка. Задача повышения точности обработки заслуживает особого внимания и, сле­довательно, должна быть выделена из общей проблемы повышения эффективности обработки.

В разработке устройств автоматического управления точнос­тью обработки посвящены работы необходимы схемы управления упругими перемещениями, которые ре­ализуют следующие подходы к достижению точности: регулирова­нием подачи, мощности, жесткости системы СПИЗ статической настройкой; путем наложения высококачественных вибраций на резец и др. Следует заметить, что повышение точности и качества обрабатываемых поверхностей немыслимо без снижения уровня вибраций при резании. Таким образом, становится вопрос о создании особого класса систем автоматического управления, обеспечивающих оптимизацию динамических характеристик станка. В частности, разработка САУ положением инструмента и заготовки с одновременной минимизацией уровня вибрации при резании.

При разработке САУ одной из важных задач является вст­ройка контура управления в естественную систему СПИЗ. Приме­нительно к станкам токарной группы возможны два варианта ре­шения: динамическая цепь размыкается либо между резцом и суппортом, или между деталью и ее опорами. Для ПДО целесооб­разно введение двух независимых контуров, стабилизации, оси заготовки и управления операциями. Базой для датчиков может служить станина станка, корпусы передней и задней бабки. Ис­точником информации для подобных систем могут служить ампли­туда колебаний самой детали, ее скорость или ускорение, АОК между резцом и заготовкой и также скорость и ускорение последней, сила резания.

Для ПРС можно выделить два основных контура управления. Первый - по управлению амплитуд (относительных или абсолютных) и второй - по стабилизации и минимизации сил резания.

При разработке контура управления возникает вопрос о вы­боре его входного и выходного сигналов. Для ПДО, как показа­ли теоретические исследования и эксперимента, в обоих случаях целесообразно использовать амплитуду колебаний детали или перемещение ее оси относительно станины.

Для ПРС из сигналов, приемлемых для системы управления, таких как сила резания, амплитуда, скорость, ускорение одно­го из элементов суппортной группы, АОК между резцом и деталью, резцом и резцедержателем, наиболее полную информацию содержит в себе величина амплитуды относительных колебаний. При этом погрешности изготовления направляющих станины, поперечного суппорта и ходовых винтов не будут сказываться на точности обрабатываемых изделий. Передаточная функция, связы­вающая колебания детали и резца, может быть теоретически и экспериментально определена с гораздо меньшим трудом, чем во всех остальных случаях.

Для построения опытно-промышленного варианта САУ необхо­димо проведение предварительного теоретического и расчетного исследования поведения системы управления на параметры СПИЗ. В теоретическом варианте (рис.2.10) рассматриваемые САУ могут быть представлены тремя звеньями: а)первичным преобра­зователем с передаточной функцией , входом которого является , , , а выходом напряжение ; б) блоком управления с передаточной функцией , кото­рый вырабатывает сигнал управления ; в) исполнитель­ным механизмом включенного на выход блока управле­ния в перемещении резца или детали.

Рис.2.10. Структурная схема САУ положением инструмента (резца) и заготовки (детали)

Контуры управления представлены звеньями направленного действия, соединенными последовательно и образующими отрица­тельную обратную связь по координатам - составляющей ПРС и ПДО. Для теоретического анализа таких систем управления запишем общую передаточную функцию цепи обратной связи, здесь целесообразно принять первичный преобразователь безинерционным, блок управления электронным, а исполнительное устройство электрогидравлическим. Первые два звена могут рассматривать­ся как усилительные звенья, их постоянные времени намного меньше постоянных времени СПИЗ и процесса резания, а послед­ний как апериодическое первого порядка. Тогда соответствующие передаточные функции могут быть представлены в виде

; ; ; ,

где - коэффициенты усиления звеньев, - посто­янная времени исполнительного механизма. Тогда передаточные функции контуров управления по параметрам , , име­ют вид, например, для

. (2.22)

Аналогична передаточная функция объекта со встроенным контуром управления

(2.23)

.

Проведем расчетные исследования (2.23) методом АФЧХ. Постоянные коэффициенты для объекта приведены в таблице. Для исполнительного механизма на основе анализа литературных источников и практики технической реализации примером ; . Наиболее характерные АФЧХ технологической системы, оснащенные контуром управления положения вер­шины резца, показаны на рис.2.11. Здесь годографы III и IV при , , соответственно. На том же рисунке для сравнения даются АФЧХ объекта без САУ, рассчитанные при тех же значениях . Из сопоставления АФЧХ объекта без контура управления и с САУ в целом видно, что введение контура управления уменьшает радиус-вектор годографа в 2…2,5 раза при всех принятых значениях , на частотах 0…230 Гц. Следует отметить, что на всех частотах с вводом контура управления фазо­вый сдвиг несколько увеличивается по отношению к входной ве­личине.

Рис.2.11. АФЧХ технологической системы, оснащенная контуром управления положением вершины резца

Используя частотные методы исследования систем по заданному известными способами отыскивается коэффициент усиления регулятора и синтезируются корректирующие звенья. Диапазон частот () для аналитического исследования выбран из чисто экспериментальных соображений (максимальные собственные частоты ПДО и ПРС по оси Y порядка 100…200 Гц).

Введение контура управления подобного типа позволяет увеличить статическую жесткость резца и заготовки теоретиче­ски до бесконечности, а, следовательно, повысить точность го­товых изделий. Практический предел зависит от характеристик сервопривода. Перемещение резцовой группы, и подсистемы "де­таль опоры" с вводом САУ, больше не является доминирующим фактором, определяющим поведение системы СПИЗ в исследованном диапазоне частот. САУ существенно снижает уровень вибра­ций детали и инструмента, величины которых определяют качест­во обрабатываемых поверхностей изделий, а также в известной степени и стойкость режущего инструмента.

Благодаря функционированию САУ уменьшается динамическое соотношение между величинами взаимного смещения центра дета­ли, вершины резца и силой резания. Соответственно улучшается качество переходных процессов в упругой системе. Подобные справедливы постольку, поскольку справедлива линеаризация объекта и контура управления.

Таким образом, введение САУ в систему СПИЗ позволяет: резко уменьшить уровень вибраций (теоретически до нуля); повысить статическую и динамическую жесткость системы (в широ­ком диапазоне частот); практически полностью устранить влия­ние колебаний ПРС и ПДО, погрешностей кинематической цепи и направляющих станины на процесс резания. В итоге достигается улучшение качества и формы обрабатываемых поверхностей. При­чем, достигаемый эффект в основном зависит от динамических характеристик САУ и существенно в меньшей мере от параметров системы СПИЗ.

При введении САУ в систему СПИЗ принята линейная модель процесса резания. Такой подход обусловлен малыми отклонения­ми параметров объекта от их установившихся значений в условиях функционирования контура управления. Между тем предста­вляет существенный интерес выявление влияния САУ на поведение объекта в режимах, когда проявляется нелинейность про­цессов резания.

Введение контура с передаточной функцией приводит к структуре, показанной на рис.2.12. Тогда передаточная функция системы управления

. (2.24)

Рис.2.12. Структурная схема САУ и технологической системы при нелинейности процесса резания

Рис.2.13. АФЧХ при нелинейном процессе резания и встроенной САУ

Проведем анализ частотным методом.

При этом примем чис­ленные значения постоянных коэффициентов для объектов управ­ления, которые выбираются согласно таблице, а для САУ аналогично АФЧХ системы показана на рис.2.13 (II и III годографы при и соответственно). Также для сра­внения приведена АФЧХ объекта при .

Рис.2.14. АФЧХ технологической системы СПИЗ со встроенными контурами управления

Анализ полученных результатов показывает, что даже в случае нелинейности объекта и наличия в нем запаздывания, при­водящего к потере его устойчивости, введение контура управления сравнительно малым коэффициентом усиления и реально достижимыми динамическими показателями качества, обеспечива­ет резкое повышение устойчивости системы в целом. Так, например, из представленных АФЧХ видно, что функционирование контура управления не только делает объект устойчивым, но и создает запас устойчивости по модулю 1,3…2,0. С целью повышения точности обработки в указанном направлении была разра­ботана автоматическая система стабилизации оси детали. Согласно принятых обозначений система СПИЗ условно разделена на ПРС и ПДО. Причем процесс резания входит в каждую из упомяну­тых подсистем. Аналогичное исследование влияния САУ для вто­рой подсистемы - ПДО было проведено и дало подобные результаты и здесь рассматриваться не будет.

Структурная схема объекта для моделей с сосредоточенны­ми параметрами и с двумя контурами управления показана на рис.2.10. Из ее рассмотрения следует, что при введении подоб­ных систем управления при обработке заготовок одновременно контролируется несколько выходных параметров: а) смещение оси детали и ее амплитуда колебаний; б) амплитуда относительных колебаний инструмента и детали. Следует отметить, что контроль и управление этими параметрами производится в процессе резания. При этом поведение системы СПИЗ (ее динамические характеристики) зависят только от параметров САУОК и САУСО. Естественная связь, которая существует в упругой системе станка (колебания детали и резца связаны посредством корпуса передней и задней бабок, станины и суппортной группы) больше не оказывают взаимного влияния. Главными формообразующими узлами теперь являются управляемые ПДО и ПРС, только их динамические параметры являются основоопределяющими, которые в свою очередь зависят только от параметров контуров управления. Естественно, что такой подход позволяет снизить технологические требования к изготовлению и обработке корпусных деталей, кинематическим цепям, изолировать влияние колебаний через фундамент. И, как следствие, устранить влияние износа направляющих и инструмента на точность обрабатываемых изделий.

Передаточная функция, связывающая выходные параметры с внешним силовым воздействием, с одновременным учетом двух контуров управления выражается следующим образом

. (2.25)

Анализ АФЧХ объекта в целом (системы СПИЗ и двух контуров управления (рис.2.14) убедительно доказывает, что стати­ческие перемещения уменьшаются в 5…20 раз в зависимости от (для сравнения на этих же рисунках приведены АФЧХ базового станка.

Рис.2.15. АФЧХ подсистемы «деталь-опоры»

Естественно, что при этом точность обработки во­зрастает во столько же раз в поперечном и продольном сечении. АОК снижается на всем исследуемом диапазоне частот в 12…15 раз, при Гц в 2…2,5 раза, годограф Y). Фазовые сдвиги наблюдаются на всех частотах (при и с учетом двух контуров управления). Следует отметить, что фа­зовый сдвиг растет с увеличением частоты и зависит от посто­янных времени контуров управления. Подобные выводы справедливы при тех допущениях, которые были допущены в данной гла­ве. Усложнения структурных схем контуров управления, введение апериодических звеньев второго и выше порядка принципиаль­но не изменяют физическую сторону, но усложняют расчеты и исследования.