способ адаптивного управления токарным станком

Формула изобретения

СПОСОБ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОКАРНЫМ СТАНКОМ, включающий измерение текущего радиуса детали, частоты вращения шпинделя и текущего значения силового параметра, изменения частоты вращения шпинделя обратно пропорционально изменению текущего радиуса детали и изменение величины подачи инструмента, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, величину подачи инструмента изменяют прямо пропорционально изменению частоты вращения шпинделя, а при достижении силовым параметром заданного предельного значения дальнейшее перемещение инструмента сопровождают отводом его в направлении, перпендикулярном текущему направлению подачи, со скоростью, изменяемой в соответствии с выражением



одновременно изменяя подачу инструмента в текущем направлении в соответствии с выражением



где S_м величина подачи;

S^т_М^ек составляющая подачи инструмента в текущем направлении;

S^j_М^nd составляющая подачи инструмента в направлении отвода;

P текущее значение силового параметра;

P_о предельное значение силового параметра;

коэффициент пропорциональности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для управления станками токарной группы.

Известен способ адаптивного управления токарным станком, включающий измерение силового параметра обработки, сравнение его с верхним и нижним предельными значениями, прерывание контурной подачи и отвод инструмента по поперечной координате при достижении силовым параметром верхнего предельного значения, прерывание отвода и возобновление контурной подачи при достижении силовым параметром нижнего предельного значения. Способ реализован в устройстве [1]

Недостатком способа является непостоянство скорости резания и непостоянство величины оборотной подачи в процессе радиального отвода инструмента, необходимость прерывания основной контурной подачи, снижающая производительность обработки, нерациональная последовательность обработки, при которой количество циклов отвода инструмента возрастает с увеличением конструктивной сложности детали. Кроме того, для многих основных типов токарных резцов способ оказывается неработоспособным. Например, поскольку при отводе основная контурная подача прерывается, то радиальный отвод токарного проходного резца с острым главным углом в плане вызовет мгновенную потерю контакта инструмента с заготовкой.

Известен также способ адаптивного управления токарным станком, включающий измерение текущего радиуса обработки и частоты вращения шпинделя, изменение частоты вращения шпинделя обратно пропорционально изменению текущего радиуса обработки и изменению величины контурной минутной подачи прямо пропорционально изменению частоты вращения шпинделя. Способ реализован в устройстве [2]

Недостатком способа является невозможность учета изменения глубины t_р резания, которая наиболее существенно влияет на Р. Следовательно, полная стабилизация силового параметра при использовании способа [2] не достигается. Поскольку изменение программно заданной траектории (отвод) инструмента при появлении непредусмотренных управляющей программой отклонений припуска на обработку в способе [2] не производится, то при его использовании накладываются жесткие ограничения на первоначальные размеры и форму заготовок, что является существенным недостатком при черновой обработке.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ адаптивного управления токарным станком, включающий измерение текущего радиуса обработки, частоты вращения шпинделя и текущего значения силового параметра обработки, изменение частоты вращения шпинделя обратно пропорционально изменению текущего радиуса обработки и изменение величины контурной минутной подачи обратно пропорционально изменению силового параметра обработки относительно заданного предельного значения [3]

Изменением частоты n вращения шпинделя обратно пропорционально текущему радиусу обработки достигается стабилизация скорости резания v. Изменением величины минутной подачи S_м достигается стабилизация силового параметра обработки.

Недостатком известного способа является существенное непостоянство оборотной подачи S, поскольку минутная подача S_м изменяется под влиянием силового параметра, а частота n вращения шпинделя в зависимости от текущего радиуса обработки. Кроме того, поскольку с изменением глубины резания, пропорциональной ширине срезаемого слоя, происходит обратное изменение подачи, пропорциональной толщине срезаемого слоя, то распределение сил резания, действующих на переднюю грань инструмента, меняется случайным образом, что приводит к неустойчивому резанию (вибрациям), снижению стойкости инструмента и, в конечном итоге, к снижению производительности обработки. Поскольку изменения программно заданной траектории движения инструмента, его отвода от заготовки в способе не предусматривается, единственным путем уменьшения силового параметра при значительном увеличении глубины резания остается фактическое прекращение подачи, что также ведет к снижению производительности обработки при использовании известного способа.

Цель изобретения повышение производительности при черновой обработке.

Это достигается тем, что в известном способе адаптивного управления токарным станком, включающем измерение текущего радиуса детали, частоты вращения шпинделя и текущего значения силового параметра, изменение частоты вращения шпинделя обратно пропорционально изменению текущего радиуса детали и изменению величины подачи инструмента, величину подачи инструмента изменяют прямо пропорционально изменению частоты вращения шпинделя, а при достижении силовым параметром заданного предельного значения дальнейшее перемещение инструмента сопровождают отводом его в направлении, перпендикулярном текущему направлению подачи, со скоростью, изменяемой в соответствии с выражением

S^о_М^тв= одновременно изменяя подачу в текущем направлении в соответствии с выражением

S^т_М^ек где S_м величина подачи; S_м^тек составляющая подачи инструмента в текущем направлении; S_м^отв составляющая подачи инструмента в направлении отвода; Р текущее значение силового параметра; Р_о предельное значение силового параметра; - коэффициент пропорциональности.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы адаптивного управления, реализующей способ; на фиг.2 графическая иллюстрация процесса формирования очередного шага перемещения инструмента при использовании способа и принципа интерполяции на постоянной несущей частоте; на фиг.3 и 4 возможные сочетания направлений отработки текущих и отводящих микроперемещений инструмента соответственно на наружной и внутренней поверхностях; на фиг.5 пример траектории перемещения инструмента для частного случая обработки ступенчатого вала с использованием заготовки с произвольной формой осевого сечения.

Изобретение осуществляется следующим образом. В состав системы адаптивного управления, реализующей способ, входят устройство 1 ЧПУ (фиг.1), включающее процессор 2, блок 3 ввода управляющих программ, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 4, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 5, шина 6 обмена данными, блок 7 ввода сигналов от внешних источников информации, линейные интерполяторы (ЛИ) 8 и 9, блок 10 управления приводом главного движения, а также блок 11 задания константы предельного значения силового параметра, приводы 12 и 13 продольной и поперечной подачи инструмента, привод 14 главного движения, датчик 15 силового параметра и станок 16.

Блок 11 задания константы силового параметра представляет собой регистр хранения, снабженный логической схемой управления записью/считыванием, подключенный к шине 6 обмена данными и заполняемый с клавиатуры пульта управления устройства ЧПУ.

Датчик 15 силового параметра представляет собой пластину из упругой стали со встроенными пьезоэлектрическими первичными преобразователями, установленную между основанием поворотного механизма шестипозиционной револьверной головки и поперечными салазками суппорта (типовое техническое решение).

В ПЗУ 4 устройства 1 ЧПУ хранится резидентная программа работы процессора 2, обеспечивающая обработку управляющей информации, хранимой в ОЗУ 5, включая реализацию алгоритма адаптивного управления. Перед началом обработки в ОЗУ 5 по шине 6 с блока 3 вводится управляющая программа обработки, а с блока 11 предельное значение Р_о силового параметра.

С началом обработки процессор 2 в соответствии с данными управляющей программы, записанной в ОЗУ 5, передает информацию о перемещении по шине 6 на вход ЛИ 8 и 9, управляющих приводами 12 и 13 продольной и поперечной подачи инструмента, а также информацию о начальной частоте n_о вращения шпинделя в блок 10 бесступенчатого управления приводом 14 главного движения. Обращение процессора 2 к ЛИ 8 и 9, блоку 10 и остальным устройствам, подключенным к общей шине 6 обмена данными, происходит циклично с постоянным периодом (15-20 мс).

В каждом очередном цикле обращения к блоку 10 процессор 2 в соответствии с текущим радиальным положением инструмента передает в блок 10 управляющую информацию о частоте вращения шпинделя, рассчитываемой им по формуле

n n_o (1) где х_о начальный радиус обработки, заданный в управляющей программе; х текущий радиус обработки, равный текущему значению поперечной координаты; n_o заданная в управляющей программе частота вращения шпинделя, соответствующая начальному радиусу обработки. Тем самым достигается постоянство скорости резания на уровне

v 2 x_on_o 2 xn const. (2)

В соответствии с заданным в управляющей программе значением оборотной подачи S, мм/об, процессор одновременно с изменением n производит изменение минутной подачи согласно уравнению

S_м S ^. n (3) Тем самым величина S поддерживается постоянной при любом изменении n.

Силовой параметр Р, таким образом, становится инвариантным по отношению к v и S, оставаясь зависимым только от третьего параметра режима резания t_р. Эта зависимость практически для всех видов обрабатываемых материалов может считаться линейной:

t_р K ^. P, (4) где К постоянный коэффициент, устанавливаемый в системе один раз на весь срок ее эксплуатации, исходя из максимальной загрузки станка по мощности при точении легкообрабатываемых материалов, что соответствует наибольшей чувствительности системы адаптивного управления к изменению силового параметра.

При черновой обработке заготовки из алюминиевого сплава твердостью НВ= 500 МПа со скоростью резания v 3,14 м/с и подачей S 0,2 мм/об на станке с мощностью главного привода N 11 кВт предельное значение силового параметра

Р_о 2500 Н < Р_max N/v 3500 Н, расчетное значение глубины резания, поддерживаемой в процессе обработки, согласно эмпирической формуле

Р 35,7 ^. t_р ^. S^{0,75 .}НВ^0,5 составит

t_p= 10,4 мм При этом К t_p/P 0,00416 мм/Н.

Для более твердых и прочных материалов при том же значении К стабилизация силового параметра на уровне Р_о будет достигаться при меньших значениях t_р.

Если в процессе обработки за некоторый промежуток времени t произойдет превышение силовым параметром предельного значения на величину

Р Р Р_о, то дальнейшее перемещение инструмента сопровождается отводом его в направлении, перпендикулярном текущему направлению подачи, со скоростью

S_м^отв (Р Р_о) Р. (5)

Значение коэффициента определяется исходя из того, что работоспособная система должна обеспечивать подачу отвода, превышающую скорость изменения глубины резания:

S^о_м^тв или P Тогда с учетом (4)

где t постоянная времени, определяющая инерционность системы.

Поскольку суммарное значение минутной подачи должно поддерживаться на уровне S_м, то на диапазон изменения S_м^отв введено ограничение

S^о_М^тв= (6) а величина минутной подачи инструмента в текущем направлении изменяется в зависимости от величины S_м^отв в соответствии с выражением

S^т_М^ек (7)

В соответствии с принципом интерполяции "на постоянной несущей частоте" в каждом i-м цикле обращения процессора 2 к линейным интерполяторам 8 и 9 процессор рассчитывает величину микроперемещения

a_i S_м (8) которое успевает совершить инструмент за период , равный времени цикла обращения, после чего рассчитывает величину координатных микроперемещений X_i и Z a которые по шине 6 передаются на входы ЛИ 8 и 9 для отработки приводами 12 и 13 подач за период .

При достижении силовым параметром предельного значения Р_о процесс формирования траектории перемещения инструмента изменяется. Пусть в начале микроперемещения a_i-1 (точка А на фиг.2) величина силового параметра Р. измеренная датчиком 15, достигла предельного значения Р_о, соответствующего некоторой предельной глубине t_Po резания, а после отработки a_i-1 (в точке В на фиг.2) произошло увеличение t_р, вызвавшее увеличение силового параметра на величину

Р_i-1 P_i-1 P_o (9) где Р_i-1 значение силового параметра, измеренное по окончании отработки a_i-1. Тогда составляющие микроперемещения a_i рассчитываются процессором 2 исходя из следующих соображений.

Очевидно, что для снижения силового параметра до уровня Р_онеобходимо в процессе отработки следующего микроперемещения совершить одновременный отвод инструмента перпендикулярно текущему направлению подачи, за которое принимается направление предыдущего микроперемещения a_i-1, на величину

a_i^отв t_Pi-1 t_Po t_{Pi-1 ,} (10) где t_Pi-1 глубина резания в конце микроперемещения a_i-1; t_Pi-1 увеличение t_P за время отработки a_i-1. В соответствии с (4)

a_i^отв K ^. P_i-1 K ^. P_o K ^. P_i-1

P_i-1 (11)

С учетом ограничения подачи согласно (6) вычисление a_i^отвпроизводится процессором 2 по формуле

a^о_i^тв= (12)

Одновременно в соответствии с (7) и (8) рассчитывается величина a_i^тек микроперемещения в текущем направлении по формуле

a^т_i^ек (13) после чего процессор 2 производит расчет координатных микроперемещений по формулам, вытекающим из подобия треугольников ABL, BEF и BGH (фиг.2), учитывая, что координатные микроперемещения X_i-1 и Z_i-1были вычислены им на предыдущем шаге интерполяции:

X^о_i^тв Z^о_i^тв

(14)

X^т_i^ек Z^т_i^ек

Полная совокупность возможных сочетаний направлений отработки текущих и отводящих микроперемещений, включающая восемь сочетаний, приведена на фиг.3. В зависимости от знака текущих микроперемещений и вида обрабатываемой поверхности (наружная или внутренняя) изменяется знак микроперемещений отвода. С учетом этого общее правило суммирования, используемое процессором 2 при расчете координатных микроперемещений X_i и Z_i на каждом очередном участке a_i, определяется выражениями

sign(X_i)X sign(X^т_i^ек)X+sign(П)X

sign(Z_i)Z sign(Z^т_i^ек)Z-sign(П)sign(X^т_i^ек)

sign(Z^т_i^ек)Z(15)

где X_i| Z_i X_i^тек| Z_i^тек| Х_i^отв| Z_i^отв абсолютные значения координатных микроперемещений;

sign( X_i), sign( Z_i), sign( X_i^тек), sign( Z_i^тек), знаки координатных микроперемещений Х_i, Z_i, X_i^тек и Z_i^тек,

Sign (П)

В управляющей программе обработки задаются относительные координаты опорных точек траектории перемещения инструмента при выполнении предчистового прохода (точки А-В-С-D-Е, фиг. 4). Вид обрабатываемой поверхности (наружная или внутренняя) задается в управляющей программе одновременно с заданием режима адаптивного управления при помощи выбранной для этой цели пары подготовительных функций (например, G25 адаптивная обработка наружной поверхности, G26 адаптивная обработка внутренней поверхности). Наряду с поддержанием постоянства скорости резания и подачи формированием текущей траектории перемещения инструмента в зависимости от изменения силового параметра процессор 2 выполняет функции модификации траектории рабочего прохода, исключающей возможность нарушения заданного окончательного контура детали в процессе эквидистантного повторения предшествующего профиля обрабатываемой заготовки, сформированного на предыдущем рабочем проходе. С учетом этого на фиг. 4 показан примерный вид траектории перемещения инструмента, где цифрами 0-16 отмечена последовательность выполнения рабочих проходов. Процесс обработки заканчивается, когда инструмент при очередном рабочем проходе последовательно обойдет точки A-B-C-D-E (фиг.4) заданного контура.