Выше в п. 3.2 «Основы систем адаптивного управления» отмечалось, что следствием колебания припуска является изменение сил резания, что отрицательно отражается на шероховатости поверхности обрабатываемой детали. Выход из положения найден в том, что привод главного движения и привод подач выполнены кинематически не связанными друг с другом, а использование адаптивной системы управления позволило случайное увеличение сил резания в реальном режиме времени компенсировать соответствующим уменьшением подачи.

При управлении шероховатостью поверхности для обеспечения стабильного рельефа обрабатываемой поверхности при прочих одинаковых условиях необходимо обеспечить постоянство перемещения в направлении подачи на один оборот обрабатываемой детали.

Структурная схема системы автоматической стабилизации шероховатости обрабатываемой поверхности показана на рис. 62. 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 S_Ф, мм/об, сопоставляется с заданной величиной в блоке сравнения. Аппаратная часть системы управления реа­лизуется на базе микропроцессорного модуля.

Рис. 62. Структурная схема САдУ шероховатостью поверхности

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.

Выделяющаяся в процессе резания теплота Ө распределяется между деталью, режущим инструментом, стружкой и окружающей средой

Ө = (P_zυ/427)τ(λ_д + λ_р.ч + λ_стр + λ_ср), (19)

где λ_д, λ_р.ч, λ_стр, λ_ср – коэффициенты которые характеризуют распределение теплоты, их значения зависят от режимов резания, углов заточки инструмента и других фактов. Очевидно, что . (P_zυ/427)τ – количество теплоты, выделяющейся в процессе резания за время τ.

Использование САдУ позволяет стабилизировать температурные режимы обработки а также связанные с ними температурные деформации детали, инструмента, других звеньев технологической системы.

Структурная схема термостабилизации в зоне резания при токарной обработке приведена на рис. 63.

Рис. 63. Структурная схема системы термостабилизации:

1 – шпиндель; 2 – датчик угла поворот шпинделя; 3 – датчик

термоЭДС; 4 – дви­гатель поперечной подачи; 5 – двигатель

продольной подачи

3.6. Система определения состояния инструмента

Новым подходом к решению задачи повышения точности и производительности обработки является использование микропро­цессоров. 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, анализируемых 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.

Создание гибких технологических систем на базе многоцелевых станков, обеспечивающих реализацию без­людной технологии, требует решения задач, связанных с автома­тическим определением состояния режущего инструмента, необ­ходимости коррекции его положения или замены. Обработка заготовок корпусных деталей средних размеров на многоцелевых станках предусматривает 5 – 30 различных режущих инструмен­тов (фрез, сверл, зенкеров, расточных резцов, метчиков). Одним из важных параметров, используемых для оценки состояния ре­жущего инструмента, является продолжительность резания, т.е. время непосредственной работы инструмента на станке, начиная с момента его установки.

Это время

, (20)

где τ_j – время резания при выполнении инструментом определен­ного перехода; п – число выполненных переходов к рассматрива­емому моменту времени.

Сравнение времени резания с расчетным периодом стойкости в общем случае позволяет судить о состоянии инструмента и его возможностях. Однако, как показывает практика, фактическая стойкость инструмента может колебаться в широких пределах (изменяться в 1,5 – 3 раза и более). Причинами этого является различное качество изготовления и заточки инструмента, а также нестационарный характер процесса резания, обусловленный изме­нением входных параметров заготовки. Это обстоятельство требует использования нескольких критериев, позволяющих оценить состояние режущего инструмента в комплексе, с различных позиций, что возможно путем применения микропроцессоров и информационно-измерительных блоков систем адаптивного упра­вления.

К числу таких критериев в первую очередь относят техно­логические критерии, которые позволяют оценить состояние инструмента с позиции получаемых параметров точности детали. Согласно этим критериям инструмент требует поднастройки или замены, если в результате размерного изнашивания не обеспечи­ваются требуемые размеры детали или шероховатость поверх­ности в заданных пределах:

≤ Δ_А ≤ , (21)

где , – допускаемые верхние и нижние предельные откло­нения соответственно; Δ_А – отклонение параметра точности детали.

Указанные критерии дополняет силовой критерий, который позволяет оценить режущую способность инструмента путем измерения сил резания и моментов, действующих в процессе обработки. Затупление инструмента в результате изнашивания и выкрашивания приводит к изменению геометрии и относитель­ному увеличению сил резания и моментов, начиная с первого рабочего хода, выполняемого острым инструментом. Это позво­ляет определить относительное приращение нагрузки, а следовате­льно, и степень затупления инструмента по мере его использования.

Учет продолжительности работы каждого инструмента в усло­виях технологически гибкого мелкосерийного производства осно­ван на использовании ЭВМ и программных методов получения и оценки технологической информации. Управляющую про­грамму станка транслируют через ЭВМ, в которой происходит считывание текста по каждому из кадров программы и получение необходимых исходных данных для выполнения последующих расчетных процедур. В процессе просмотра программы ЭВМ определяет вид и общее число iиспользуемого инструмента, а также многократность j его применения за один цикл обработки: i = 1, 2, .... i , j = 1, 2, ...., j. Одновременно выявляются режимы резания: подача S_i и частота вращения шпинделя n_i, заданные в программе станка для каждого инструмента: S₁ n₁; S₂, n₂; ...; S_i , n_i. Путем выявления координат, соответствующих началу х_н, у_н, z_н и концу х_к, у_к, z_к относительного перемещения инструмента на рабочей подаче S_i, ЭВМ находит длину резания L_i для каж­дого инструмента (L₁, L₂, ..., L_i).

В результате в памяти ЭВМ формируется массив данных о номенклатуре применяемого инструмента, режимах резания и длины резания на каждом рабочем ходе. При необходимости ЭВМ по запросу выдает полученный массив данных в виде распечатки. На основе полученных данных ЭВМ вычисляет продолжительность резания при последовательном выполнении переходов соответствующим инструментом: τ_i = L_i/S_i. Полученные результаты по каждому инструменту суммируют, и в результате определяют время работы каждого инструмента за цикл τ_1Σ, τ_2Σ,…, τ_iΣ.

На основании непрерывного слежения за числом обрабатываемых деталей вычисляют фактическое время работы режущего инструмента при данных условиях обработки и сравнивают с заданной стойкостью. Если фактическое время работы режущего инструмента достигает периода его стойкости, то возникает вопрос о необходимости его замены. Рекомендуемые значения стойкости инструментов вводят в память ЭВМ в виде массива или в виде аппроксимированных зависимостей T = f ( S , υ ). В результате становиться возможным :

– определить число однотипных деталей m_i, которые могут быть обработаны каждым инструментом за имеющийся период стойкости, m_i = Т _i/τ_iΣ;

– выявить момент, когда время резания при обработке однотипных заготовок инструментом i достигает заданного периода его стойкости, mτ_iΣ →T_i;

– оценить по окончании обработки партии заготовок из m штук состояние режущего инструмента по значению оставшейся стойкости, T_oi = T_i – – mτ_iΣ.

Последующую обработку заготовок нового типоразмера в общем случае можно выполнять тем же режущим инструментом, но с другими режимами резания S _j , υ _j , t _j и при иных условиях обработки. Каждому из таких сочетаний режимов резания соответствует свое расчетное значение периода стойкости режущего инструмента Т₁ = f ( S₁, υ_j ), Т₂ = f ( S₂, υ₂), …, Т _j = = f ( S _j , υ _j ), которое может отклоняться как в большую, так и в меньшую сторону: T₁( S₁, υ₁) > T₂( S₂, υ₂); T₁( S₁, υ₁) < T₂( S₂, υ₂); T₁( S₁, υ₁) = T₂( S₂, υ₂).

Период стойкости инструмента на выполнение новых переходов j с учетом использования ресурса стойкости на предыдущие переходы (j – 1) составит

T_j ^* = T_jT_{o ( j -1)}/ T _{( j -1)}, (22)

где T_j , T _{( j -1)} – расчетные периоды стойкости для условий данного и предшествующего переходов; T_{o ( j -1)} – период стойкости, оставшейся по окончании (j – 1) перехода.

Если по окончании обработки заготовок одного типоразмера инструмент еще сохраняет определенный ресурс стойкости, то ЭВМ выполняет аналогичные расчеты и инструмент используется при последующей обработке новых заготовок. Режущий инструмент применяют до тех пор, пока период оставшейся стойкости инструмента Т _oj не достигнет нулевого значения Т _oj → 0.

Общая функциональная схема автоматической системы по оценке состояния режущего инструмента и определения момента его замены представлена на рис. 64. Для определения целостности инструмента и его размерного износа, а также в целях введения необходимой коррекции в размерную настройку станка по двум координатам используют специальное измерительное устройство 2. Его устанавливают вблизи рабочей зоны на кронштейне. Перед обработкой стол станка и шпиндельная бабка выводятся в положение, при котором соответствующий режущий инструмент доводится до касания с измерительным штоком. В результате с измерительного устройства подается сигнал, характеризующий положение вершины режущей кромки инструмента относительно начала отсчета. Вопрос о замене инструмента решает микроЭВМ в соответ­ствии с заданным алгоритмом принятия решения. В основе при­нятия решения лежит информация, которая характеризует цело­стность инструмента, его размерный износ, оставшийся период стойкости, нагрузку, действующую в процессе обработки, откло­нения получаемых параметров точности детали.

В случае поломки инструмента или значительного изнашива­ния, когда поднастройка невозможна, следует команда на его замену. Возникающая при резании нагрузка периодически изме­ряется, причем нагрузка на первых рабочих ходах, выполняемых острым инструментом, запоминается в ЭВМ как начало отсчета приращений. Если действующая нагрузка, измеряемая по мощ­ности двигателя главного движения или подачи, достигает пре­дельного значения, то дается команда на замену инструмента.

Замена инструмента происходит также в том случае, когда расчет­ный период его стойкости исчерпывается (Т _oj = 0), а соотношение действующей и допустимой нагрузки составляет N ≥ 0,95N_пр, при .

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие контурного управления от позиционного?

2. С чем связана необходимость использования в процессе программирования нескольких координатных систем?

3. Как вырабатываются управляющие воздействия в системах ЧПУ?

4. Какие виды управляющих сигналов используются в системах ЧПУ?

5. В какой системе координат записывается управляющая программа?

6. Как управляющая программа связана с простановкой размеров на чертежах обрабатываемых деталей?

7. В чем состоит основное назначение спутников как технологических приспособлений?

8. Как кодируют в процессе программирования режущий инструмент, значения подачи, частоты вращения шпинделя и т.д.?

9. Какая информация содержится в карте наладки станка?

10. Какие преимущества по сравнению с перфолентами обеспечивает программирование с использованием компьютерных систем?

11. Какие требования следует предъявлять к первичным преобразователям, используемым с цепи обратной связи систем адаптивного управления?

12. В чем состоит принцип работы динамометрического узла как источника информации в САдУ?

13. Какие причины могут повлиять на точность статической и динамической настройки технологической системы?

14. Каково назначение датчиков Д1 и Д2 в системе статической настройки расточных оправок?

15. Какие причины вызывают появление вибраций в процессе резания?

16. Как назначается величина подачи в процессе резания?

17. Как связаны между собой скорость резания и подача?

18. Каков принцип термостабилизации в процессе обработки резанием?

19. Какая информация принимается во внимание при автоматической смене режущего инструмента?