автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение виброустойчивости технологической системы токарного станка с применением адаптивного управления приводом главного движения

~\';::,<тнг' государственный ушюераггет

руб 0&___________________________________

V ' и "УДК" 621.941 2 :621 -75 + 621.9-52-

1 ц дв

На правах рукописи АФОНИН Александр Александрович.

повышение вивроустойчивосш технологической системы токарного СТАНКА С применением адаптивного управления приводом главного движения.

Специальное 1ь 05.0.1.01 - Процессы механической и фишко -¡ехнпческой оирабо1ки, скшкн и инструмент.

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук.

ТУЛА 1998.

Работа выполнена в Тульском государственном университете на кафедре «Автоматизированные станочные системы».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Шадский Геннадий Викторович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор.

Васин Леонид Александрович, кандидат технических наук Гамов Станислав Георгиевич.

Веющая организация-Тульский научно-исследовательский технологический институт-

Защита состоится 25 декабря 1998г. в 10е0 в учебном корпусе 5, эуд.216 на заседании диссертационного совета К 063.47.01 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, пр. Ленина 92),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Обшан хараки'рмстнка рпбты.

Актуальность. К современным тенденциям развития"мшптТгостроения----------------

ьихит о шести ггопытешге качества. улучшение эксплуашиктнмч характеристик выпускаемых изделий. )мспьтстте р^чер«» унюп ' н • аехашпмоп, снижение себестоимости продукции. Эм обуслп&шпясг повышение точности, качесим >мпср-лтостн • обрабатываемых деталей ' и - • интенсификацию режимов ретапия !? спнзм с у меиыиенгм.'м ];;нмсргг< у мин I! механизмов отмечается расширение номенклатуры легален ш нмиопойьочнь&ч д псзтог'у мнаемыя ..

деталей типа тел вращения всё больше усложняется и и прощ.».;^ <»., обработки происходит потеря пиброустойчивости технологической системы токарного станка. .Токарной обработке подвергаются 40 - 45% деталей, изготавливаемых резанием. При точении на токарных станках с ЧПУ деталей сложной формы,. вероятность возникновения автоколебаний возрастает п несколько раз.

Следует ожидать," чш и условия« -зяояемнн мтилия и энергии, будет.

проявляться тенденция к снижению масонаСшригныч покато?слсп спи».!»« чго может привес П1 к снижению их жеокоепт п. как следешне. ниброусюнчнности.

Это свидетельствует об актуальности разработки способов повышения пиброустойчивости технологических систем металлорежущих станков.

• - Методы исследований,. Теоретические исследования базировались на методах теории автоматического . регулирования, теории колебаний, динамики станков, математического анализа. Экспериментальные исследования проводились на установке, создании» ш.бшс .токарном» станка. Получение информации о процессе резания и её обработка произносились с помощью компьютерной измерительно]) лаборатории на базе АЦП ЛА-2.

Проведенный анализ литературных источников шмич ыл сформулировать цель данной.работы: повышение качества обрабатываемой ' поверхности в условиях автоколебаний технологической системы токарного ' станка при сохранении производительности обработки за счет адаптивного управления приводом главного движения.

Поставленная цель определила основные задачи работы:

1. исследовать механизм снижения автоколебаний в условиях оперативного управления скоростью резания;

2. разработать модель автоколебаний для исследования алгоритма адаптивного управления;

3. разработать и реализовать аппаратно алгоритм адаптивного управления приводом главного движения; *

4. произвести экспериментальную оценку эффективности адаптивного способа снижения уровня аигоколебаиий в технологической системе токарного станка.

Научная новизна. Разработана математическая модель автоколебаний технологической системы токарного станка при оперативном изменении скорости резания, учитывающая фазовый сдвиг между колебаниями инструмента и его следом на обрабатываемой поверхности,

Разработан способ подавления автоколебаний технологической системы токарного станка-с применением адаптивной подсистемы, заключающийся в целенаправленном варьировании частоты вращения шпинделя при-использовании в качестве информативного сигнала амплитуды и частоты

динамической составляющей силы резания.

»

Практическая ценность. Разработана адаптивная система управления частотой вращения шпинделя, обеспечивающая подавление автоколебаний технологической системы токарного станка на заданном уровне без использования механических приспособлений и устройств, встраиваемая в серийные приводы главного движения станков с ЧПУ.

. Реализация работы. Апробация способа подавления автоколебаний осуществлена на экспериментальной установке на базе токарного станка УТ16ФЗ в лаборатории «Гибкие автоматизированные производства» кафедры «Автоматизированные станочные системы» Тульского государе] венного университета при различных режимах обработки заготовок нз конструкционных сталей резцами, оснащенными твердосплавными пластинками.

ILui.nci-.ciù.c .-„у.ттотшй спг-гмтл лтяолн.чо енмзть амплитуду автоколебании в техполо'. пчео.уп системе ciainca ч Л - 5 раз ôei снижения

¡.'г.&итаодпте.-плюст!!; ' ' улуппить- - параметр '•-' тероховятости - в -2.5-3- раза;-----------

i.i.Mciiio снашп. »и.тис roc п. обраынанной аоверхиосш.

Апробация рабоши. Основные положения диссертации докиацьшались

на -конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГ'У н 1996,

l',l-7ir. и на Мел<д>народной юбилейной на)чткгехпнческой конференции "Прогрессивные" методы проектирования - те.чнолщичеснил- процессов,

,- TV-- ---Т-Г-.----ТТ-Т------„..„„„Ч тч,„„ 10Û7

1«w i. . ( i 1 , I ' . • ■ ^ _ ■

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 3 работы.

Объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 156 е., списка литературы нз 99 наименований, 18 рисунков, .

S таблиц и приложений на 15 страницах.

Содержание ран» пл.

!Зо аагд-лши сбисновым axitxibtjocib р..боты, отмечена ее научная новизна и пракшческая ценность.

U первом ртдс-ie проведен анализ причин возникновения автоколебаний на основе обзора работ, посвященных вопросам повышений йиброусгоПчивос?n Mei.'UL'iopc K>uiux станков. Рассмотрены методы nutiuibcuuM iiaGpo>c{uii'{iîfcau{U .дздшзсгп'кскод срспемц, сданной при точении,4 проведен анализ информационных потоков о процессе резания, .рассмотрены используемые ' в современных условиях датчики, ироаналишровлшi применяемые на иракшке адаптивные системы.

Перенекишным способом снижения vровня ащокоаебаний является способ обрабо!КИ с изменением скорости разная, поскольку доеьпочно просто реализуется технически и использует эффективное воздействие на процесс резания. Способ применяется в виде априорного регулирования на основе предварительных расчетов, что ограничивает его применение, т.к. не

позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость условий возникновения автоколебаний.

Показано, что большей эффективностью в условиях использования разнообразного технологического оборудования, режущего инструмента, при сложной геометрии обрабатываемой поверхности и смене материала заготовок обладают адаптивные системы регулирования скорости резания с оперативным контролем силы резания и ее динамической составляющей.

Во втором разделе рассмотрены вопросы особенностей функционирования технологической системы токарного станка при адаптивном управлении приводом главного движения.

Процесс резания рассмотрен как воздействие трех систем - станка, заготовки и инстру мента - на собственно процесс резания, результатом функционирования которого является получение детали с заданными показателями качества обработанной поверхности.

Задачу адаптивного управления приводом главного движения при обработке в условиях автоколебаний можно сформулировать следующим образом:

для технологической системы токарного станка с заданными режимами обработки Хс , параметрами режущего инструмента Х„ и параметрами заготовки Х_, в услоьиях неконтролируемых неравномерности припуска, и ' его твердости, склонности материала заготовки к наростообразованию и срыва наростов, обеспечить на основании контроля

динамической составляющей силы резания Е(0 и алгоритма управлейия д

1

такое оперативное изменение скорости резания ДУ при помощи привода главного движения, при котором качество обработанной поверхности будет удовлетворять заданным требованиям \Уо при сохранении производительности, т.е.

\У = Р [ Хс (У0±АУ, 8о, к), Хн , Х3 ] Ду = 'И'о ДУ = д[Р(0].

Механизм снижения уровня автоколебаний при обработке с изменяемой скоростью резания можно представить следующим образом. Пусть при обработке детали со скоростью резания V! технологическая

б

сисггма находится в услочич" автоколебаний. При этом частота колебании .припуска загошвки_совнадасх с частотой колебаний соли резания л самого резня, что в свою очередь вызывает колебания поверхности обработанной дсюли с той же частотой л фазовым совпадением колебании..

При переходе с обработки со скоростью \7( на обработку со скоростью резаная Уа колебания поверхности детали ни нослепуччмем обороте (при обработке по следу) отиосшелмю резца будут прогсходить с друпм частотой,. И. сшгхропность Э1 их колебаний, т.е. «¡кгосчю совпадете.», нарушится. В условиях обработки по следу характер колебаний заготовки

амплитуда колебаний снизится, а в ее частоте будут присутствовать частот высших гармоник. С течением времени станут преобладать собственные резонансные частоты и процесс автоколебаний возродится внорь. В этом случае потребуется повторное изменение скорости резания.

Рассмотренный механизм подавления автоколебаний предполагает, что основными Параметрами метода являются: величина ДУ, знак изменения скорости резания г,!£п(ДУ) и чае юга ее изменения Офф^изпгч-п изменения скорости резания на тмся'пиели обработки следует оцсшгелп. по величине времени восстановления колебаний. Чем больше этот период, >ег: более длительное рремя процесс резания сопровождается меньшим уровнем автоколебании.

Разработка способа адаптивного управления скоростью резания предполагает разработку математической модели автоколебаний технологической 'системы токарного станка, которая должна удовлетворять ряду специальных требований:

1. модель должна учитывать динамику-процесса резания и в частности, динамическую составляющую силы резания, как определяющий фактор зарождения и развития автоколебаний;

2. для исследование механизма снижения автоколебаний модель должна учитывать обработку по следу, что предполагает наличие отображения колебаний силы резания в -колебания на обработанной поверхности;

3. модещ» должна адекват^о" описывать процесс Срезания в условиях автоколебаний. Требование значительно упрощается при моделировании процесса в условиях функционирования конкретной технологической системы- Такой подход снижает применимость модели до конкретного.

станка и условий обработки. Однако, целью исследований является разработка адаптивного алгоритма, суть которого сводится именно к компенсации влияния различных условий резания и параметров технологических систем на Показатели качества обработки.

Структура модели автоколебаний для исследования адаптивного способа, отвечающая поставленным требования, приведена на рис.1.

У = У0±4У

Рис. 1 Структура модели автоколебаний технологической системы станка .

Первоначальным входным воздействием является неравномерность припуска заготовки а30). Изменение а3(1) приводит, к колебаниям силы резания Рг = Рг (0, что определяется моделью динамической характеристики силы резания. Изменение Рг приводит к колебаниям резца в плоскости Ъ, что осуществляется преобразованием Ъ^ = [ Р^ (1) ] . Дальнейшее преобразование ад = а [ ] позволит получить колебания на

обработанной поверхности детали. Введение обратной связи путем подачи колебаний ад ¿(О на вход модели с задержкой на время оборота заготовки учитывает обработку по следу.

В третьем разделе разрабатывается модель автоколебаний для исследования адаптивного алгоритма управления приводом' главного движения токарного станка.

Проведенный анализ различных методов построения моделей позволяет сделать вывод о целесообразности применения для моделирования динамической характеристики процессу резания полуэмпиричсских моделей.

Их возможное 1 и оценийакься тем, а какой степени выбранная структура

ШЦ.СЛ11 _соогветсшуег различным условиям обработки.___

. Для выбора структуры модели — (0 был проведен анализ типичной экспериментальной динамической .характеристики силы резания (рис.2.), полученной в данной работе и подтверждающую исследования других ав|орор. _

| Г 1йг_310...... ( Заморозка 11 Оайп-__]-^^Стиктр,й^рдннп.- 1 [Вцход-(Е5С> ]

»■ Р!!П I т 1

! I ¿с ишшм ¡V; ¡'.ГС-!!

1:Ьзнер__2

г" 17744(01

3:1.1

| аш

шоп

, йилинопть

3

к

л

.И

■¡Г

м !' ! ' ""

:

= -1. зз и;з.

; п!........вчо ~"

!

"!:'

1.^3320 ; .;

5 с .и« й .'«г-а ' с л-^оо ; ,

П-з гор^зеитапи.

Экспериментальная харлкт.^рпопи.п прсутогг.ч^яет собой гармоштчргкие

.'■! ра.'.ччеш.ые •>!.'С!Т1'.1!.':!|;:!.Ч,:,.:1'.Т?.Ч! ::р!.'Г.г,!М<! Гармонические

ковдбянй" о уменннякмпеЗея амплитудой ^пр?лгл.«яоте.«? параметрами упругой колебательной еисгемы станка. Ограничение амплитуды колебаний возрастающей экспоцентой связано с характеристиками самого процесса резания н взаимным влиянием с параметрами упругой системы.

Проведенный аналнч известных полуэкспериментальных моделей показал, что зависимости, адекватно описывающие структуру динамической характеристики резания, в настоящее время отсутствуют.

Для построения модели динамической характеристики, в качестве исходной зависимости, описывающей колебания упругой системы станка, принято уравнение вида

Т 2 ус (d2Pz/dt2) + 2-^-Т ус (dlVdt) ьрг = kyc-ai(t),

где Pz - главная составляющая силы резания; a3(t)' - колебания поверхности заготовки; Т}С — инерционная постоянная, определяющая

частоту собственных колебаний; — постоянная демпфирования упругой системы, параметр-затухания колебаний; — податливость упругой системы.

Решением уравнения в общем виде является выражение: ~ Р*(0 =Аус • ехр {- t/Tjx) • sin(eo t).,

где Аус = (^ус -а)/( Т2}С'Ю) - начальная амплитуда затухающих колебаний;

ТуС — постоянная времени упругой системы; Р> — частота колебаний упругой системы. • .

Ограничение на P*(t) в виде, экспоненциальной зависимости, принято в виде: . -

т =А1р- [Ь ехр( - t/Trp)] • P*(t),

где А|р - граничная амплитуда колебаний;

Tr,,v- постоянная времеци ограничения.

Такой подход, учитывающий характерные процессы в технологической системе в условиях автоколебаний, позволяет в простой и удобной форме моделировать динамическую характеристику резания в

№

соответствии с поставленными ранее требованиями. Выражение аппроксимирует экспериментальную динамическую характеристику силы резания с точностью до коэффициентов аппроксимации А = Afi*A,t , Т,р t

TVC) чо. На значение коэффициентов оказывают влияние собственные параметры упругой системы, степень ее нагруження условиями резания, т.е. технологические параметры t ,V> S н величина входных возмущающих воздействий a,(t).

Оценка влияния перечисленных факторов . на коэффициенты аппроксимаций проводилась на основе линеаризованных эмпирических зависимостей влияния рабочей подачи, глубины, скорости резания и величины колебаний на обрабатываемой поверхности.

Для проведения серии экспериментов по снятию динамических характеристик резания использовалась экспериментальная установка на базе токарного станка модели УТ16ФЗ с компьютерной измерительной лабораторий^ на базе аналого-цифрового преобразователя JIA-2A производства российской фирмы Рудпев-Шиляев. Лаборатория позволяет фиксировать на экране дисплея электрические сигналы и их спектр в режиме запоминающего осциллографа и анализатора спектра (рис. 3.).

Для исследования динамической составляющей силы резания применялся датчик ускорения типа АБС - 032 и известная методика экспериментов цо обработке цилиндрической заготовки с шлицевым пазом. Режимы резания задавались на основании спланированных эксперйментов с поочередным варьированием каждого фактора:'Для большей достоверности ii определения доверительных интервалов ' результатов эксперименты проводились сериями для каждого режима резания.

Степень влияния варьируемых параметров на коэффициенты аппроксимации оценивалась по коэффициентам чувствительности, что позволило выделить наиболее существенные параметры.

Разработанная модель динамической характеристики представлена для двух основных частотных составляющих колебаний упругой системы станка. Оценка адекватности модели показала, что ее соосвегствие снятым характеристикам составляет 85-90% в рассматриваемом Диапазоне изменения параметров.

и

LflZJlO

Измерение___

i капали .111

Коп-во точек

згу,

¡j Полоса анализа !jir 10.00 КГц )* |

Усиление

2:1

ъ\

Обработка^. „ Синхронизация Т— канап 1 | i |

Окно

Прямоугол.

Усреднение.. _

ii.'.w:.: lis

iГармоники

¡!?1.Г[ jALjl]

'Послесвечение

:Г вакп iti;

Режим

Занарозхц 11 Оайл _J Ийектр ] [_ сохрэдо1|>' j ¡Вихря (esc)j

£ шг

l£J

-Б? С

Z!

01764 ? >± 1JBZ51 О 1B1CZ1 О ШЧ* 0 _ 1Иь57'О ISP^1 01PZ1Z1 0-1P-JP

О 1P7S71о 20045

______\JS£L

-111. с,

Ol + 'ni

5000-0^7Р.ООО Чооо О'йА 02Р

1000' ЕССО 2000

«Цчр1 SCOO1 '¿Сир' ...7000' 3000' Р0001 10000

Ju:

Рне.З Распечатка экрана лаборатории в режиме осциллографа и спектораналнзатора при измерении динамической составляющей силы резания в режиме автоколебаний технологической системы станка.

Для получения преобразования колебании сцлы резания в колебания резца гр= 2(Р) использовались экспериментальные данные цо определению жесткости резца с резцедержкои, В рассматриваемом диапазоне изменения нагрузки зависимость 2(Р) аппроксимирована линейной зависимостью с эмпирическим коэффициентом наклона.

Преобразование колебаний резца в ¡солсбанип па обработанной поверхности'цд = ¡1 вщшлшрюсъ путем графических построений с

учетом вылета резца |р, угла ею начального прогиба а, с.мещеция центров вращения детали и крепления резца уо» радиусу обрабатываемой детали Вд л скорости ее вращения мл. Окончательные выражения для данного преобразования имеют вид:

Яд(0 « R, • соЧи,• 0 , «д« (У« ± AV)/ R,, Д, = V+ у,.1

12

г^^т^О+яШ), _}>= у„. ;______■

Модель динамической харярггеристцки сплц резания совместно с преобразованием в колебания на обработанной поверхности позволяет получить в определенном смысле единичное колебание поверхности детали, т.е. колебание за один ее оборот.

Для моделирования обработки по следу за п оборотов дезалн необходимо применять модель автоколебаний п - ое ко л I ¡честно пят. Причем, тсп/Г^дое предыдущее решение является в*одннм ж»ч*£йстт?т*сч длл каждого последующего решения.

Исходными начальными условиями колебательного процесса являются нулевые начальные условия для динамической составляющей силы резания. Входным воздействием является первоначальное колебание на поверхности заготовки, т.е.

РДОИ) ,Р?(0)=0, а>)= а3(0.

Полученное колебание поверхности заготовки представляется в виде: ад"(0=Г(Рг, 2,„ ад"-'(П).

Процесс вычислений по рекуррентной формуле _ продолжается до тех пор пока длительность переходного процесса колебаний на обработанной поверхности („„" не превысит время одного оборота детали \„гШр :

иор=КУ),У=У0±ДУ.

В этом случае происходит смена начальных условий:

Р*'(0)= Рг'( ^бор), Р,(0)= Рг(<„бо„)

и цроцесс вычислений повторяется.

Моделирование процесса зарождения и развития автоколебаний проводилось с применением прикладного пакета МАТПКАБ .

13 . '

Представленная процедура позволяет моделировать на каждом обороте обрабатываемой детали процесс автоколебаний нрн управлении скоростью резания.

В четвертом разделе проводится имитационное моделирование адаптивного управления приводом главного движения II разработка алгоритма оперативного изменения скорости резания.

В результате моделирования установлено что:

1. при изменении скорости резания в условиях автоколебаний происходит постепенное снижение амплитуды колебаний с наличием высокочастотных гармонических составляющих; (в последствии амплитуда автоколебаний вновь возрастает с преобладанием, начальных частот, что требует повторного изменения скорости резания);

2. знак изменения скорости резания не имеет существенного влияния на процесс снижения уровня автоколебании;

3. величина изменения скорости резания существенно влияет ¡¡а период снижения и восстановления уровня автоколебаний;

4. для каждой частоты автоколебаний существует своя оптимальная величина изменения скорости резания;

5. чем выше частота автоколебаний, тем меньше должна быть величина Изменения скорости резания;

6. чем меньше заданная допустимая величина автоколебаний, тем с большей частотой должна изменяться скорость резания.

Последний вывод накладывает ограничения на применимость метода со стороны динамических характеристик используемого привода главного движения.

С этой целью были проведены экспериментальные исследования динамических характеристик привода главного движецш модернизированного станка УТ16ФЗ на базе широко применяемого комплектного привода ЭПУ -1. Анализ частоты среза амплитудно-частотной характеристики . привода показал, что быстродействие привода ограничивается частотой в пределах 18 Гц. С помощью имитационного моделирования с данным ограничением установлено,^ что минимальное заданное допустимое значение Иг лежит в пределах 15 мкм.

Па основании результатов моделирования разработан алгоршм адаптивного управления приводом главного движения для снижения уровня автоколебаний, суть которого заключается в следующем.

г Из технологических условий задается допустимый уровень колебаний. При отсутствии задания в системе имеется своп начальный уровень. Условием запуска алгоритма является задание скорости вращения шпинделя о г системы ЧПУ. В процессе обработки происходит оперативное измерение динамической составляющей силы резания по амплитуде и частоте. При превышении амплитудой колебаний технологической системы станка допустимою значения происходит анализ характера колебаний (случайное или систематическое) путем сравнения измерений с задержкой по времени. При систематических колебаниях на основании их- частоты происходит изменение частоты вращения шпинделя станка относительно заданной. Процесс контроля уровня колебаний и изменения скорости происходит автоматически по циклической схеме. При превышении допустимого значения частоты смены скорости резания, определяемого характеристиками используемого привода, происходит ступенчатое увеличение допустимого уровня колебаний. Данный алгоритм иллюстрируется на рис. 4.

В пятом разделе приводится описание разработанного блока управления для реализации адаптивного алгоритма и экспериментальные исследования эффективности адаптивного.управления приводом главного движения.

Разработанный блок управления представляет собой однокристальную микро-ЭВМ серии 1830ВЕ51 с двумя АЦП на входе для преобразования силы и заданного значения скорости резания, относительно которою производится ее изменение. Входными параметрами системы также являются допустимый уровень колебаний и частота среза применяемого привода главного движения. Выходной ЦЛП предназначен для выдачи величины изменения скорости резания в аналоговой форме. Суммирование основного сигнала задатчикз скорости резания У0 с' величиной приращения ДУ производится в электронном блоке комплектного привода главного движения на входе регулятора скорости.

Рис.4 Алгоритм адаптивного управления приводом главного движенш токарного станка." '

Разработанный блок представляет собой законченный электронны! узел с простыми схемотехническими решениями и возможностью простои встраивания в серийные приводы главного движения.

Для экспериментальной оценки эффективности разработанной адашшншго метода снижения уровня автоколебаний проводилась обработк заготовки с периодическим включением и отключением блока управлени вибрациями.

Условия проведения экспериментов: станок У'ПоФ': с приводом главного движения типа ЭПУ-1, закрепление заготовки консольное, размера заготовйй Т.-200мм, 050мм., материал заго гонки сталь 45, , резец с механическим креплением твердосплавной пластинки из Т5К10. Тми датчика силы резания ЛВС- 032. Датчик закреплялся на нижней грани резца в 10 мм от переднего края. Величина заданного допустимого уровня колебании - 20 мкм.

Качество обработанной поверхности контролировалось профилографом-профилометром завода «Калибр» с распечаткой микрорельефаконфолируемых участков (рпс.5).

В процессе обработки установились'следующие параметры алгоритма. Величина изменения скорости резания составила 78об/мин., частрта изменения скорости резания лежала в пределах 14 Гц.

Снижение заданного допустимого уровня колебаний до величины 10 мкм. не дало результата, т.к. адаптивная система вышла практически на первоначальный уровень, что связано с ограниченными динамическими • характеристикам1гиспользуе'мого привода главного движения.

Вверху- без использования адаптивной системы. Внизу- с использованием адаптивной системы.

п

Анаши ирофилограмм. показал, что применение блока управления вибрациями позволяет снизить шероховатость обработки с уровня 50 мкм до 20 мкм и устранить вибрационные полны на обработанной поверхности при сохранении производительности процесса резания.

Применение адаптивной системы позволяет интенсифицировать режимы резания без потери виброусгойчивости конкретной технологической • системой станка и увеличить производительность обработки в 1.5-2 раза.

Основные выводы но работе.

1,. ' Показано, что в условиях использования разнообразного ■ технологического оборудования, режущего инструмента, при сложной геометрии обрабатываемой поверхности и смене материала заготовок для снижения уровня автоколебаний эффективны адаптивные системы регулирования скорости резания с оперативным контролем силы резания н ее динамической составляющей.

2. Установлено, что изменение скорости резания в процессе обработки приводит к изменению фазы и частоты между колебаниями инструмента и его следом на обрабатываемой поверхности. Это является механизмом подавления автоколебании. По прошествии времени восстановления автоколебания достигнут первоначального значения, что потребует повторного изменения скорости резания.

3. Показано,-что модель динамической характеристики силы резания целесообразно строить путем. предварительного выбора ее структуры на основе характеристики упругой системы станка в виде Колебательного звена с ограничениями и с дальнейшей ее параметризацией на основе линеаризованных эмпирических, зависимостей влияния рабочей подачи, глубины, скорости резания и величины колебаний на обрабатываемой поверхности.

4. На основе анализа модели динамической характеристики силы ' резания установлено, что дополнение ее преобразованием колебаний силы резания в колебания на обработанной поверхности и механизмом обработки по следу позволяет получить модель вибрации технологической системы для исследований механизма и моделирования алгоритма снижения автоколебаний.

5. Имитационное моделирование адаптивного алгоритма снижения уровня автоколебании подтвердило механизм их снижения при изменении скорости р~занпя и показало наличие оптимальной величины изменения

скорости н зависимости oi -истты колеоаиии причем, частота изменения скорости резания должна быть тем выше, чем 1шжг_заданшлй допустимый \ровень автоколебаний.

6. Разработанный адаптивный адюрпшд качестве исходных данных „ использует величину допустимою уровня колебаний, начальную скорость резания и частоту среза используемого привода. Так как в процессе обработки происходи! измерение величины и частой.! колеоншш силы резания, то выбор величины изменения скорости резания производи!ся с частотой, ограниченной полосой пропускания используемого привода главно!*» лниженим. При превышении чаешш среза uponext,.,»,;. автоматическое увеличение допустимого уровня колебаний в технологической системе станка.

7. Экспериментальные исследования эффективности разработанного адаптивного способа показали, что его применение в условиях автоколебаний позволяет снизить их уровень в 3-4 раза по сравнению с обработкой на постоянной скорости резания на тех же режимах.

8. Обработка с. режимами резания, обеспечивающими виброустойчивость процесса формообразования и качес!во иоверхно/ми до Rz "20 показала , что при зюм происходит снижение ироизводшельносш в 1.5-2 раза по сравнению с обработкой с применением разработанною алгоритма .

9. Разработанный блок управления с программным обеспечением для реализации алгоритма представляет собой законченный модуль с возможностью легкого встраивания в серийные приводы главного движения без внесения в них существенных изменений.

Публикации:

1. Ахметгалеев А.Х., Афонин A.A., Золотых С.Ф., III ыиои П.Г. Сперма управления станком для обработки лопаток газотурбинных двигателей. // Автоматические станочные системы и роботизация производства. Тула 1994.-с 38-43. .

2. Шляков В.Г., Золотых С.Ф., Афонин A.A. Система управления станка ЭХС 10 БМ. //Прогрессивные технологические методы. Труды конференции. Рыбинск, 1994.

3. Шадскип Г.В., Афонии А.А., Золотых С.Ф. Повышенно устойчивоегн технологической системы токарного станка периодическим изменением скорости резания. Международная юбилейная научно-техническая конференция "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов".: ТулГУ, 1997.

Подписано в Iienaib ^ . Формат бумаги 60x84 1/(6. Cynara тишнрафская Л> 2 Офссшая печать. Уел. исч. л. 4 . Усл. кр.-отт. '¡, Ъ> . Уч. изд. л. -1-Тираж t £ Закат

Тульский гисударсшсиицй университет. 300600, г. Тула, чр. Ленина, 92. Гсдакционни- издательский центр Тульского государственного университета. 31КИ',(Й, т. Тула, ул. 1>».тл!ша, 151

/Г /чя^ э -

«У / -

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 621.94.2: 621-75 + 621-9-52.

На правах рукописи

АФОНИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТОКАРНОГО СТАНКА С ПРИМЕНЕНИЕМ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ГЛАВНОГО

ДВИЖЕНИЯ.

Специальность 05. 03. 01 - Процессы механической и физико -технической обработки, станки и инструмент.

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г.В. Шадский. Консультант - кандидат технических наук,

доцент С.Ф. Золотых.

ДИССЕРТАЦИЯ

ТУЛА - 1998.

СОДЕРЖАНИЕ.

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

РАЗДЕЛ 1. Анализ состояния вопроса о виброустойчивости процесса резания....................................................................................................... 9

1.1. Анализ факторов, влияющих на виброустойчивость технологической системы токарного станка.......................................... 9

1.2. Способы снижения интенсивности колебаний................................ 18

1.3. Анализ информационных потоков о процессе резания.................. 27

1.4. Цель и задачи исследования.......................................................... 34

1.5 Выводы по разделу 1............................................................................ 35

РАЗДЕЛ 2. Особенности функционирования технологической системы токарного станка при адаптивном управлении приводом главного движения.................................................................................... 37

2.1. Задача адаптивного управления приводом главного движения...... 37

2.2. Механизм подавления автоколебаний при оперативном изменении скорости резания...................................................................... 42

2.3. Функционирование адаптивной системы в условиях зарождения и

развития автоколебаний............................................................................ 46

2.4.Особенности разработки способа адаптивного управления приводом главного движения. Требования к модели............................ 51

2.5. Выводы по разделу 2......................................................................... 54

РАЗДЕЛ 3. Разработка модели автоколебаний для исследования способа адаптивного управления........................................................... 55

3.1. Обоснование способа построения модели динамической характеристики процесса резания. Выбор структуры модели................ 55

3.2. Идентификация модели динамической характеристики процесса резания......................................................................................................... 62

3.3. Описание экспериментальной установки для исследования динамических характеристик процесса резания. Методика проведения

экспериментов............................................................................................................................................................................68

3.4. Анализ экспериментальных исследований динамической характеристики процесса резания.......................................................................................................77

3.5. Преобразование изменения Р2(1:) в колебания на обработанной поверхности ад(1)..............................................................................................................................................................................86

3.6. Моделирование обработки по следу................................................................................................90

3.7. Выводы по разделу 3..................................................................................................................................................93

РАЗДЕЛ 4. Имитационное моделирование и разработка адаптивного

способа подавления автоколебаний....................................................................................................................95

4.1. Исследование параметров алгоритма подавления автоколебаний. . 95

4.2. Разработка адаптивного алгоритма подавления автоколебаний. ... 100

4.3. Выводы по разделу 4............................................................................................................102

РАЗДЕЛ 5. Экспериментальные исследования эффективности

адаптивного способа подавления автоколебаний ....................................................................103

5.1. Экспериментальные исследования динамических характеристик привода главного движения............................................................................................................................................103

5.2. Описание адаптивной системы....................................................................................................................107

5.3. Экспериментальная оценка эффективности адаптивного способа подавления автоколебаний..........................................................................................................................................110

5.4. Выводы по разделу 5......................................................................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................117

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................127

ч

ВВЕДЕНИЕ.

В машиностроении повышение производительности механической обработки и качества обработанных поверхностей деталей идет по нескольким направлениям. Наименее изученным и скрывающим наибольшие возможности является правильное использование динамических процессов, происходящих в технологических системах, в частности - автоколебаний.

В связи с уменьшением размеров узлов и механизмов отмечается расширение номенклатуры деталей из высокопрочных, а поэтому труднообрабатываемых сталей и сплавов, форма деталей типа тел вращения всё больше усложняется, а совершенствование режущего инструмента позволяет значительно увеличить объем снимаемой с заготовки стружки за единицу времени. При точении на токарных станках с ЧПУ таких деталей с повышенными режимами резания резко возрастает вероятность возникновения автоколебаний.

Следует ожидать, что в условиях экономии металла и энергии будет проявляться тенденция к снижению массогабаритных показателей станков, что требует снижения моментов инерции всех движущихся частей станка и повышения их прочности и надежности. Это достигается уменьшением диаметров шпиндельных узлов, ходовых винтов, снижением веса суппортов, столов. Уменьшение габаритов узлов станка может привести к уменьшению жесткости и, как следствие - снижению виброустойчивости. Амплитуда автоколебаний при интенсивных режимах обработки на недостаточно жестких станках может достигать недопустимо больших значений. При этом значительно снижаются стойкость режущего инструмента, точность и чистота обработанной поверхности, увеличиваются волнистость, наклеп, остаточные напряжения в детали. Колебания с большой амплитудой способствуют разрушению

твердосплавных пластин режущего инструмента и препятствуют применению инструмента с пластинами из минеральной керамики, а так же сильно влияют на износ и точность работы станков [18]. Шум, возникающий при вибрациях, сказывается на утомляемости рабочих, а это, в свою очередь приводит к снижению производительности труда и повышению заболеваемости органов слуха.

За счет управления уровнем интенсивности автоколебаний можно добиться многократного увеличения стойкости инструмента и двух -пятикратного повышения производительности механической обработки [64], а так же существенного улучшения эксплуатационных характеристик обработанной поверхности [18]. Следовательно, борьба с вибрациями является актуальной задачей современного машиностроения.

Существует множество способов снижения интенсивности колебаний, применяемых на практике. Все они имеют свои достоинства и недостатки. Главными недостатками многих способов являются либо сложность расчетов и некоторое снижение производительности [11], либо высокая стоимость и сложность технической реализации [7, 89].

Перспективным способом снижения уровня автоколебаний является способ обработки с изменением скорости резания, поскольку достаточно просто реализуется технически и использует эффективное воздействие на процесс резания [86]. Способ применяется в виде априорного регулирования на основе предварительных расчетов, что ограничивает его применение, т.к. не позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость условий возникновения автоколебаний при обработке резанием на токарных станках с ЧПУ.

Большей эффективностью в условиях использования разнообразного технологического оборудования, режущего инструмента, при сложной геометрии обрабатываемой поверхности и смене материала заготовок обладают адаптивные системы управления частотой вращения привода

главного движения при использовании в качестве информативного сигнала динамической составляющей силы резания.

Проведенный анализ состояния вопроса позволил сформулировать цель данной работы: повышение качества обрабатываемой поверхности в условиях автоколебаний технологической системы токарного станка при сохранении производительности обработки за счет адаптивного управления приводом главного движения.

Поставленная цель предполагает основные задачи работы:

1. исследовать механизм снижения автоколебаний в условиях оперативного управления скоростью резания;

2. разработать модель автоколебаний для исследования алгоритма адаптивного управления;

3. разработать и реализовать аппаратно алгоритм адаптивного управления приводом главного движения;

4. произвести экспериментальную оценку эффективности адаптивного способа снижения уровня автоколебаний в технологической системе токарного станка.

Научная новизна. Разработана математическая модель автоколебаний технологической системы токарного станка при оперативном изменении скорости резания, учитывающая фазовый сдвиг между колебаниями инструмента и его следом на обрабатываемой поверхности.

Разработан способ подавления автоколебаний технологической системы токарного станка с применением адаптивной подсистемы, заключающийся в целенаправленном варьировании частоты вращения шпинделя при использовании в качестве информативного сигнала амплитуды и частоты динамической составляющей силы резания.

Практическая ценность. Разработана адаптивная система управления частотой вращения шпинделя, обеспечивающая подавление

автоколебаний технологической системы токарного станка на заданном уровне без использования механических приспособлений и устройств, встраиваемая в серийные приводы главного движения станков с ЧПУ.

Реализация работы. Апробация способа подавления автоколебаний осуществлена на экспериментальной установке, на базе токарного станка УТ16ФЗ в лаборатории «Гибкие автоматизированные производства» кафедры «Автоматизированные станочные системы» Тульского государственного университета при различных режимах обработки заготовок из конструкционных сталей резцами, оснащенными твердосплавными пластинками.

Применение адаптивной системы позволило снизить амплитуду автоколебаний в технологической системе станка в 3 - 5 раз без снижения производительности, улучшить параметр шероховатости в 2.5-3 раза, заметно снизить волнистость обработанной поверхности.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 1996, 1997гг. и на Международной юбилейной научно-технической конференции "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов" г. Тула, 1997.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору. Шадскому Г.В. за руководство работой, к.т.н., доценту Золотых С.Ф. за консультации и помощь в работе, к.т.н., доценту Иноземцеву А.Н. за консультации и предоставленную оргтехнику, д.т.н., профессору Протасьеву В.Б. за предоставленное измерительное оборудование, коллективу кафедры "Автоматизированные станочные системы" за доброжелательную критику и помощь в работе.

'Л

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА О ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА

РЕЗАНИЯ.

1.1 Анализ факторов, влияющих на виброустойчивость технологической системы токарного станка.

Процесс возникновения и развития автоколебаний в технологической системе станка при резании металлов и сплавов является достаточно сложным. На него оказывает влияние множество факторов, как внешних, так и внутренних. Внутренние факторы обусловлены закономерностями процессов, протекающих в зоне резания, а внешние -воздействием на зону резания и упругую систему (УС) станка внешних возмущений. Технологическая система станка является замкнутой. Замкнутость определяется взаимодействием элементов УС с рабочими процессами, протекающими в подвижных соединениях этих элементов, т.е. процессами резания, трения, электромагнитными, тепловыми, гидродинамическими. К настоящему моменту проведено множество исследований [2, 11, 16, 18, 19, 20, 26, 28, 29, 33, 35, 37, 39, 42, 45, 46, 54, 60, 61, 62, 76, 87, 88, 91, 95], устанавливающих связь между этими процессам и объясняющих природу возникновения колебаний. Разные научные школы по-разному объясняют причины их возникновения.

Одни исследователи считают первопричиной падающую характеристику силы резания от скорости, другие - фазовое отставание изменения силы резания от изменения припуска, третьи неравнозначность силы врезания инструмента в материал заготовки и силы при выходе инструмента из заготовки, четвертые - влияние следов колебаний на поверхности резания и т.д., но большинство склонны считать, что причиной возбуждения элементов технологической системы станка является не одно, а несколько явлений действующих одновременно. При объяснении физической природы возникновения автоколебаний

а

разные ученые по- разному ранжируют влияние различных факторов. Одни считают первичным фактором фазовую характеристику силы резания, другие - изменение углов инструмента в процессе резания, третьи - падающую характеристику силы резания от скорости. Для составления картины действия различных факторов на виброустойчивость технологической системы станка рассмотрим их подробнее.

До 1937г. считалось, что вибрации при резании металлов являются вынужденными колебаниями упругой системы станка под действием переменной составляющей силы резания, которая появляется вследствие скалывания элементов стружки, но Н.А.Дроздов [И] установил, что в большинстве случаев частота колебаний не зависит от скорости резания, и в результате своих исследований пришел к заключению, что вибрации при резании чаще всего являются автоколебаниями, и тем самым разграничил вибрации на вынужденные колебания и автоколебания.

А.И.Каширин [27] первым создал свою теорию на основе теории автоколебательного процесса. В основу своей работы он положил зависимость силы резания (или силы трения стружки о переднюю поверхность резца) от скорости резания и показал, что при обработке резанием на падающем участке зависимости силы трения от скорости возникают автоколебания. Такого же мнения при объяснении их возникновения придерживались Арнольд [90], Тобайс, Фишвик [100], Воронов А.Л.[14], Мурашкин Л.С.[46], но затем другими авторами [64] было показано, что автоколебания возникают и в тех случаях, когда обработка происходит на возрастающем участке зависимости силы резания от скорости.

А.П.Соколовский [66] обнаружил, что сила резания при врезании резца в металл, не равна силе резания при выходе резца из металла. Он объяснил это тем, что при входе лезвия инструмента в металл оно движется по недеформированному металлу, а при выходе - по частично

деформированному, поэтому величина силы резания будет неодинаковой при входе и выходе резца из металла, этим и обусловливается появление переменной силы, поддерживающей колебания. Но известно, что при обработке резанием меди и чугуна, не склонных к упрочнению все равно могут возникать вибрации.

И.С.Штейнберг [83] увязал появление вибрации с образованием нароста на передней поверхности инструмента и его периодическим срывом. Указывается на три возможных случая возбуждения колебаний:

1. Частота срыва нароста совпадает с частотой собственных колебаний ТС, и возникает резонанс.

2. Частота срывов нароста приближается к частоте собственных колебаний ТС, и амплитуда колебаний начинает расти за счет появления вторичных сил, еще больше раскачивающих систему.

3. Частота срыва нароста значительно меньше частоты собственных колебаний детали. В данном случае при срыве нароста возникают свободные затухающие колебания детали, способные вызвать силы вторичного возбуждения за счет изменения сечения среза, достаточные для дальнейшего развития автоколебаний.

И.С.Амосов [3] исследовал влияние на развитие автоколебаний следа на поверхности резания, оставленного резцом на предыдущем обороте заготовки. Автор показал, что благодаря следу в систему вносится 85% всей работы, идущей на поддержание автоколебаний. Автор отмечает, что вся энергия, идущая на поддержание колебаний, составляет 1-3% от работы, затрачиваемой на резание.

При изучении переменных сил резания И.С.Амосов различает два принципиально разных случая точения:

а. При точении чистой поверхности резец режет поверхность, свободную от следов, оставленных инструментом за предыдущий оборот заготовки.

б. При точении по следу, резец срезает вибрационные волны оставленные на поверхности детали инструментом на предыдущих оборотах. В результате, п�