автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование адаптивной системы управления показателями динамического качества токарного станка

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Понятие о динамической системе станка и её устойчивости. ?

1.2. Методы повышения показателей динамического качества станков при резании.

1.3. Автоматические системы управления процессом обработки.

Глава II. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СТАНКА ПРИ

ТОЧЕНИИ И МЕТОДИКИ ЕЁ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Разработка стенда.

2.2. Методика проведения эксперимантов.

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ТОКАБШГОл СТАНКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНАЛОГОВОМ ВЫЧЕСЯИТЕЛШОИ МАШИНЫ.

3.1. Разработка модели.

3.2. Исследование взаимосвязи! показателей динамического качества':станкас параметрами звена обратной связи и режимами резания.

Глава 1У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СТАНКА.

4.1. Исследование однофакторной зависимости относительного коэффициента устойчивости от параметров звена обратной связи.

4.2. Исследование многофакторной зависимости относительного коэффициента устойчивости от параметров звена обратной связи и режимов резания.

Ускорение научно-технического прогресса и техническое перевооружение машиностроительного производства, повышение технического уровня и эффективности технологических процессов неразрывно связано с совершенствованием структуры станочного парка. Вы- , сокая эффективность использования станочного парка достигается при максимальном использовании технологических возможностей станков.

Повышению технологических возможностей станков способствует применение систем автоматического управления процессом обработки, которые являются эффективным средством повышения качества и производительности обработки. Используются разнообразные методы управления, что вызвано особенностью используемого оборудования и выбранными параметрами оптимизации. При решении вопросов повышения производительности в качестве параметров оптимизации используются сила резания, мощность или крутящий момент. Стабилизация силы резания или мощности осуществляется путем изменения скорости резания или подачи. На чистовых режимах управление подачей осуществляется по фактической скорости съема металла. Изменение подачи осуществляется на основании требуемой величины,шероховатости обработанной поверхности. Устранение колебаний с помощью адаптивных систем осуществляется либо путем автоматического ограничения режима резания по виброустойчивости, либо путем стабилизации относительного положения инструмента и заготовки.

Существенную роль при повышении точности и производительности обработки играют динамические явления, протекающие в системе станка. Особо важную роль они играют при создании станков автоматов и гибких автоматизированных комплексов, работающих по принципу "безлюдной технологии". Поэтому разработка систем, позволяющих улучшить динамическое качество станков, является задачей актуальной.

Целью данной работы является разработка и реализация адаптивной системы управления показателями динамического качества токарного станка, способствующей повышению коэффициента его устойчивости. Это достигается путем введения обратной связи по перемещению, с помощью которой осуществляется измерение относительных колебаний инструмента и заготовки, преобразование их в электрический сигнал. После усиления и фазового сдвига электрический сигнал подается на преобразователь электрического напряжения в перемещения, в качестве которого используется пьезовиб-ратор. Последний оказывает управляющее воздействие на динамическую систему станка.

Исследования предложенной системы проводились с использованием основных положений динамики станков, математического моделирования, планирования эксперимента и прикладной статистики. Результаты исследований получены с использованием аналого-вычис-лительной машины и путем натурных испытаний на токарном'станке и показали высокую эффективность использования предложенной системы,

Научная новизна работы заключается в следующем. Предложена система адаптивного управления показателями динамического качества токарного станка, принцип действия которой заключается в том, что управление осуществляется путем регулирования фазы и усиления сигнала относительных колебаний инструмента и заготовки, поступающего в управляющий контур обратной связи. Реализована и испытана предложенная система адаптивного управления. Разработана и реализована на АВМ модель системы адаптивного управления. Экспериментально и на модели показана эффективность работы системы.

На основании проведенных исследований разработаны: система адаптивного управления токарным станком, позволяющая значительно улучшить его динамическое качество; математическая модель системы адаптивного управления, позволяющая в широких пределах исследовать взаимосвязь показателей динамического качества станка и параметров контура обратной связи; методика исследования, позволяющая по коэффициенту устойчивости оценить эффективность использования адаптивной системы в широких пределах изменения параметров режима резания и управляющего контура обратной связи.

Автор внражает сердечную благодарность своему научному консультанту К.Т.Н.,доц. Н.Н.1Удшенко за безграншцую помощь и самое активное участие при подготовке как теоретической так и практической работы диссертации а также её оформления.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проанализированы способы автоматического управления процессом обработки, в которых для повышения производительности и точности в качестве критерия оптимизации используются сила резания, мощность или крутящий момент . Стабилизация указанных параметров осуществляется путем изменения скорости резания или подачи. Устранение колебаний с помощью адаптивных систем осуществляется либо путем автоматического снижения скорости резания, либо путем стабилизации относительного положения инструмента и заготовки.

2. Предложена и отработана адаптивная система управления показателями динамического качества токарного станка, в которой управление осуществляется регулированием фазы и усиления в управляющей цепи обратной связи.

3. Разработана модель предложенной адаптивной системы, позволяющая провести исследования в широких пределах изменения параметров режимов резания и цепи обратной связи.

4. На аналоговой машине MH-I0M изучено влияние изменения фазы и усиления цепи обратной связи, а также скорости резания и подачи на такие показатели динамического качества, как быстродействие системы, запас и степень устойчивости. Установлено, что:

- при воздействиии на шпиндельную группу с увеличением $азы от 180 до 270° и коэффициента усиления цепи обратной связи от 0,5 до 2 время завершения переходного процесса уменьшается, т.е. быстродействие системы увеличивается,;

- при воздействии на суппортную группу по оси максимальной жесткости время переходного процесса уменьшается при увеличении коэффициента усиления м фазового сдвига цепи обратной связи. Логарифмический декремент при этом увеличивается с увеличением фазового сдвига. Запас устойчивости увеличивается при увеличении прежде всего фазового сдвига, а затем коэффициента усиления цепи обратной связи •

- при воздействии на суппортную группу по оси минимальной жесткости время переходного процесса уменьшается при увеличении прежде всего коэффициента усиления, а затем фазы цепи обратной связи. Логарифмический декремент и запас устойчивости увеличиваются с увеличением фазы и коэффициента усиления.

5. Разработана методика и стенцдля экспериментального исследования динамики адаптивной системы управления. Стенд, в час-ности, включает в себя преобразователь перемещений, выполненный на базе световолоконной оптики, фото - и светодиодов, а также исполнительный элемент, включающий в себя пьезовибратор.

6. Путем реализации пдана эксперимента для полиномиальных моделей второго порядка с четырьня,факторами, каждый из которых варьировался на трех уровнях, экспериментально получены уравнения регрессии относительного коэффициента устойчивости на коэффициент усиления и фазу обратной связи,а также скорость и глубину резания. Полученное уравнение адектват-но описывает реальный процесс.

7. Выполненный анализ уравнения регрессии и поверхностей отклика показывает, что на относительный коэффициент устойчивости большое влияние оказывают линейные и квадратичные члены всех переменных С I/ , t * Кос ).

8. Установлено, что с изменением фазы от 150° до 210° относительный коэффициент устойчивости сначала возрастает, а затем уменьшается. Экстремум относительного коэффициента наблюдается при значении фазы равной 180°. Тйкая же зависимость относительного коэффициента устойчивости наблюдается и от коэффициента усиления цепи обратной связи. Максимальное значение относительного коэффициента устойчивости наблюдается при значении коэффициента усиления, равного 1,6. При таких значениях параметров цепи-обратной связи устойчивость замкнутой динамической системы повышается более чем в 3 раза.

9. Оснащение токарного станка предложенной адаптивной системой позволяет улучшить качество обработанной поверхности. В частности высота волны на обработанной поверхности снижается в 1,5 раза.

10. Коэффициент эффективности использования адаптивной системы управления, определенный по отношению среднеквадратичных значений амплитуд волны на поверхности, обработанной с выключенной и включенной цепью обратной связи и полученных из графиков оценок спектральной плотности, имеет максимальное^ значение при ^с=180° и /ч?с=1,б.

11. Из результатов проведенных исследований следует, что предложенная система адаптивного управления может успешно использоваться для улучшения динамического качества станков,пос-колько позволяет почти в 2 раза улучшить качество обработанной поверхности и более чем в 3 раза производительность.

Рекомендуется и с п ол ь з ов ^т ь^раь?отТы при создании адаптивных систем управления станками с ЧПУ и гибкими автоматизированными комплексами. Настройку фазы и коэффициента усиления контура обратной связи можно осуществлять во время наладки станков на изготовление соответствующей партии детали.

12. Полученное уравнение регрессии относительного коэффициента устойчивости на фазу и коэффициент усиления цепи обратной связи, скорость и глубину резания может использоваться для поиска оптимального значения фазы и усиления цепи обратной связи при конкретных условиях обработки.

1. Абакумов A.M., Третьяк В.Е. и др. Адаптивная система управления токарным станком. Авт.св. № 475220 ( СССР), 1975.

2. Адаптивные управления металлорежущими станками. М:, НИИМаш, 1973.

3. Адаптивное управление станками под ред.Б.С.Балакшина. М,! Машиностроение, 1973, 633 с.

4. Анисимов Д.В., Новичков Ю.А., Сескутов О.В. Устройство для стабилизации скорости и подачи в станках с программным управлением. Авт.св. » 474790 ( СССР), 1975.

5. Артамонова Г.С., Слуцкер В.И. Устройство для адаптивного управления металлорежущими станками. Авт.св. № 622055 (СССР), 1978.

6. Атаманов С. А. Адаптивное управление процессом токарной , обработки на станке с ЧПУ. Станки и инструмент, 1975, № 5,с. 9-10.

7. Афзалов З.Ш. и др. Исследование возможности адаптивного управления положением мгновенного полюса поворота при.токарной обработке. Вопросы кибернетики, Вып. 96, Ташкент, 1977, с. 50-55.

8. Базров Б. М., Горюшкин В. И. Устранение автоколебаний при токарной обработке с помощью самоприспособляющихся систем управления. Станки и инструмент, 1977, № 4, с. 3-6.

9. Базров Б. М., Левченко А.В. Адаптивное управление процессом растачивания. Станки и инструмент, 1978, № 3, с.З-б.

10. Базров Б. М., Горюшкин В.И. Система адаптивного управления процессом токарной обработки. Авт. св. № 51 827 8 ( СССР), 1976.

11. Еейлин JI.П., Городецкий М.С. и др. Система адаптивного управления металлорежущим станком. Авт. св. № 5III85 ( СССР), 1976.

12. Бендат Дж., Пирсон А. Измерение и анализ случайных процессов. М.; Мир, 1974, 464 с.

13. Берман И.В., Матуха С.Л. и др. Адаптивная система управления, для токарных станков с ЧПУ. Станки и инструмент,1978, № 6, с. 13-14.

14. Бродский В.З. и др. Таблицы планов экспериментов для факторных и полиномиальных моделей. М.: Металлургия, 1982, 752 с.

15. Воскресенский Л.А., Артемьев В.И. Применение автоматических систем.управления в станкостроении. Станки и инструмент, 1973, № 3 , с. 9—II.

16. Городецкий М.С. и др. Адаптивная система для автоматического регулирования объектов с переменным коэффициентом усиления. Авт. св. № 572761 ( СССР), 1977.

17. Грачев Б. М. Математические методы планирования экспериментов. М. * 1971, 118 с.

18. Дайял Рамешвар. Разработка и исследование системы автоматического управления показателями динамического качества станков при резании. Диссертация на соискание ученой степеник. т.н. М.'.УДН, 1980 , 222 с.

19. Зазиев Б. М. Устройство для адаптивного программного управления станком. Авт. св. № 600526 С СССР), 1978.

20. Ильин 0. П., Петренко Ю.Н. и др. Устройство для ограничения вибраций на металлорежущих станках. Авт. св.№ 662319 (СССР), 1979.

21. Ильин 0. П. и др. Быстродействие адаптивной системы управления фрезерными станками. Станки и инструмент, 1981,II5 10, с.5-6.

22. Каминская В.В. Направление развития адаптивных систем управления для станков с ЧПУ. Станки и инструмент, 1973, ® 3, с. 2-4.

23. Каминская В.В., Ривин Е.И. Виброизоляция прецизионных станков. Станки и инструмент, 1964, I?5 II, с. 4-7.

24. Каминская В.В. Приближенный расчет несущих систем станков, находящихся под действием случайных возмущений. Станкии инструмент, 1969, Ш 6, с. 11-14.

25. Ключников А.В. Исследование частотной динамической характеристики резания.при свободном точении стали. Диссерта- ция на соискание ученой степени к. т.н. Мосстанкин, M/.I967, 215 с. ,

26. Коваль М.И. и др. Анализ эффективности предельных систем, адаптивного управления. Станки и инструмент, 1981, № 6,с. 10-12. .

27. Коваль М.И. и др. Исследование адаптивных систем, тяжелыми фрезерными станками. Станки и инструмент, 1977, Ш 5,с.15-17.

28. Копелев и.др. Случайные колебания расточных шпинделей и их демпфирование. (621. 910. 71) с. 172-177.

29. Коробко А.В. и др. Адаптивное управление фрезерованием с помощью.микропроцессорной системы ЧПУ. Станки и инструмент, 1983, ® 12, с. 15-18.

30. Коробко А.В. и др. Двухпараметрическая адаптивная система управления процессом фрезерования. Станки и инструмент, 1981, № 2, с. 17-19.

31. Коробейников А. Ф., Шатохин С.Н. Устройство адаптивного управления статической настройки шпинделя станка. Авт. св.480525 С СССР ), 1975.

32. Коробейников А. Ф., Шатохин С.Н. Устройство адаптивного управления размером динамической настройки станка.Авт. св.52III5 С СССР ), 1976.

33. Корытин A.M. и др. Устройство для адаптивного управления станками. Ав.св. № 552175 С СССР), 1977.

34. Кошкин В.А. и др. Исследование адаптивной системы управления внутришлифовальным автоматом. Станки и инструмент, 1976, » 2, с. 21-23.

35. Кудинов В.А., Дайял Р. Анализ существующих систем адаптивного управления металлорежущими станками. В сб.: Исследование процессов и динамики машин, М.'.УДН, 1979, с.59-65.

36. Кудинов В.А., Дайял Р. 1Ьоретические предпосылки создания системы автоматического регулирования показателями динамического качества станков при резании. В сб.: Исследование процессов и, динамики машин, М.:УДН, 1980, с. 83-86.

37. Кудинов В.А., Яо-Ли-Пин. Устранение вибрации при растачивании консольными борштангами. Станки и инструмент, 1958,12, с.9-12.

38. Кудинов В.А. Динамика станков. М. : Машиностроение, 1967, 360 с.

39. Кучма JI. К. Новые конструкции фрикционных виброгасителей к токарным станкам. М.: Машгиз, 1956, 119 с.

40. Кучма Л.К. Устранение вибрации при обработке металлов резанием. В сб.: Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958, с.28-32.

41. Кушнир З.Ф. Методы динамических испытаний станков на основе обработки информации, получаемой непосредственно в процессе их работы. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.1. М.: 1979, 222 с.

42. Лаке В.К. и др. Повышение точности и производительности токарной обработки нежестких валов посредством адаптивногоуправления. Станки и инструмент, 1976, I, с.5-6.

43. Левин А. И., Воскресенский Л.А. Анализ и синтез адаптивной системы управления шлицешлифовальным станком с использованием, аналоговой, вычислительной машины. Станки и инструмент, 1975, f- 5, с. 6-8.

44. Левинсон Г.Я. и др. Повышение точности, и производительности обработки.на двухсторонних торцешлифовальных станках.

45. Станки и инструмент, 1978, № 3, с. 6-7.

46. Лищинский Л.Ю. и др. Основы построения поисковых адаптивных систем для.оптимизации металлообработки. Станки и инструмент, 1975, ® II, с. 4-7.

47. Лукьянов В.П. Исследование вынужденных колебаний металлорежущих станков спектральным методом. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.; 1975, 236 с.

48. Найдин.Ю. В., Тихомиров Э.Л. и др. Устройство для адаптивного программного управления станком. Авт.св. № 538345 (СССР), 1976.

49. Новиков В.Ю., Гореликов В.Я. Адаптивное управление врезным шлифованием с дискретной подачей. Станки и инструмент , 1981, ® 9, с. 17-18.

50. Павлов А.Г., Толстоногов С.Г. Снижение вибрации станков. Машиностроитель, 1976, № 2, 33 с.

51. Подураев. В. Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970, 351 с.

52. Пономарев С.Д., Андреева JI.E. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1970, 351 с.

53. Примшиц П.П., Ильин 0.П. Система адаптивного управления токарным станком. Авт. св. № 656025 ( СССР ), 1979.

54. Пуш В.Э. Вопросы динамики привода станков. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М.; 1956, 216 с.

55. Расин М.Ф., Булыгин B.C. Статистическая динамика и теория, эффективности систем управления. М.: Машиностроение, 1981, 312 с.

56. Ратмиров В.А., Амбарцумян Э.З. и др. Устройство, для адаптивного программного управления станком. Авт. св. 622056 С СССР ), 1978.

57. Ратмиров В.А., Чурин И.Н. и др. Повышение точности и производительности станков с программным управлением.

58. М.: Машиностроение, 1970, 343 с.

59. Рзшетов Д. Н. Методы снижения интенсивности колебаний в металлорежущих станках. М.: ЦБ1И МСС, 1950, 153 с.

60. Розенберг Ю. А. Точностная эффективность адаптивной системы при стабилизации составляющих силы резания. Станки и инструмент, X98I, № 10, с. 7-9.

61. Рубашкин И.Б. Адаптивные системы взаимосвязанного управления электроприводами. Л.: Энергия, 1975, 218 с.

62. Рыжков Д.И. Вибрации при резании металлов и методы их устранения. М.; Машгиз, 1961, 321 с.

63. Ситко В.Г., Кущ П.П. Способ поднастройки системы СПИД. Авт.св. № 450646 ( СССР ), IS74.

64. Сквирский В.Д., Шумов В.Д. и др. Адаптивные системы управления тяжелыми специализированными и универсальными токарными станками. М.: Машиностроитель, 1976, ® 3, с. 18-19.

65. Схиртладзе А.Г. Управление точностью обработки на горизонтально-расточных станках. М. : Машиностроитель, 1979, № 4, с. 12-13.

66. Тюрина Л. Ф. Разработка методики определения динамических характеристик станков на основе анализа колебаний при импульсных возмущениях, действующих в процессе их работы. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.; 1983, 153 с.

67. Фельдбауш А.А., Бутовский А.Г. йетоды теории автоматического управления. М.: Наука, 1971, 275 с.

68. Чубуков А.С., Коныпин А.С. Адаптивное управление круглошли-фовальными.станками с помощью малой ЭВМ. Станки и инструмент, 1978, № 9, с. 22-24.

69. Шестерняков А.В. Исследование и разработка оценки виброустойчивости токарных станков с целью повышения их производительности. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., м.; 1980, 237 с.

70. Шишов Г.Я. Устройство адаптивного управления для станков с несколькими бабками. Станки и инструмент, 1981,® 10, с. 9-10

71. Шишов Г.Я., Гришандин В.Ф. Выбор ограничения по вибрациямдля адаптивных систем. Станки и инструмент, 1981,№6, C.I2M3.

72. Этин А. 0., Городецкий М. С. и др. Регулирование режимов резания на металлорежущих станках. Вестник машиностроителя, 1972,. & 7, с. 13-18.

73. Яковенко В.В., Сквирский В.Д. и др. Адаптивная система управления тяжелыми универсальными токарными станками. -Станки и инструмент, 1978, Ш 2, с.П-12.

74. Bertil Colding,Arne Novak,Unto Sandstrom,Goran Jakobson. Adaptive control of cutting machining operations.

75. U.S.A patent No.4031368,1974.

76. Comstock T.R.,Tse P.S.,Lemon I.R. Dynamic control of vibration and chatter in machine tools.-Trans.of the ASME,1969,V4,P 155-161.

77. Cowley A.,Boyle A. Active dampers for machine tools.-Annals of the CIRP,1970,V.VIII,P 272-276.

78. Hoshi T.,Sakisaka N.and others. Study of practical applications of fluctuating speed cutter for regenarative chatter control.- Annals of CIRP, 1977,V.25.No.1,P.258-264.

79. Inamura T.,Sata T. Stability analysis of cutting under varying spindle speed.- Annals of CIRP,1974,V.23,No.1, P197-203.

80. Milner D.A. Adaptive control of feed rate in milling process. Int.Journal of MIDR,1974,V.14,No.2,P137-141.

81. Nachtigal C.L.,Cook N.H. Active control of machine tool chatter.- Paper of ASME,1969,No.NA/ant-5,P147-153.

82. Porter В.,Summers S. The performance of selfoptimizing strategies in the adaptive control of the manufacturing process.- Int.journal of machine tool design & research. 1968,No.14,V.8,P149-154.