Система экстремального регулирования уровня вибраций на металлорежущем станке

013909 СОЮЗ СОВЕТСНИХШИЦВРЮЕШРЕОЪБЛИН 19) (11) 151) 6 05 В 13/О СССР ЫТИЙ ТЕНИЯ есябъекя, аконтуия,тчикс ИстГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИ ДО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИСАНИЕ ИЗ АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) В.Н,Кальсин, М,И.Коваль,А,В.Ко: робко, Г;И.Крончев и Я.М.Купчан (71) Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени .научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестрое ния.(56) 1. Либерзон Л,М., Родов А.Б. Шаговые экстремальные системы. М., фЭнергия", 1969, с. 9-11, рис. 4.2. Авторское свидетельство СССР В: 815715, кл. 6 05 В 13/02, 1980 (прототип).(54)(57) СИСТЕМА ЭКСТРЕМАЛЬНОГО. РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ. ВИБРАЦИЙ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ СТАНКЕ, содержащая ,контур стабилизации мощности резания, имеющий .первый, второй, третий и четвертый выходы, являющи соответственно первым выходом о та регулирования, вторым выходом привода главного движения станка, входом привода главного движения станка и выходом задатчика скорости резания, и вход, являющийся первым входом элемента сравнения канала регулирований скорости резания, за-, датчик допустимого уровня вибраций, первое запоминающее устройство, последовательно соединенные блок формирования цикла поиска, переключатель, второе запоминающее устройство первый элемент сравнения, регулятор оборотов шпинделя, подключенный выходом к входу контура стабилизации мощности резания, первый выход кото рого через последовательно соединенные датчик экстремума, второй элемент сравнения, подключенный вторым входом к выходу задатчика допуС- тимого уровня вибраций, пороговый элемент и элемент И подключен к вто- .рому входу регулятора оборотов шпинделя, вход и выход первого запоминаю, щего устройства соединены соответст- венно с выходом переключателя и вто-. рым входом первого элемента сравне- ния, второй и третий выходы блбка формирования цикла поиска. соедине- . ны соответственно с третьим входом первого элемента сравнения и вторым входом элемента И, о т л и ч а ю - Е . щ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия системы и надеж. ности работы оборудования, она содержит датчик стробирующего сигнала, С блок ограничения скорости резания, подключенный выходом к третьему вхо- Я ду регулятора оборотов шцинделвходом - к четвертому выходура стабилизации мощности резанвторой выход которого через дастробирующего сигнала соединенвходом блока формирования цикла поиска, последовательно соединенныеблок преобразования, подключенныйвходом к третьему выходу контура стабилизации мощности резания, а вторым выходом к третьему входу эле-мента И, и блок умножения, входвыход которого соединены соответвенно с выходом второго элементасравнения и вторым входом переключателя.Изобретение относится к автоматике, в частности к автоматическомууправлению и регулированию, а именно к системам экстремального регу,лирования и мОжет найти применение при регулировании уровня вибраций на металлорежущих станках .с адаптивным управлением.Известны шаговые экстремальные системы, общим свойством которых является наличие командного генератора, 10 запоминающего устройства, сигнумреле, выходного устройства, экстре- мального регулятора для управления исполнительным механизмом, исполнительного механизма 1 . 15Недостатками таких систем являются невозможность задания начальной скорости резания, устанавливаемой по условиям технологии обработки, снижение амплитуды вибраций в про-20 цессе поиска системы до минимума, а также невозможность останова системы при выходе в точку экстремума.Отсутствие задания начальной ско ростИ резания исключает возможность использования таких систем для снижения уровня вибраций изменением . скорости резания на станке.Снижение амплитуды вибраций до минимумаэкстремума ) в ходе работы системы приводит к значительному изменению скорости резания от заданной по условиям обработки. При уменьшении скорости резания снижается качество обрабатываемой поверхности, а при увеличении - стойкость инструмента. По условиям обработки требуется система, позволяющая снижать вибрации до.определенного допустимого уровня, при этом необходимо изменение скорости резания в гораздо 40 меньшем диапазоне.При выходе в точку экстремума система продолжает совершать "рыскания", обусловленные невозможностью прекращения шага системы, которые 45 приводят к ухудшению качества обрабатываемой поверхности.Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является система экстремального регулирования станком, содержащая контур стабилизации мощности ре- ания и последовательно включенные датчик экстремума, первый элемент сравнения к второму входу которого подключен задатчик допустимого уровня вибраций, переключатель, выходы которого через запоминающие устройства подключены к первому и второму входам второго элемента сравнения, выходом соединенного через регулятор оборо тов шпинделя с входом контура стабилизации мощности резания, а также элемент И, выход которого соединен с вторым входом регулятора оборотов шпинделя, первый вход через порого-65 вый элемент подключен к выходу первого элемента сравнения, а второй вход соединен с третьим выходом блока формирования цикла, первый вход которого подключен к второму входу переключателя, а второй выход - к третьему входу второго элемента сравнения.Контур стабилизации мощности резания состоит из последовательно соединенных датчика активной мощности, элемента сравнения канала поддержания заданной мощности резания, второй вход которого соединен с задатчиком мощности, регулятора подачи, второй вход которого подключен через блок ограничения подачи к входу привода главного движения и выходу элемента сравнения канала регулированияскорости резания, вход которого соединен с выходом регулятора оборотов шпинделя, а второй вход - с выходом задатчика скорости резанияоборотов шпинделя ), и привода подачи, выход которого через вторые вход и выход объекта регулирования подключен к входу датчика активной мощности, привод главного движения через первые вход и выход объекта регулирования подключен к входу датчика экстремума.В процессе резания контур стабилизации мощности резания поддержи - вает заданную величину мощности резания.Если уровень вибраций в процессе резания меньше допустимой величины вибраций Ь ( ЬО, устанавливаемой задатчиком допустимого уровня вибраций, пороговый элемент через элемент И блокирует регулятор оборотов шпинделя, нри этом скорость резания определяется только задатчиком скорости резания. При возникновении вибраций, больше допустимого уровня и 1 и второй элемент сравнения в зависимости от знака разности выходных величин запоминающих устройств в данных момент времени вырабатывает соответствующий сигнал на регулятор оборотов шпинделя, снижающий или увеличивающий заданную скорость резания.Пороговый элемент в этом случае через элемент И разблокирует регулятор оборотов шпинделя. Блок формирования цикла ( командный генератор ) управляет периодичностью подключения запоминающих устройств, направлением и длительностью сигналов управления на регулятор оборотов шпинделя 23.Недостатки системы - воэможность сбоев, т,е. потери направления перемещения и, как следствие, низкое быстродействие системы, а такжеотсутствие ограничения величины скорости резания, вследствие чего снижается надежность работы инструмента.Так как при работе системы возможны значительные отклонения скорости ф резания от заданной при постоянствескорости подачи, при значительном5превышении скорости увеличиваются износ инструмента и вероятность егополомки, а при большом уменьшениискорости резания снижается качествообрабатываемой поверхности. 0В ходе работы системы, так каксигнал вибраций промодулирован низкочастотными периодическими возмущениями, обусловленными биением инструмента, а число оборотов шпинделя 15в.процессе поиска изменяется, изменяется и частота модуляции сигналавибраций. Вследствие постоянствачастоты командного генератора запоминающие устройства измеряют промоду лированный сигнал вибраций с сдвигом по фазе, что может привести ксбою системы потере направления перемещенияособенно на пологих участках экстремальной характеристики и,соответственно, снижению быстродействия системы.Целью изобретения является повышение быстродействия системы н надежности работы оборудования.Поставленная цель, достигаетсятем, что система, содержащая контурстабилизации мощности резания, имеющий первый, второй, третий и четвертый выходы, являющиеся соответственно первым выходом объекта регулирования, вторым выходом приводаглавного движения и выходом задатчика скорости резания, и вход, являющийся первым входом Элементасравнения канала регулирования ско.рости резания, задатчик допустимогоуровня вибраций, первое запоминающееустройство, последовательно соединенные блок формирования цикла поиска, переключатель, второе запоминающее устройство, первый злемент сравнения, регулятор оборотов шпинделя,подключенный выходом к входу контурастабилизации мощности резания, первый выход которого чеРез последовательно соединенные датчик экстремума, второй элемент сравнения, подключенный вторым входом к выходузадатчика допустимого уровня вибраций, пороговый элемент и элемент Иподключен к второму входу регуля-.тора оборотов шпинделя, вход ивыход первого запоминающего устройства соединены соответственно с выходом переключателя и вторым входомпервого элемента сравнения, второй фОи третий выходы блока формированияцикла. поиска соединены соответственно с третьим входом первого элемента сравнения и вторым входом элемента И, содержит датчик стробирую-. 65 щего сигнала, блок ограничения скорости резания, подключенный выходом к третьему входу регулятора оборотов шпинделя,.а входом - к четвертому выходу контура стабилизации мощности резания, второй выход которого через датчик стробирующего сигнала соединен с входом блока формирования цикла поиска, последовательно соединенные блок преобразования, подключенный входом к третьему выходу контура стабилизации мощности резания, а вторым выходом - к третьему входу элемента И, и блок умножения, вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго элемента сравнения и вторым входом. переключателя.На чертеже представлена функциональная схема системы экстремальногО регулирования.Система содержит контур стабилизации мощности резания 1, привод главного движения станка 2, объект регулирования 3, датчик активной мощности 4, элемент сравнения канала поддержания заданной мощности резания 5, задатчик мощности 6, регуля-. тор подачи 7, блок ограничения по, -. дачи 8, привод подачи 9, задатчик скорЬсти резания 10, элемент сравнения канала регулирования скорости резания 11, вход управляющего воздействия из контура регулирования величины амплитуды вибраций 12,датчик экстремума 13, второй элемент сравнения 14, задатчик допустимого уровня вибраций 15, переключатель 16, запоминающие устройства 17 и 18, первый элемент сравнения 19, пороговый элемент 20, элемент И 21, регулятор оборотов шпинделя 22, блок формирования цикла поиска 23, блок умножения 24, датчик стробирующего сигнала 25, блок ограничения скорости резания 26 и блок преобразования 27.1На чертеже показано предельно допустимый и текущий уровни вибраций ио,и; уровень вибраций в последующий и предыдущий моменты и Ь,времени, заданное и текущее зйачения числа оборотов шпинделя иО, и текущее прямое и инверсное значение числа оборотов шпинделя и", и , промодулированное пилообразным напряжением высокой частоты, шаг системы Ь и, минимальное и максимальное допустимые значения числа оборотов шпинделя,и . , и ,заданное и фактик и 11 и 1ческое значения мощности реззния й , й, значение скорости подачи 5, предельно допустимая подача на зуб 5 число зубьев 2, предельно допсимая подача 5 .= Е 52 , сигнаЛтак на выхоце порогового элемента 20 0, сигнал на выходе элемента 21 И, О,; 1013909 10 15 сигнал на третьем выходе блока 23 формирования цикла поиска 03, время, задержки на отключение порогового элемента 20 с д ,скорость резания У, пропорциональная числу оборотов шпин деля.Система работает следующим обра.зом.До врезания уровень вибраций Ь незначителен и намного меньше предельно допустимого уровня Ь о, задаваемого эадатчиком 15. Блок 23 формирования цикла поиска ( командный генератор) подает команды на управляющие входы переключателя 16, элемента сравнения 19 и на элемент 21 И, Однако,от регулятора 22 на вход 12 элемента 11 сравнения сиг-. налы не проходят, так как пороговый элемент 20 подает на первый вход элемента 21 И сигнал запрета,ското рый с выхода элемента 21 И блокирует регулятор 22. В этот отрезок времени на главный привод 2 подается сигнал п с задатчика скорости резания (,оборотов шпинделя ) 10. 25В момент врезания йо повышается уровень вибраций Ь и если он превысит допустимый уровень ЬО, задаваемый задатчиком 15, срабатывает .пороговый элемент 20 и снимает запретзО с элемента И 21, тем самым разблокйруя регулятор 22, Пороговый элемент 20 имеет задержку на отключение для исключения запрета движения системы в моменты провалов амплитуды вибраций, определяемых биением инструмента. В интервал временипроизводится фиксация начального состояния объекта регулирования 3. На этом интервале система анализирует уровень вибраций и в конце интервала Ф сравнивает с уровнем вибраций в предыдущий отрезок времени, когда также производилась фиксация объекта регулирования. В зависимости от результата сравнения уровней вибрации элемент 19 подает сигнал на регулятор 22, подключая сигнал с выхода элемента 21 на прямой или инверсный входы регулятора 22, тем самым увеличивая или 50 уменьшая скорость резания.1Для исключения сбоев системы (потери направления перемещения), вызванных тем, что запоминающие устройства 17 и 18 измеряют промодулированный низкочастотными возмущениями., обусловленными биением инструмента, сигнал вибраций с сдвигом по фазепри изменении скорости резания и постоянной частоте командного 6 генератора блока 23, в схему введен датчик 25 стробирующего сигнала, синхронизирующий частоту командного генератора 23 с частотой вращения привода 2 главного движения. 65 При этом, чтобы обеспечить неза-: висимую работу запоминающих устройств 17 и 18 от интервала анализа, который изменяется в ходе изменения скорости резания, введены блоки 27 и 24 преобразования и умножения соответственно. Блок 27 преобразования (ШИП) преобразует аналого-. вый сигнал величины .оборотов шпинделя в импульсный с определенной длительностью импульсов и выдает прямой и инверсный импульсные сиг-. налы. Инверсный импульсный сигнал пф поступает на блок 24 умножения, перемножающий величины Ь-Ь и йф.а Напряжение запоминающих. устройств 17 и 18 при этом не зависит от изменения длитель.ности интервала анализа, вызванного изменением скорости резания. Так как частота блока 23 синхронизирована со скоростью резания, при изменении скорости резания ме- няется и величина шага поиска ьп, что ведет к увеличению времени поиска и потерь на "рыскание".Для обеспечения постоянства величины шага поиска д и на вход элемента 21 И заводится импульсный сигнал пф с выхода блока 27 преобразования, который в момент разрешения подачи управляющего воздействия на регулятор 22, производимого блоком 23 формирования цикла, проходит на прямой или инверсный входы регулятора 22 в зависимости от направления перемещения системы. При этом увеличении скорости резания, когда длительность управляющего воздействия на регулятор 22 уменьшается, ширина импульсов пф увеличивается и, наоборот тем самым регулятор 22 интегрирует всегда постоянную величины шага ап.Предположим, что после фиксации (интервал со- й.) был произведен ъ шаг дп в противоположную сторону от минимума, В этом случае уровень вибраций увеличился Ь 1 Ь 1 и система, ,замерив уровень вибраций в интервале времени й - г 9 и сравнив его с предыдущим замером в интервале времени й - й, меняет направление движения (йнтервал й -). Теперь, когда направление дви 1 кения системы направлено к минимуму вибраций, после каждого шага, фиксации нового сос- тояния и сравнения нового и предыдущего элемент 19 не изменяет своего состояния, а следовательно, неизменяется и направление движениясистемы.1013909 Заказ 3015/55 ИИПИ раж 872 Подписно лиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектн В процессе поиска интервалы фик-сации и шага, каждый из которых равен времени одного оборота, изменяются.Так, если на 1 шаге. поиска вибрации уменьшились до величины Ь;С Ьо5 система продолжает движение до истечения выдержки времени 1 элемента 19 до точки и , При отключении элемент 20 через элемент 21, блокирует регулятор 22, который обеспе чивает плавный возврат скорости резания к.исходному ( заданному) значению. При повторном возникновении вибраций, превышающих допустимый уровень, описанный процесс повторя ется.Для исключения недопустимого пре-, вышения и снижения скорости резания на третий вход регулятора 22 подключен блок ограничения скорости ре О зания 26, на входы которого подаются сигналы с задатчика 10 скорости резанйя п и максимальные и и мивах нимальные и обороты шпинделя, соФ 1 пответствующие допустимой по условиям 25 обработки скорости резанияБлок ограничения 26 вырабатывает сигналы ограничения.Контур. стабилизации мощности резания 1 работает обычным образом. В момент Фв появляется сигнал датчика 4, который вычитается иэ задающего сигнала М в элементе 5, фор" мирующем сигнал рассогласования, в зависимости от величины которого регулятор 7 увеличивает или уменьшает подачу 5, компенсируя откло- нение мощности от ЙВ. В процесСе изменения числа оборотов шпинделя редельно допустимая подача 5 р 9 рректируется при помощи блока ограничения 8,Экономический эффект от использования изобрагения достигается За счет снижения времени поиска виброустойчивого режима, исключения воэ- . можности сбоев системы, вызванных оборотными возмущениями от биения инструмента, введения ограничения по скорости резания, что в конечном счете приводит к увеличению надежности работы и повышению производительности станка.