Способ автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки

,1024161 А СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 23 В 25(06 СУДАРСТВЕНКЫЙ КОМИТЕТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТК(21) 3388695(25-08 ки отдельно выделяют из спектра сил(22) 01. 12,81 и ВАЭ основную частотную составляю(6) 23.06.83 Бюл. 11 23 щую, коррелированную с частотой(72) Г.Г.Палагнюк, В.Л.Заковоротный, основных периодичностей процессаВ.Ю.Дмитриев, В.И.Турчин и В,Д,Са- стружкообраэования, автоматическивельев . с ледят за ее изменением при вариа(53) 621.9,08(088.8)ции скорости резания, регистрируют(56) 1. Суворов А.А. и др. Приме- изменение величины нелинейных иска-нение метода акустической эмиссии жений ( формы) основной частотнойпо исследованию обрабатываемости составляющей, выделенной в спектрематериалов резанием.-Известия вузов, ВАЭ, и в Функции их изменения с при"Машиностроение", 1979, У 3. ращением величины износа формируютсигнал об износе режущего инструмен(5)(57).СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБО та, дифференцируют его по пути,РА И ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЬЗХ РЕЖИМОВ пройденному инструментом, и опреОБРАБОТКИ путем регистрации спектра деляют скорость развития износа, виброакустической эмиссии (ВАЭ ) и(интенсивность и иэнашиваемость),формирования сигнала управления ско- затем нормируют спектр сил и ВАЭростью обработки в Функциии измене- в функции изменения ( приращения )ния. интенсивности сигнала, пропорци- износа, Формируют сигнал, пропорционального суммарной энергии разру- ональный переменной составляющей мшения обрабатываемого материала при ности резания, характеризующей разпостоянных ( оптимальных с тоцки эре" рушение материала, и в функции приния заданного качества .Формообразо- ращения этого сигнала увеличиваютвания поверхности) подаче и глубин скорость резания до перехода черезания, о т л и ч.а ю щ и й с я рез экстремум сигнала, при этомтем, цто, с целью повышения точнос- . ограничение повышения скорости обти и эффективности управления эа счет работки для некоторых материаловполучения дополнительной информации осуществляют по заданному допустио параметрах и состоянии процесса, мому значению скорости развития из".дополнительно регистрируют спектр носа, определяемого автоматически вколебаний сил резания, автоматичес- . : процессе контрольной обработки. ОЩ 1 з мФВИзобретение относится к автоматическому управлению процессом меха нической обработки, в частности к самонастраивающимся системам. Управ" 5 ления и системам измерения стойкостных параметров режущего инструмента.Известен способ выбора оптимальныхрежимов резания на основе анализа .акустической эмиссии, который заключается е регистрации спектра акусти" ческой эмиссии (АЭ) и Формировании сигнала управления скоростного резания в Функции изменения интенсивности сигнала АЭ пропорционально суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки зрения технологических требований заданного качест.ва Формообразования поверхности) подаче и глубине резания 1.11.В известном способе анализируется истинная акустическая эмиссия, обусловленная развитием трещин, передвижением дислокаций и другими факторами в диапазоне частот от 200 кГц и выше, далеко лежащим за пределами полосы пропускания упругой системыСПИД. Информативность и разрешающая способность такого сигнала не вызывает сомнения и подтверждается и лучен 30 ными экспериментальными данным . Од" нако при работе е цеховых условияхэто приводит к тому, что наряду с полезными сигналами, возникающими в зоне резания, регистрируются посторонние шумы, существенно затрудняющие обработку получаемой информации. Низкая точность оценки обрабатываемости управления скоростного резания обусловлена тем, что.энергетические 40 уровни АЭ находятся также на уровне электромагнитных импульсных промышленных. помех, а оценку обрабатываемости производят путем сравнения относительной акустической энергии, выделяющейся на единице пути резания на основе управляющего сигнала, пропорционального произведению максимальной амплитуды АЭ на число акустических импульсов в единицу времени 50 или пути резания.Кроме того, в законе изменения интенсивности акустического сигнала, в указанном диапазоне анализа при увеличении скорости резания наблю дается несколько экстремальных значений,. что затрудняет автоматический выбор оптимального режима обработки. При этом требуется набор и обработка, статистических данных, полученных на основе пробных о.работок материалов. Задача формирования управляющего сиг" нала усложняется и тем, что энергетические уровни акустической эмиссии увеличиваются ( видоизменяются) с по вышением не только скорости резания, но и величины износа, твердости об- рабатываемого материала, температурных факторов, которые, в свою очередь, также зависят от скорости резания.Целью изобретения является повышение точности и эффективности управления за счет получения дополнительной информации о параметрах и состоянии процесса резания.Указанная цель достигается тем, что по способу автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки путем регистрации спектра виброакустической эмиссии ( ВАЭ) и формирования сигнала управления скоростью обработки в функции изменения интенсивности-сигнала, про порционального суммарной энергии раз рушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки зрения заданного качества формообразования поверхности ) подаче и глу" бине резания, дополнительно регистрируют спектр колебаний сил резания, автоматически отдельно выделяют из спектра сил и ВАЭ основную частот. жую составляющую, коррелированную с частотой основных периодичностей процесса стружкообразования, автоматически следят за ее изменением при вариации скорости резания, регистрируют изменение величины нелиней ных искажений (формы) основной частот-, ной составляющей, выделенной в спектре ВАЭ, и в функции их изменения с приращением величины износа формируют сигнал об износе режущего инструмента, дифференцируют его по пути, пройденному инструментом, и определяют скорость развития износа 1 интенсивность и изнашиваемость), затем нормируют спектр сил и ВАЭ в фУнкции изменения износа, берут произве.- дение амплитудных значений избран ных частотных составляющих спектра сил и ВАЭ и определяют переменную составляющую энергии ( мощности ) разрушения обрабатываемого материала, а в функции приращения сигнала произведения увеличивают скоРость резания до перехода сигнала, равногопроизведению, через максимум ( экстремум), при этом ограничение повышения скорости резания для некоторыхматериалов осуществляют по заданномудопустимому значению интенсивностиизнашивания инструмента, определяемой в процессе контрольной обработки.Сущность изобретения базируется . 10на особенностях динамики процессарезания, изученных на основе анализа спектра колебательных сил и движений по трем координатам измеренияв широком частотном диапазоне. При 15этом для формирования сигнала, про.порционального составляющей мощности процесса резания, выделялисьи анализировались композиционныесоставляющие колебательных сил и 20скоростей движений, связанных с периодичностями процесса стружкообразования и релаксационными процессамитрения по передней и задней поверх"ности режущего инструмента для слу" 25чая чистового и чернового точениюпри вариации режимов обработки.Причистовом точении с увеличением скорости резания.( при глубине резанияменьше 2 мм и постоянной оптималь- зоной подаче с точки зрения качестваформробраэования поверхности) на"блюдается увеличение составляющеймощности резания, равной произведению интегрального значения силы нвскорость резания, в то время какпеременная составляющая мощности.резания носит экстремальныйхарактер. Последняя определялась на основе произведения переменной состав"ляющей силы резания на скоростьколебательных движений основных пе-риодичностей процесса стружкообра"зования и.уоловия контактного взаимодействия инструмент-деталь,Причем экстремум перегиб кривойдинамической составляющей мощности резания) наступает несколькораньше, чем ускоренное развитиеинтенсивности изнашивания режущего инструмента,Последующее уменьшение переменнойсоставляющей мощности резания 1 сигнала произведения переменной составляющей силы резания на колеба 55тельную скорость) при дальнейшемувеличении скорости обусловлено .влиянием температурных факторовна.релаксационные процессы трения по передней и .задней поверхности режущего. инструмента и процесса стружкообразования.Укаэанная особенность и легла в основу предложенного способа автоматического выбора и поддержания оптимальной скорости резания при чистовом точении.На чертеже представлена блок-схема устройствареализующего способ.Устройство содержит преобразователь 1, предварительный усилитель .2, полосовой фильтр 3, фазовый детектор 4, усилитель-преобразователь 5, генератор 6, систему 7 начальной настройки блоков, ключевой полосовой усилитель 8, блок 9 усреднения , масштабный усилитель 10, блок 11 дифференцирования, схему 12 совпадения, систему 13 автоматической настройки задатчика, задатчик 14, многовходовой регистратор 15, блок 16 интегрировайия., синхронный детектор 17., усилитель 18, блок 19 умножения, преобразователь 20, предварительный усилитель 21, масштабный усилитель 22, синхронный детектор 23, масштабный усилитель 24, блок 25 интегрирования, схему 26 сравнения, блок 27 задания напряжения и блок 28 управления.Устройство работает следующим образом.Спектр ВАЭ регистрируют преобра-, зователем 1, установленным ( напри" мер, при чистовом точении ) в направлении действия отжимающей составляю. щей силы резания Р 1, выходной сигнал которого усиливают предварительным усилителем 2 с переменным коэффициентом усиления. и через полосовой Фильтр 3 подают на фазовый детектор.7, образующий с перестраиваемым гене- . ратором 6 и системой 7 начальной на- стройки блоков кольцо фазовой автома тической подстройки частоты ( фАПЧ). При этом интегральный уровень сигнала на выходе полосового фильтра 3 поддерживают автоматически постоянным эа счет введения обратной связи, образо ванной усилителем-преобразователем 5 переменного сигнала в постоянный с последующим интегрированием, включенным между выходом полосового .фильтра 3 и регулируемым элементом коэффициента усиления предварительного усилителя 2. Это вызвано тем, что при вариации (увеличении ) скорос5 1 О 15 20 15 ти резания изменяется частота и перераспределение энергетических уровнейосновных периодичностей процессастружкообразования и релаксационногопроцесса трения по передней и зад"ней гранях режущего инструмента,лежацих в пределах. полосы пропускания . полосового фильтра 3, выбранного искходя из информативности . сигнала.Для автоматического вйделения и слежения за основными информативнымипериодичностями процесса резания( стружкообраэования) прежде всегоФормируют опорный сигнал постояннойамплитуды .с частотой, равной основнойизбранной частоте периодичностей спомощью сдвоенного кольца ФАПЧ, образованного Фазовым детектором 4,перестраиваемым генератором 6 и блоком 7 первоначального автоматического поиска и настройки генератора 6по максимальному значению выходногосигнала Фазового детектора 4, работа которого заключается в следующем.1:Так как на сигнальный вход фазо- , вого детектора 4 подается сигнал с выхода полосового Фильтра 3, интеграл по площади которого в заданном диапазоне поиска информативной частоты постоянен, а иа его второй вхоД подается опорное напряжение от перестраиваемого генератора 6 также в.заданном диапазоне анализа, то в первоначальный момент времени в процессе контрольной обработки включают систему 7 автоматической настройки ге" нератора 6 на поиск наиболее информативной частоты по максимальному значению выходного сигнала с фазового детектора 4. 8 дальнейшем при вариации режимов в процессе обработки выходное напряжение фазового детектора 4 автоматически изменяет, подстраивает частоту генератора 6, поддерживая ее равной основной час" тоте релаксации процесса трения и стружкообразования, меняющейся с изменением скорости резания, так как включается в работу ФАПЧ. Таким образом, выходное напряжение постоянной амплитуды на выходе генератора 6 с частотой, равной частоте,основных периодичностей процессастружкообраэования, в дальнейшем 1 используется как опорный сигнал для выделения наиболее информатив, ных частот из спектра сил и движения, для формирования сигнала о переменной составляющей мощности резания, а также для формирования полезного сигнала об износе инстру", мента и скорости его развития.Учитывая то, что с вариацией режимов обработкфкорости резания) видоизменяются, йерераспределяются. энергетические уровни всего спектра. а следовательно, и уровни информативных частот, коррелированных с изндсом, возникает задача поиска нового метода ФормирЬвания полез" ного сигнала рб износе, скорости его развития или интенсивности изнашивания. Задача усложняется еще и тем, что уровни основных периодичностей рвлаксационного процесса трения и стружкообразования изменяются не только при увеличении скорости резания, нофи при изменении условия контакта в зоне резания, связанного с приращением ( увеличением) величины, износа режущего инструмента как по задней грани 1 размерного износа), так и износа типа "лункач в месте схода стружки по передней грани,., Эта задача в предлагаемом способе решается путем формирования сигнала об износе на основе анализа изменения Фомы 1 нелинейных искажений) основных периодичностей процесса трения и стружкообразования, связанных главным образом с развитием износа, для чего сигнал с выхода предварительного усилителя 2 подают на вход ключевого полосового усилителя 8, на управляющий 1 ключевой) вход которого подают опорный сигнал с выхода перестраиваемого генератора 6 с частотой, равной час" тоте основных избранных периодичнос" тей процесса стружкообразования. Таким образом, производят прямое преобразование широкополосного сигнала с выхода усилителя 2 посредством включения и выключения управляемого ключа , ключевого усилителя 8 через каждую половину периода опорного сигнала, снимаемого с выхода генератора 6.Затем для выделения постоянной составляющей сигнала, пропорциональной величине несимметричных нелинейных искажений, а следовательно, величине износа, сигнал с выхода ключевого усилителя 8 подают на вход блока 9 усреднения или интегратор с последую1024161 50 щей подачей его на один из выходовмноговходового регистратора 15 какполезный выходной сигнал об износе.В свою очередь, для исключениявлияНия. приращения величины износана энергетические уровни частот основных периодичностей сигнал, пропорциональный приращению величины износа, через масштабный усилитель 1010подают на второй управляющий входпредварительного усилителя 2 для нор:мирования в Функции его приращенйя.Затем Формируют выходной полезныйсигнал о скорости .развития износа инструмента (или интенсивности его изнашивания), несущий такую важную дополнителЬную информацию в процессерезания, как обрабатываемость материала.Для этого выходной сигнал об из"носе с выхода блока 9 программно. дифференцируют блоком 11 по времени илипути, пройденному инструментом, а через схему 2 сравнения подают. на25второй вход многовходового регистратора 5.Величину допустимого значения интенсивности изнашивания определяюти запоминают автоматически в процессеконтрольной обработки с помощью системы 13 автоматической настройки задатчика 14 регистрации допустимой. величины контролируемогопараметра.Затем его подают для сравнения навторой вход схемы 12 с текущим значе 35нием скорости приращения величины из.носа, регистрируемого в процессепоследующей обработки при выбореоптимальных, скоростей резания.Для формирования управляющего40сигнала скорости обработки в Функциипеременной составляющей мощностирезания, связанной,с релаксациейэнергии разрушения обрабатываемыхматериалов, выходнои сигнал предвам 45рительного усилителя 2 в дополни-тельном канале интегрируют блоком16 для регистрации колебательных скоростей, так как акселерометром 1(преобразователем виброакустической эмиссии ) регистрируют колебательные ускорения. Затем подаютего на синхронный детектор 17 длявыделения основных периодическихпроцессов стружкообраэования, на 55второй вход которого приложеноранее сформированное опорное на-,пряжение с выхода генератора 68равное частоте основных периодичностей процесса стружкообраэованияи релаксаций процесса трения,В свою очередь, выходное .напряжение синхронного детектора 17,пропорциональное колебательнойскорости периодичностей стружко"образования, через усилитель 8 подают на блок 19 умножения, навторой вход которого подают сйгнал,пропорциональный величине переменнойсоставляющей силы резания с часто"той, равной основным периодичностямпроцесса стружкообразоваНия, Последний формируют путем регистрацииспектра колебательных силв направ"ленни действия Р, регистрируемогопреобразователем 20. Затем аналогично выделению колебательной скорости смещений инструмента с частотой основных периодичностей процессастружкообразования усиливают предва;рительным усилителем 21, нормируютвыходной сигнал его в функции изменения износа путем изменения коэффициента усиления усилителя 21 сигна"лом, пропорциональным износу, подаваемым на управляющий вход усилителя 21 с выхода блока 9 через мас"штабный усилитель 22.После предварительного усиленияи нормирования сигнала спектра силвыделяют из него основную периодическую составляющую, равную, частоте1процесса. стружкообразования, с по-.мощью синхронного детектора Д, навторой вход которого также подаютопорное напряжение с блока 6. Вы-.деленный сигнал, пропорциональныйвеличине переменной составляющейсиле резания через масштабный усилитель 24, также подают на второйвход блока 19 умножения, выходнойсигнал которого пропорционален активной переменной составляющей мощ"ности резания, интегрируют ( усредняют) блоком 25, сравнивают схемой26 с заданным напряжением блока 27,соответствующим установленной априорно начальной скорости резания,и в функции суммарного значения сигнала управляют скоростью резания.При этом выбор и поддержание оптимальной скорости резания осуществляется автоматически в сторону повышенияскорости резания в функции приращения сигнала, пропорционального активной переменной составляющей мощности1024161,10 атент",Проектная 4 илиал ПП ,Ужгород резайия, переходящей через максимум .экстремум), который наступает несколь"ко раньше, чем приращение сверхдопустимой величины интенсивности изнашввания (скорости развития износа) 5 с увеличением режимов обработки. Для некоторых обрабатываемых материалов 1 например, специальных сплавов) огра- ничение 1 коррекция скорости резания осуществляется дополнительно сигналом,10 пропорциональным допустимому значению интенсивности изнашивания, так как в таких случаях может отсутствовать явно выраженный экстремум.Появление новых труднообрабатыва емых материалов, широкая автоматизация и механизация технологических про. цессов порождают потребность в новых способах и устройствах автоматического выбора и поддержания оптимальных ре жимов обработки, исключая тем самым ,трудоемкие экспериментальные исследования по определению традиционных априорных зависимостей установления фиксированныхоптимапьных режимов об работки. Предлагаемый способ управления процессом механической о)ра-,ботки позволяет автоматически корректировать заниженную наперед заданнуюскорость, выбирать и поддерживать оп"тимальную скорость резания с учетомразличных физико-механических индивидуальных свойств материалов обрабатываемой детали и инструмента,отображающихся в особенностях формирования периодичностей процесса стружкообразования и релаксационных процессов трения. Использование предлагаемого способа позволяет. значительноповысить производительность, точностьи эффективность обработки, коэффициент загрузки станочного оборудования,его эксплуатационную и технологическую надежность за,счет автома-;тического выбора и поддержания .оптимальных режимов обработки, получение полной информации о стойкостйыхпараметрах режущего инструмента, обрабатываемости материалов, что в конечном итоге приводит к значительно.му снижению себестоимости обрабатываемых деталей. НИИПИ Заказ 4285/ 7ираж 1106 Подписное