Система адаптивного управления

,1133583 ГО ОПИСА Е ИЗОБРЕТСВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМ М ДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ульяновское головное специальное конструкторское бюро тяжелых и фрезерных станков(54) (57) СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ, содержащая задатчик начальной скорости, последовательно соединенные задатчик мощности, первый элемент сравнения, регулятор и привод подачи, подключенный выходом к входу формирования величины подачи объекта управления, к входу формирования скорости резания которого подключен выход главного привода, второй вход регулятора соединен с выходом блока ограничения, вход которого соединен с входом главного привода, первый выход объекта управления соединен через датчик мощности с вторым входом первого элемента сравнения, а второй выход объекта управления подключен через датчик колебаний к первому входу второго элемента сравнения, к второму входу которого подключен задатчик допустимого уровня колебаний, отличающаяся тем, что, с целью повышения периода стойкости инструмента и производительности обработки, в нее введены два нелинейных элемента, два нелинейных интегратора, третий элемент сравнения и блок ограничения скорости резанич, причем второй вь 1 ход задатчика допустимого уровня колебаний соединен с первыми входами первого и второго нелинейных элементов, вторые, входы которых подключены к выходу второго элемента сравнения, выход первого нелинейного элемента через первый нелинейный интегратор подключен к первому входу третьего элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика на- Е чальной скорости, выход третьего элемента сравнения соединен с входом главного привода, второй вход первого нелинейного интегратора подключен к выходу блока ограничения скорости, выход второго нелинейного элемента соединен с входом второго нелинейного интегратора и с третьим входом первого элемента сравнения, четвертый вход которого соединен с выходом второго нели- енейного интегратора.СОИзобретение относится к области автоматического управления, в частности к уст.ройствам адаптивного управления металлорежущими станками.Известно устройство, обеспечивающеестабилизацию мощности резания и ограничения уровня колебаний станка регулированием подачи, содержащее контур стабилизации мощности резания и контур ограничения колебаний, причем мощность под 1 идерживается на заданном уровне, которыив вибронеустойчивых режимах обработкиснижается по специальному алгритмуНедостатком этого устройства являетсяснижение подачи при возникновении колбаний больше допустимого уровня, а ;)едовательно, и снижение производцтельцостобработки,Известна также система экстреа,11.цгорегулирования, содержащая 1,итур т)1 бцлизации мощности и последоватсл 1 о соединенные датчик экстремума.:,1 ецт сравнения, к другому входу котор 1) цотк,)ючецзадатчик допустим )го мровцц колебаний,перекл)очатель, зц ц и;1 а кцц и устройства,логическое устр)11 я 1) и реверсивный элемент, подключенный к входу контура стабилизации мощности, а также командный генератор, подключенный к вторым входампереключателя, логического устройства, элемента И, причем вход последнего соединенчерез пороговое устройство с выходом эемента сравнения, а выход - с вторым вхо- ЗОдом реверсивного элемента 2 .Зависимость стойкости инструмента отскорости резания выражается различнымиэмпирическими формулами. Однако, несмотря на различную структуру формул, всеони указывают на монотонно-падающу)о характеристику стойкости при увеличении скорости резания в рабочем диапазоне.В зоне низких скоростей резания стойкость инструмента может иметь экстремальный характер при= Следовательно,уменьшать величину скорости резания меньше Ъ)и нецелоек)оразно. Обычно рабочаяскорость резания выбирается в соответствиис так называемой стойкостью инструмента,при которой обеспечивается режим наибольшей производительности, Компромис здесьвыбирается между потерями на смену инструмента и линейной производительность)о,пропорциональной минутной подаче. Максимальная величина минутной подачи, например, для фрезерования определяется известной зависимостьюЬщах = Яял)л Х и, (1)где е - число зубьев фрезы;5 кдол - допустимая подача на зб;ь) - число оборотов фрезы проц)рциональное скорости резацця55 В вибронеустойчивых режимах обработкивыбранный таким образом зажим получается далеко не всегда оптимальным, так как вступает в силу ограничение по мощностиМ = С 1 5 7 и Мтах (2) где Сн - цостоян ная;- црипуск обработки;х, х показатели степени;Я,ц, - предельно допустимая мощность.Чаше всего потеря виброустойчивости резания наблюдается при увеличении припуска обработки. В этом случае подача на зуб Як не достигает своего предельного значения 5 з.дол вследствие условия 12), Очевидно, что гасить возникающие вибрации лучц)е уменьшением скорости резания. так как при этом обеспечиваются и увелцчецие периода стойкости и постоянство лиш йцой производительности,Таким образом, недостатком извест)н)го устройства является уменьшение стойкости инструмента, а следовательно, ц;)роя 1);.1 цтельности обработки при увел чс)и 1 э;,: . - ти резания.Це,)ь цзобретени)1 - новы ц, и 1 а стойкое)ц ццструмец;а и прцти обраб 1).и. Указанная цель достигается тем, т в систему адаптивного управления, с одер:н." щую задатчик начальной скорости, цоэз.)в вательно соединенные задатчик моц: ) . первый элемент сравнения, регл )т,;привод подачи, подключенный выхо , входу формирования величины подачи г та управления, к входу формированя рости резания которого подклк)чец ;, главного привода, второй вход рг) соединен с выходом блока огранич 1:)1 которого соединен с входом глав)ццда, первый выход объекта управлец 1рез датчик мощности с вторым входо;1 , вого элемента сравнения, а втор й в; х). объекта управления подключен срез чцк колебаний к первому входу 1)то,)о) элемента сравнения, к второму вхо.1, к 1 оро. г) подключен задатчцк дог)утц)1 о, )ци ко;ебаний, введень 1 два 1 гелццец)ых .,)емец т 1. два целицеиных цц 1 ег)т)11. ";мент сравцецця ц блок )граии ,тц резания, причем втор и ц)х)д ", а;дцустимого уровня колец;цйпервыми входами первого ц в 1 опо. ц. 1:цых элементов, вторые входы к)тор:; 1 1 ключены к выходу второго элсмет рав)с ция, выход первого нелинейного элс.;ц г через первый нелинейный интегратор и дключен к первому входу гретьег;) эдемеТа сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика цачальцоц скс)рости, выход третьего элемента сравнения - с входом главного привода, порой вход цсрвого нелинейного интегра гора подь.,)ючец к выходу блока ограничения скорости. выход второго нелинейного элемента сосдц.нц свходом второго нелинейного интегратора и с третьим входом первого элемента сравнения, четвертый вход которого соединен с выходом второго нелинейного интегратора.Н фпг. 1 представлены статические характс митики объекта управления; на фиг. 2 функциональная схема предлагаемой системы; на фиг. 3 - временные графики работы системы; на фиг. 4 - принципиальная схема управляющей части системы.Система адаптивного управления содержит задатчик 1 начальной скорости, задатчик 2 мощности, первый элемент 3 сравнения, регулятор 4, привод 5 подачи, объект 6 управления, главный привод 7, блок 8 ограничения, датчик 9 мощности, датчик 10 колебаний, второй элемент 11 сравнения, задатчик 12 допустимого уровня колебаний, первый и второй нелинейные элементы 13 и 14, первый и второй нелинейные интеграторы 15 и 6, третий элемент 17 сравнения и блок 18 ограничения скорости резания.Нелинейный элемент 13 содержит масштабный усилитель 19 и регулируемую цепь 20 ограничения.Нелинейный элемент 14 содержит компаратор 21 и вентиль 22, нелинейный интегратор 15 - первый операционный усилитель 23, первую нелинейную входную цепь 24, первую цепь 25 обратной связи и цепь 26 ограничения.Нелинейный интегратор 16 оде жит второй операционный усилитель 27, вторую нелинейную входную цепь 28 и вторую цепь 29 обратной связи.На фиг. 1 - 4 и в тексте описания приняты обозначения:5 - подача;1.Зз - напряжение, пропорциональное подаче;Ч, Ич - скорость резания и пропорциональное ей напряжение;1 Х 1, 1.)н - мощность резания и пропорциональная ей величина напряжения;Ь, 1)и - вибрация и пропорциональноеей напряжение;Т - стойкость инструмента;13 чо, Ьио, Ь(1 Ь - уставки начальной скорости резания, мощности резания и допустимой амплитуды колебаний соответственно;ЛИ,д 1 м - выходные напряжения первого и второго интеграторов;БВ, 014выходные напряжения первого и второго нелинейных элементов;Л 1 - зона переключения нелинейныхзвеньев.Требуемый алгоритм управления системы иллюстрируется статическими характеристи= ками на фиг. 1 а,б.В начальный момент состояние объекта управления характеризуется координатами Йо, Чо, Ь Т 11 (т. 1 на фиг. 1). Для того,что бы перевести объект управл ения в точкус координатами Зо, Ч 1 Чо, 11 1 о, ТТ 1),необходимо пройти максимум зависимостиЬ(Ч). Этого нельзя осуществить при подаче 5 = 5 вследствие появления недопустимо большой амплитуды колебаний,но можно сделать при менее интенсивном режиме,т.е. при подаче Ь; (5. Путем снижения подачи до величины Ь = Ь уровень колебанийстановится меньше величины йо+дй (т.2),однако вследствие одновременного уменьшения скорости резания Ч Ч уровень колебаний становится больше величины т + ЬЬ(т. 3 на фиг. 1). Соответствующим снижением подачи и скорости резания объект управления переводится последовательно всостояния, характеризующиеся точками 4, 5,6 и 7 на статических характеристиках нафиг. 1 а,б.В т. 8 система проходит максимум зави 20 симости Ь(Ч), и дальнейшее снижение колебаний Ь до уровня Ь, производится за счетснижения скорости резания, так как в зонеснижение подачи должно запрещаться. Привыходе в т. 9 (состояние объекта управления характеризуется координатами (Я 1, Ч,Ь (Ь Т) ТД) должно осуществляться апериодическое нарастание подачи до исходногозначения 5 с целью увеличения линейнойпроизводительности. Возникающие при этомвибрации 6 О(ЬЬо+ЬЬ гасятся соответ 30 ствуюшим умпьшением скорости резания(т. О по кривым на фиг. 1 а,б). В т. 17цель управ,и ппя достигнута - вибрацияменьше д путпмого уровня, подача равнаисходной 88 о, скорость резания равнавеличине, при которой стойкость Т 1 ) Т 1.Следует отметить, что для эффективногогашения колебаний таким способом необходимо, чтобы изменение уровня колебанийв зоне Ь) Ьо+ ЬИ происходило более интенсивно при снижении подачи, чем при умень 40 шении скорости резания. Возврат же подачи и скорости резания до своих исходныхзначений должен быть более медленный, чем .их уменьшение, Эти два условия можно обеспечить применением нелинейных интеграторов с различными постояннными интегриро 45 вания на увеличение и уменьшение их выходной величины, а также специальным закономуменьшения подачи при возникновении вибраций больше уровня Ь+ ЬЬ,Приведенная на фиг. 2 функциональная50схема системы работает следующим образом.Контур стабилизации мощности, состоя; чй из блоков 2 - 9, стабилизирует мош,ть резания. Сигнал датчика 9 мощностирзания сравнивается с сигналом задатчика55 2, а с . пп. рассогласования при помощирегулятора 4 управляет приводом 5 подачи.Сигнал ограничения, пропорциональныйЯтм = 8 дол Х п, задается блоком 8 огра 1133583ничения. При возникновении вибраций больше уровня 1 + дЬ они гасятся одновременным регулированием подачи и скорости резания (моменты времени 1, 1, 1 на фиг. 3). В момент времени 1 з максимум по статической характеристике Л(Ч) пройден (т. 8 на фиг. 1 б), и дальнейшее уменьшение вибраций осуществляется снижением скорости, так как в зоне Ьо(Ь(1 о+ ьЬ нелинейный элемент 14 блокирует интегратор 16.В момент времени 1 вибрации снизилось до допустимого уровня Ъц, однако скорость резания продолжает снижаться до уровня Ч = Ч, при котором подача увеличивается до своего исходного значения (момент времени 1), После прохождения вибронеустойчивого участка (момент времени 1 ь) скорость резания апериодически возвращается к исходному значению Ъ.Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении периода стойкости инструмента на вибронеустойчивых участках резания и, тем самым, в повышении экономичности и производительности обработки.Рассчитываем повышение экономичности и производительности обработки при применении предлагаемого изобретения,Увеличение скорости резания в известном устройстве на вибронеустойчивых участках составляет до 20/, т.е. Ъ = 1,2. Снижение периода стойкости инструмента при обработке стали и чугуна торцевыми твердосплавными фрезами составляетгде То = 200 - 400 мин для фрезИ = 200 - 400 мм;Тлр = 1000 - 1500 мин М = 4 - 5.Вероятность встречи с вибронеустойчивым участком резания при черновой обработке составляет около 50/. Вероятность увеличения скорости резания при гашении вибрации принимаем также 50 й. Вероятность черновой обработки по данным Ульяновского ЗТС принята около 40 - 60/с. Таким образом, в известном устройстве около 10 - 15 й от общего машинного времени работы станка инструмент работает с повышенной скоростью резания и сниженным в 3 - 3,8 раза периодом стойкости. Приняв годовой фонд времени работы станка Гг = 3980 ч/г = = 238000 мин/г, долю машинного времени 50 Й, средний период стойкости инструмента Тв = 200 мин, найдем, что при применении известного устройства должно быть заменено на вибронеустойчивых участках резания п = 178 - 339 фрез.При применении предлагаемого устройства вибрации гасятся снижением скорости резания (причем это снижение не сказывается на производительности вследствие того, что на вибронеустойчивых участках главным является ограничение не по подаче на зуб, а по мощности главного привода из-за большого припуска), и следует ожидать повышение периода стойкости в 2,5 - 3 раза (п -- 24 - 30 фрез).Таким образом, ожидаемое сокращениечисла замены инструмента при применении изобретения - 150 - 300 раз в год. С учетом того, что после 1 О - 11 переточек инструмент подлежит списанию из-за размерного износа, а стоимость крупных твердосплавных и быстрорежущих фрез достигает 100 - 120 руб. (стоимость фрез из эльбора еще выше), годовой экономический эффект1500 в 30 руб.30Кроме того, снижение общего времени за.мены инструмента позволит повысить про.изводительность на 0,5 - 2,0/, и получить дополнительный эффект, который может быть значительным на крупных станках.Например, на уникальном продольно-обрабатывающем станке мод, 6650 - 1 О повышение производительности от внедрения адаптивного управления дало экономический эффект 120 тыс. руб дополнительное по вышение производительности на этом станке на 0,5/ц позволит повысить экономическую эффективность еще примерно на 10 тыс. руб.. Бутяга го комитета А н откры аушская на город, ул. СоставительТехреду И. ВереТираж 863ИПИ Государственнопо делам изобретеннМосква, Ж - 35, РППП сПатентэ, г, Уж орректородписноеСССРиАд. 4/5Проектная