Устройство для автоматического контроля и управления процессом резания на станках с чпу

(19) Ц 1) А 1 85 5 В 19/18 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ Ыопт ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Особое конструкторское бюростанкостроения(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГОКОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ НА СТАНКАХ С ЧПУ(57) Изобретение относится к областимашиностроения и позволяет расширитьфункциональные возможности путем формирования управляющих сигналов с учетом величины выдвижения шпиндсльногоузла и параметров оправки и повыситьточность измерения вибраций в зонерезания. В соответствии с параметрами выбранного инструмента и сигналомдатчика выдвижения шпинделя процессор с учетом данных блока памяти че-рез блок связи со станком формируетсигналы на вхсды блока преобра.ования амплитуды вибраций и блока преобразования составляющих сил резания,Выдаются сигналы, пропорциональныеамплитуде вибраций 4 шпиндельногоузла и величине крутящего момента Мна валу шпинделя. В блоке контроля сигналы сравниваются с предельно допустимыми значениями К , М , М, . При превышении амплитудной вибрации А шпиндельного узла в зоне резания или кр"тящим моментом М на валу шпинделя, или скоростью нарастания М крутящего момента соответствующих предельных величин блок контроля осуществляет аварийное торможение привода подачи. Если сигнал с блока контроля через блок связи поступает в процессор в течение заданного промежутка времени, то процессор через блок связи. со станком вьщает сигнал на второй вход "Задание" блока контроля на вывод инструмента из заготовки, не допуская тем самым ухудшения качества обрабатываемого изделия. При резании, если амплитуда вибраций 4 шпиндельного узла в зоне резания, величина крутящего момента М на шпинделе и скорости нарастания крутящего момента )1 меньше соответствующих предельно допустимых величин А М М , то информация об амплитуде вибраций А и величине крутящего момента поступает в процессор, где она сравнивается с оптимальными значениями, хранящимися в блоке памяти, и осуществляется изменение управляющих сигналов, поступающих на входы приводов и через блок связи со станком с цельюимизации процесса резания. 3 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 табл.5 1 О 15 2 О 25 ЗО 40 50 Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при управлении процессами черновой и получистовой обработки на фрезерно-расточных станках с ЧПУ типа СЫС.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройствапутем Формирования управляющих сигналов с учетом величины выдвиженияшпиндельного устройства и параметровоправки и повышения точности измерения вибраций в зоне резания,На фиг, 1 приведена функциональнаясхема устройства для автоматическогоконтроля и управления процессом резания на станках с ЧПУ; на фиг, 2то же, с раскрытием исполнения отдельных блоков; на Фиг, 3 - принципиальная схема логического элемента;на фиг. 4 - временные диаграммы работы блока преобразования вибрацийшпинделя.Устройство для автоматическогоконтроля Й управления процессом резания на станках с ЧПУ содержит стандартное устройство ЧПУ 1, включающеев себя процессор 2, блок 3 памяти,блок 4 связи со станком, аналогоцифровой преобразователь 5.Устройстводля автоматическогоконтроля и управления процессом резания на станках с ЧПУ содержит такяе блок 6 контроля, привод 7 подачи,.привод 8 главного движения, объект9 контроля и управления, блок 10 измерения составляющих сил резания,блок 11 преобразования составляющихсил резания, блок 12 преобразованияамплитуды вибраций, датчик 13 выдвижения шпинделя, Блок 6 контроля содержит логический элемент 14, элементы сравнения 15 - 17, выпрямители18 - 20, диодные ограничители 2123, элемент ИЛИ 24, узел дифференци -рования 25. Блок 11 преобразованиясоставляющих сил резания состоит изфильтра 26 нижних частот и усилителя27 с регулируемым коэффициентом уси,пения.Блок 12 преобразования амплитудывыбраций включает в себя управляемый полосовой фильтр 28, усилитель29 с регулируемым коэффициентом усиления, детектор 30, первый Фильтр 31нижних частот, узел 32 выделения переменной составляющей сигнала узел 33дифференцирования, первый компаратор 34 нулевого уровня первый выпрямитель 35, первый диодный ограничитель 36, первый формирователь 37, первый элемент И 38, второй компаратор39 нулевого уровня, второй выпрямитель 40 второй диодный ограничительвторой формирователь 42, КЯ-триггер 4 3 третий компаратор 44, третийвыпрямитель 45, третий диодный ограничитель 46, второй элемент И 47,третий Формирователь 48, амплитудныйдетектор 49, второй фильтр нижнихчастот 50, узел выборки-хранения 51.Логический элемент 14 содержитоперационные усилители 52 и 53, первый коммутационный элемент 54, с контактами 54 и 54 з, второй коммутационный элемент 55, с контактом 55резисторы 56 - 61,На Фиг. 2 показаны предельно допустимые и текущая амплитуда вибраций А, и А , предельно допустимыйи текущий крутящие моменты М и Мна шпинделе, предельно допустимоеи текущее значения скорости нарастания крутящего момента М, и М нашпинделе.На фиг, 4 следующим образом обозначены сигналы на выходе 1: аблока 10; б - Фильтра 28; в - детектора 30; г - фильтра 31; д - узла 32;е - узла 33; ж - ограничителя 36;з - формирователя 37; и - ограничителя 41; к в , Формирователя 42; лограничителя 46; м - элемента 47;н - формирователя 48; о - триггера43; и - элемента 38; р - детектора49; с - фильтра 50; т - узла 51.В качестве устройства ЧПУ использовано устройство 2 С 42,Процессор 2 и блок 3 памяти являются блоками ЭВМ "Электроника",входящими в состав 2 С 42.Блок 4 - блок "Интерфейс связи состанком"; АЦП - АЦП адаптивного управления; каналы обмена информациейпроцессора 2 с блоками 3, 4 и 5внутренние каналы устройства 2 С 42.Блок 10 измерения составляющих силрезания включает в себя датчики радиальной и тангенциальной составляющих сял резания, размещенные на соответствующих органах станка.На соответствующих органах объекта 9 контроля и управления металлорежущего станка, а именно, в карманахгидростатического подшипника, разме-щены датчики радиальной составляющейсилы резания. В качестве датчиков ра1231485 диальной составляющей силы резания могут быть использованы индуктивные датчики давления ДД, встроенные в карманы гидростатического подшипника или вибродатчики Д, расположен ные на втулке, надетой на Энешнее кольцо переднего подшипника шпиндель- ного узла, ориентированные в радиальном направлении, Датчиком тангенциальной составляющей силы резания на фрезерно-расточных станках может служить датчик крутящего момента, выполненный с учетом радиуса инструмента,Блок 10 также содержит генератор синусоидального напряжения для пита ния индуктивных датчиков давления ДДи предварительные усилители сигналов датчиков. Устройство работает следующим образом.Перед началом заданной технологической операции сигналы соответствующих предельно допустимых величин из блока памяти 3 процессором 2 через блок 4 связи со станком подаются на первые входы соответствующих элементов 15 - 17 блока б.До врезания амплитуда вибраций А незначительна и намного меньше предельно допустимой величины А , задаваемой в блоке 3 памяти ЧПУ и поступающей"через процессор 2 на выход блока 4. Крутящий момент М на шпинделе и скорость нарастания крутящего момента М намного меньше предельно допустимых соответствующих величин М, и М,.Значения предельно допустимых ве 1личин А Мэ и Мо для данной технологической операции хранятся в блоке 3 памяти.По заданной управляющей технологической программе осуществляется выбор инструмента из инструментального магазина станка типа "обрабатывающий центр". Параметры инструмента хранятся в блоке 3 памяти.В соответствии с параметрами выбранного инструмента и сигналом датчика 12 выдвижения шпинделя процессор 2,с учетом данных блока 3 памяти через блок 4 связи со станком, формирует сигналы на входы 111 фильтра 28 и усилителя 29 блока 12 и усилителя 27 блока 11 (Фиг. 2).Сигнал (фиг.4 о) с датчика радиальной составляющей силы резания блока 10 поступает на полосовой управляемый фильтр 28 блока 12, Параметры этого фильтра изменяются при вьдвижении шпинделя или при замене оправки. Фильтр 28 таким образом настраивается на собственную частоту изгибных колебаний шпиндельного узла. После Фильтра сигнал (фиг. 4 б) поступает на усилитель 29, где осуществляетсямасштабирование сигнала в соответствии с параметрами шпиндельного узлаи резцовой оправки (жесткостью и демпФированием). На фиг. 4 С приведена диаграмма Формирования сигнала на выходе блока12, пропорционального максимальнойамплитуде вибраций шпиндельного узла,Важнейшими элементами блока 12являются амплитудный (пиковый) детекПервый выход блока 10 (выход второго предварительного усилителя)20 тангенциальная составляющая - подключен к первому входу блока 11 преобразования составляющих сил резания,Второй выход блока 10 (выход одно 25 го из предварительных усилителей) радиальная составляющая, подключен к первому входу блока 12 преобразования вибраций шпинделя.Датчик 13 выдвижения шпинделя установлен таким образом, что отдельные его элементы в соответствии с их функциональным назначением размещены на подвижном и неподвижном органах станка.В качестве датчика выдвижения 35 шпинделя может быть использован любой циклический датчик совместно с преобразователем (например индуктосин, сельсин, вращающийся трансформатор), 40Блок 12 преобразования вибраций шпинделя является блоком выделения и преобразования сигналов, пропорцио. нальных амплитуде вибраций шпинделя,Логический элемент 14 блока б при 45 нулевых сигналах на его входах 11 и 111 имеет коэффициент передачи, равный единице, При появлении сигнала "Единица" на входе 11 коэффициент передачи логического элемента 14 становится равным (-1).Полосовой фильтр 28 блока 12,управ ляемый напряжением, обеспечивает выделение сигнала на частоте, близкой к собственной частоте шпиндельного 55 устройства, Частота пропускания полосового фильтра определяется управляющим напряжением.50 тор 49 и узел 51 выборки-хранения, Амплитудный детектор 49 предназначен для запоминания экстремальных значений входного сигнала (фиг, 43). При 5 возрастании входного напряжения (вход 1, фиг. 45) оно отслеживается выходным напряжением (Фиг.4 р), а при уменьшении входного сигнала амплитудный детектор переходит в режим хранения и запоминает предыдущее максимальное значение входного напряжения. Это напряжение удерживается на выходе детектора (фиг.4 Р) или до появле, ния большего сигнала на входе 1 15 (фиг. 45), или до команды сброса в исходное состояние (вход 11, фиг 4 й) .Узел выборки-хранения в режиме выборки (при наличии сигнала на входе 11, Фиг. 4 к) повторяет входной сиг нал 1 (фиг. 4 с) на выходе (фиг.4 т), а затем па команде (при отсутствии сигнала на входе 11) запоминает его мгновенное значение и переходит в режим хранения (фиг. 4 т)Детектор 3025 выполняет одно полупериодное выпрямление (фиг. 4 В), Фильтр 31 осуществляет (фиг. 4 г) низкочастотную Фильтрацию (0,2-15 Гц), устраняя высокочастотную составляющую спектра (80- З 0 50 Гц), обусловленную собственной частотой системы шпиндель -. оправка.Узел 32 выделяет переменную составляющую сигнала (фиг. 4 д), а узел 33 осуществляет достаточно точное 35 дифференцирование сигнала (фиг. 4 е). На выходе диодного ограничителя 36 (фиг, 4 зд Формируется сигнал, амплитуда которого имеет величину, необходимую для работы с дискретными 40 интегральными микросхемами,(ИМС), например, 5 В - "1" для ИМС 155 серии. Формирователь 37 по заднему Фронту сигнала выдает короткий импульс заданной длительности (фиг,4 ),45 необходимый для работы пикового детектора 49 при снижении амплитуды входного сигнала блока 12. Ограничитель 41, как и 36, формирует сигнал для работы дискретных ИМС (фиг. 4 и). Формирователь 42 по заднему фронту сигнала ограничителя 41 выдает короткий импульс необходимой длительности (фиг, 4 к), который устанавливает КЯ-триггер 43 в состояние "1" и уп равляет работой узла 51 (Фиг, 4 о)На выходе ограничителя 46 формируется сигнал (фиг. 4 л) заданной амплитуды(для ИМС 155 серии 5 В) в случае, если входной сигнал блока 12 в текущий момент превышает максимальную амплитуду сигнала на входе блока 12 в предыдущий момент записи в узел 51 (можно сравнить Фиг. 4, и 4 т). На выходе элемента И 47 формируется сигнал (фиг. 4 м), по переднему фронту которого формирователь 48 выдает короткий импульс (фиг. 4 н), которыи устанавливает КБ-триггер 43 в состояние "0" (фиг, 4 о) . На выходе элемента 38 появляется сигнал (фиг.4 п) в случае совпадения единиц на его входах. Такое явление происходит при уменьшении максимальной амплитуды входного сигнала блока 12Фильтр 50 необходим для того, чтобы сгладить выброс, обусловленный работой детектора 49 при уменьшении входного сигнала блока 12 (фиг. 4 с). Сигнал с датчика крутящего момента блока 10, пропорциональный тангенциальной составляющей силы резания (крутящему моменту на шпинделе), обрабатывается фильтром 26 блока 11 (отсеиваются шумы, связанные с боем колес коробки скоростей электрическими наводками и т,д,) и масштабируется усилителем 27 блока 11 (Фиг. 2) с учетом консольной части системы шпиндель - оправка, С изменением этой системы предельно допустимая величина тангенциальной составпяющей силы резания (крутящего момента), обусловленная виброустойчивостью станка, также изменяется (с выдвижением шпинделя предельно допустимая величина падает, а коэффициент усиления усилителя 27 увеличивается) .В б,поке б сигналы, сформированные в блоках 11 и 12, сравниваются с предельно допустимыми значениями М М и А , При превышении амплитудой вибраций Д шпиндельного узла в зоне резания или крутящим моментом М на валу шпинцеля, или скоростью нарастания 11 крутящего момента соответствующих предельных величин на выходе элемента ИЛИ 24 появляется логический сигнал, поступает на логический элемент 14, осуществляющий аварийное торможение привода подачи, Если сигнал с элемента 27 через блок связи 4 поступает в процессор 2 в течение заданного промежутка времени, то процессор 2 через блок 4 связи состанком выдает сигнал (на второйвход "Задание" блока 6 контроля) навывод инструмента из заготовки, темсамым не допуская ухудшения качестваобрабатываемого изделия, 5Работа логического элемента 14представлена в таблице. ГКоэффициент передачи 10 логического элемента 14 Входы 11 111 15 О 20 После вывода инструмента из заготовки осуществляется процесс смены инструмента, При резании, если амплитуда вибраций д шпиндельного узла в зоне резания, величины крутящего момента М на шпинделе и скорости нарастания крутящего момента М меньше соответствующих предельно допустимых З 0 величин А , М ,М то информация об амплитуде вибраций А и величине крутящего момента М поступает через аналого-цифровой преобразователь 5 в процессор 2, где она сравнивается с 35 оптимальными значениями для данной технологической операции, хранящимися в блоке 3 памяти, и осуществляется изменение управляющих сигналов, поступающих на входы приводов 6 и 7 через 40 блок 4 связи со станком с целью оптимизации процесса резания, На вход привода 7 сигнал поступает через блок 6 (это первый вход "Задание" ). При превышении сигналом, пропорцио нальным тангенциальной составляющей силы резания, оптимальной величины, Формируется сигнал, снижающий сигнал "Задание", поступающий на вход привода 7 с учетом ограничения на макси мальную величину подачи. Последняя логическая операция осуществляется в процессоре 2 с помощью блока 3 памяти, где хранится значение максимальной подачи для данной технологической 55 операции.В случае, когда сигнал, пропорциональный максимальной амплитуде вибраций, превышает оптимальную величину, формируется изменение управляющего сигнала на выходе привода 8 с учетом ограничений на скорость резания. Учет этих ограничений, значения которых хранятся в блоке 3 памяти УЧПУ 1, выполняется в процессоре 2. Построенный таким образом блок 6 обеспечивает предельное быстродействие, необходимое для защиты элементов системы СПИД на станках с УЧПУ типа СМС.Устройство позволяет учитывать изменение консольной части системы шпиндель - оправка, более точно и надежно формировать сигнал, характеризующий амплитуду вибраций режущего инструмента в зоне резания, более точно определять момент поломки инструмента,чтб в совокупности приводит к повышению качества процесса резания, долговечности инструмента и эффективности защиты элементов системы СПИД.Изобретение может найти применение во всех фрезерно-расточных станках с устройством числовогопрограммного управления типа СИС,а также в станках-модулях, построенных на базе станков данной группы.Формула изобретения1. Устройство для автоматического контроля и управления процессом резания на станках с ЧПУ, содержащее процессор, соединенный каналами обмена информацией с блоком памяти и с блоком связи со станком и подключенный входами к аналого-цифровому преобразователю, приводы подачи и главного движения органоц станка, а также блок измерения составляющих си резания, включающий в себя датчики радиальной и тангенциальной составляюших сил резания, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем формирования управляющих сигналов с учетом величины выдвижения шпиндельного узла и параметров оправки и повышения точности измерения вибраций в зоне резания, в него введен блок контроля, а также блоки преобразования составляющих сил резания и амплитуды вибраций шпинделя и датчик выдвижения шпинделя, при этом первая группа входов "Задание" блока контроля соединена с выходами блокасвязи со станком, а вторая группа входов "Текушее состояние" блока контроля соединена с выходами блоков преобразования амплитуды вибрации шпинделя и составляющих сил резания 5 соответственно, первый выход блока контроля соединен с приводом подачи, а второй - с входом блока связи со станком, первые входы блоков преобразования амплитуды вибраций и составляющих сил резания соединены с выходами блока измерения составляющих силрезания, вторые и третьи входы этих блоков соединены соответственно между собой, а третьи входы этих блоков соединены с блоком связи со станком, выход датчика выдвижения шпинделя соединен с первым входом аналогоцифрового преобразователя и вторыми входами блоков преобразования амнлитуды вибраций и составляющих сил резания, кроме того входы нТекущее состоя 11ние блока контроля соединены с вто - рыми входами аналого-цифрового преоб 25 разователя, причем привод главного движения соединен с. блоком связи со станком.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок преобразования амплитуды вибраций выполнен в виде последовательно соединенныхуправляемого полосового фильтра,усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, детектора, первого фильтра нижних частот, узла выделения пере менной составляющей сигнала, узла дифференцирования, первого компаратора нулевого уровня, первого выпрямителя, йервого диодного ограничителя и первого формирователя, а также со держит второй компаратор нулевого уровня, третий компаратор нулевого уровня, два выпрямителя, два диодных ограничителя, три формироват пя, два элемента И, КБ-триггер, ампли - 45 тудный детектор, зторой фильтр нижних частот, узел выборки-хранения, причем выход детектора соединен с первымвходом амплитудного детектора, выход первого формирователя подключен к 5 С первому входу первого элемента И,выход которого подключен ко второму входу амплитудного детектора, а выход узла выделения переменной составляющей сигнала через последовательно 55 соединенные второй компаратор нулевого уровня, второй выпрямитель, второй диодный ограничитель и второй формирователь связан с 5 в вход ВЯ-триггера, выход которого, соединен со вторым входом первого элемента И, кроме того выход первого фильтра нижних частот подключен к первому входутретьего комп; ратора, выход которого через последовательно соединенные третий выпрямитель, третий диодный ограничитель, второй элемент И и третий формирователь соединен с К-входом КБ-триггера, при этом выход второго диодного ограничителя подключен ко второму входу второго элемента И, а выход амплитудного детектора соединен со входом второго фильтра нижнихчастот, вьгход которого связан с первьгм входом узла выборки-хранения и является выходом блока преобразования амплитуды вибраций, выход второго формирователя связан со вторым входом узла выборки-хранения, выход которого соединен со вторым входом третьего компаратора, первый вход полосового управляемого фильтра является первьм входом блока преобразований амплитуды вибраций, вторым и третьим входами которого является второй и третий входы полосового управляемого фильтра, соединенные соответственно со вторым и третьим входами усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.3. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок преобразования составляющих сил резания содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, причем вход фильтра нижних частот является первым входом блока преобразования составляющих сил резания, второй и третий входы усилите,пя с регулируемым коэффициентом усиления являются соответственно вторым и третьим входами блока преобразования составляющих сил резания, выходом которого является выход усилителя с регулируемым коэффициентомусиления,4, Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок контроля содержит логический элемент,элемент ИЛИ, узел дифференцированияи три группы элементов, каждая изкоторых состоит из последовательносоединенных элемента сравнения,выпрямителя и диодного ограничителя,.выход которого прдключен к соответ 11 1231485ствующему входу элемента ИЛИ, первыйи второй входы логического элементаявляются соответствующими входамипервой группы входов блока контроля,выход логического элемента являетсяпервым выходом блока контроля, третий вход логического элемента соединен с выходом элемента ИЛИ и является вторым выходом блока контроля,первые входы элементов сравнения подключены к остальным входам первойгруппы входов блока контроля, вторыевходы первого и второго элементовсравнения соединены с соответствующими входами второй группы входовблока контроля, второй вход второгоэлемента сравнения подключен черезузел дифференцирования ко второмувходу третьего элемента сравне ния.1