Устройство для автоматического упавления процессом механической обработки

(19 1)5 В 23 0 15/00 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ростовский-на-Дону институт сельскохозяйственного машиностроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1146175, кл. В 23 0 15/00, 1986,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ(57) Изобретение относится к станкостроению, В чдстности к самондстрдивдющимсясистемам управления с учетом измерениястойкостных параметров режущего инструмента, и предназначено для диагностикисостояния инструментов и защиты их от поломок. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональныхвоэможностей за счет улучшения помехоэаИзобретение относится к станкостроению, к автоматическому управлению процессом механической обработки, в частности к самонастраивающимся системам управления с учетом измерения стойкостных параметров режущего инструмента, и предназначено для диагностики состояния режущих инструментов, защиты их от поломок и автоматического управления процессом механической обработки на станочном оборудовании.Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет улучшения помехозащищенности устройства. щищенности устройства, Принцип формирования управляющего сигнала основан на выделении и анализе высокочастотной и низкочастотной составляющих комплексного спектра виброакустической эмиссии (ВАЭ) и термозлектродвижущей силы (ТЭДС), коррелированных с основными периодичностями релаксационного процесса трения, возникающего в зоне контакта инструмент - деталь, а также процесса стружкообразования и разрушения обрабатываемого материала, В устройство введены преобразователь переменной составляющей ТЭДС, суммирующий усилитель, три идентичных канала; А - для выделения низкочастотной, В и С - для выделения высокочастотных составляющих комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС, два масштабных усилителя с переключателем выбора критерия оптимальности, входы которых соединены с выходом интегратора второго высокочастотного канала, 2 ил 3 табл,Сущность изобретения базируется на основе изученных особенностей динамики процесса резания, а также на основе анализа комплексного спектра виброакустической эмиссии /ВАЭ/ и термозлектродвижущей силы /ТЭДС/, излучаемого зоной резания в широком частотном диапазоне. Комплексный спектр несет в себе полную информацию о взаимосвязи параметров, определяющих состояние и условия протекания процесса резания в целом. Принцип формирования управляющего сигнала по предлагаемому способу основан на выделении и анализе высокочастотной и низкочастотной состав 16733874550 55 ляющих комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС, коррелированных с основными периодичностями релаксационного процесса трения, возникающего в зоне контакта инструмент - деталь, а также процесса стружкообразования и разрушения обрабатываемого материала.На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 - экспериментальные кривые изменения энергетических уровней низкочастотной (кривая ) и высокочастотных (кривые 11 - И) составляющих комплексного спектра, нормированных в зависимости от критерия оптимизации А и 1 А, А йР соответственно, от скорости резания.Устройство содержит преобразователь 1.1 ВАЭ в направлении действия отжимающей составляющей силы резания, преобразователь 1.2 ТЭДС, суммирующий усилитель 2, три идентичных канала: канал А выделения низкочастотной и каналы В и С выделения высокочастотных составляющих комплексного спектра ВАЭ и ТЗДС.Канал С служит для формирования сигнала об износе режущего инструмента, а каналы А и В - для формирования управляющего сигнала скоростью резания, т,е, для управления приводом главного движения чере блок формирования управляющего сигнала.Каждый из каналов содержит предварительный усилитель 3 (3,1, 3.2, 3.3) с регулируемым коэффициентом усиления, ,узкополосный герестраиваемый фильтр 4 (4,1, 4.2, 4.3), детектор 5 (5,1, 5,2, 5.3), интегратор 6 (6,1, 6,2, 6.3) и схему 7 (7,1, 7,2, 7,3) автоматической настройки фильтров 4 по максимальному значению сигнала на выходе интегратора 6,Канал В выделения высокочастотнои составляющей дополнительно включает масштабные усилители 8 (8.1, 8,2) и переключатель 9 выбора критерия оптимизации.Канал Г измерения износа дополнительно включает схему 10 сравнения, задатчик 11 износа, также связанный с системой 7.3 автоматической настройки фильтра 4.3, регистрзтор 12 допустимой величины износа, блок 13 регистрации режимов частоты вращения детали 14 относительно положения суппорта 15 с помощью кинематически связанных с ними соотве 1 ственно реохорда 16 и тахогенератора 17, регулируемый привод главного движения, включающий задатчик 18 скорости, схему 19 сравнения, тиристорный преобразователь 20 и двигатель 21. Блок формирования управляющего сиг-,нала включает нуль-орган 22, электронные 5 1(3 15 20 25 Зд 35 40 ключи 23 и 24, генератЬр 25 тактовых импульсов, реверсивный счетчик 26 тактовых импульсов и преобразователь 27 код - напряжение, управляющий задатчиком 18 скорости привода главного движения.На фиг,2 в качестве примера показаны результаты экспериментальных исследований, отображающие изменение электрических уровней низкочастотной (кривая 1) и высокочастотных (кривые 2-4) составляющих комплексного спектра при увеличении скорости резания от 20 до 180 м/мин.Анализ указанных зависимостей показал, что в диапазоне варьируемых скоростей резания от 50 до 180 м/мин кривые имеют раэноэнаковый логарифмический закон изменения, отображенный зависимостью0 нч = А 1 п(В 1-01 Я+ С 1 (1) О " - Агь (Вг - СВ) + Сг,где 0 ч - уровень низкочастотной со,ставляющей комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС; Овч - уровень высокочастотной составляющейй.Коэффициенты С 1 и Сг имеют физический смысл коэффициентов усиления соответственно низкочастотного и высокочастотного каналов по оси ординат.При экспериментальном исследовании было установлено, что энергетический уровень ВЧ составляющей в несколько раз ниже, чем энергетический уровень НЧ составляющей комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС. Учитывая это, можно реализовать любой иэ указанных критериев оптимизации, задавая следующие соотношения энергетических уровней составляющих:истинные значения низкочастотной и высокочастотной составляющих комплексного спектра, что соответствует максимальной производительности при заданном качестве формообразования поверхности, ограничении по стойкости сверху;нормированные по частоте значения зоасоой Анч Онч и ысокочастотой Авч Меч СОСтаВЛЯЮЩИХ, ПРИЧЕМ НОРМИРОВа ние производится по низкочастотной составляющей, так как амплитуда ее энергетического уровня значительно больше и легко определима. При выбранном критерии достигаются оптимальные значения производительности при заданной стойкости и качестве формообразования поверхности обрабатываемой детали;нормированные по квадрату частоты значения низкочастотной и высокочастотной составляющих (Анч ванч, Авч иЪч ), приг, г которых нормированное значение Авчв вчг будет . несколько раз выше, чем нормиро 16733875 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ванное значение Анч аМ . что соответствует2наибольшей стойкости инструмента, но ограниченной производительности технологического процесса. Данный критерий используется при выборе оптимальных режимов обработки на станке, включенном в автоматическую линию, производительность которого не лимитирована.При реализации указанных критериев низкочастотная составляющая выделяется в диапазоне 1,5 - 6,8 кГц, так как в нем лежат основные частоты ламелизации процесса стружкообразования различных материалов. Например, при обработке стали 45 на скорости Ч = 200 м/мин частота ламелизации процесса стружкообразования равна 3,2 кГц, в то время как при обработке цветных металлов или специальных сплавов комплексный спектр видоизменяется и низкочастотная и высокочастотная составляющие спектра могут быть другими и распространяются в сторону более высоких частот. Например, при обработке латуни на этой же скорости резания основная частота ламелиэации процесса стружкообразования равна 6,2 кГц.Таким образом, частота ламелизации процесса стружкообразования определяется в основном физко-механическими свойствами обрабатываемого материала, диссипативными свойствами контакта, условиями передвижения дислокаций и рэзвития трещин в процессе разрушения материала и термофлуктуационной природой разрушения,Для повышения достоверности и информативности управляющего сигнала частоту выделения высокочастотной составляющей комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС выбирают в диапазоне 6-32 кГц и берут равной второй, четвертой или шестой гармонике основной периодичности процесса стружкообразования, выделенной каналом низкой частоты. Выбор четных гармоник обусловлен тем, что они /их уровни/ отображают нелинейные искажения основных периодичностей процесса стружкообразования, которые несут информацию о диссипативных свойствах контакта инструмент - деталь и между ламелями стружки, определяющими частоту ламелизации процесса стружкообраэования. Наиболее эффективно использование 4-й гармоники, Это обусловлено тем, что ее уровень достаточно высок, и она относительно удалена от низкочастотной составляющей, что упрощает физическую реализацию системы без потери точности измерения.Используя метод линеаризации /сглаживания/ при обработке экспериментальн ых данных уравнения /1/ для критерия оптимального сочетания качества поверхности, производительности обработки и износа инструмента запишутся в видеОнч = 1,2 и/9,6-0,066 Ч/ - 0,2Овч = - 0,8 1 п/8,47-0,063 Ч/ + 1,42 Р) при Онч Анч ЖнчОвч АвчЮ вчВ табл.1 приведены теоретические и экспериментальные значения энергетических уровней высокочастотной /Овч/ и низкочастотной /Онч/ составляющих комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС при оптимизации по критерию оптимального сочетания качества поверхности, износаинструмента и производительности с вибрацией скорости обработки.Зная, что щ вч = 4 а нч, так как оно является 4-й гармоникой основной частоты ламелизации, определяются уравнения длякритерия максимальной производительности. Для этого уравнения /2/ для низкочастотной и высокочастотной составляющих делятся на а нч и в вч соответственно и нормируются путем умножения на;О нч = Онч гн = 1,21 п/9,6 - 0,66 Ч/ - 0,2Ъчанч ВнчОвч = Овч - = Овч - =Мвч 4 анч (3)= 0,21 п/8,47 - 0,063 Ч/+ 0,351 1при О вч Авч, О нч АнчДанные для теоретических и экспериментальных значений энергетических уровней высокочастотной /О вч/ и низкочастотной /Онч/ составляющих комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС при оптимизацм покритерию максимальной производительности приведены в табл,2.При определении уравнений для критерия минимального износа инструмента уравнения /2/ умножаются на гонч и ввч соответственно и нормируются путем деления нащнчО нч = Онч =1,21 п/9,6 - 0,66 Ч/ - 0,2 Онч а Ивч 4 й)нч Овч = Овг - = Овч - = Шнч Инч(4)В табл.3 приведены сравнительныеданные для расчетных формул и полученные экспериментально.Устройство автоматического управления процессом механической обработки работает следующим образом.Спектр виброакустической эмиссии регистрируют преобразователем 1,1; а спектр термоэлекродвижущей силы - преобразователем 1,2, сигналы с преобразователей складывают суммирующим усилителем 2, выходной сигнал которого разделяют на ча 1673387статные составляющие с помощью избирательных каналов А, В и С,Каналом С формируют сигнал об износе режущего инструмента, для чего сигнал с суммирующего усилителя 2 усиливают предварительным усилителем З,З, избирают наиболее информативную частотную составляющую, коррелированную с износом режущего инструмента; с помощью узкополосного г,ерестраиваемого фильтра 4.3, затем детектируют блоком 5.3, интегрируют блоксм 6,3 и формируют сигнал об износе схемой 10 сравнения и ".вдатчиком 11 допустимой величины износа и регистрируют регистратором 12.При этом выделение наиболее информативной частоты гл запоминание ее уровня осуществпяю автоматически с помощью схемы 73 аьто лтическс настройки фильтра 4,3 по макси зпьному.":ачениюсигнала на выходе интегратор 6,З,л запоминают ее с помощью голока па ллти, встроенного в задатчик 11 допустиь,ого значения величины износа и управлп. - .лого такх,е схемой 7.3 автомагической нпс;зойки,Автоматическ/ю настройку устройства на чаиболее информативные частоты осуществляю в про ессе самообучения устрсйст з при онт;,о:, ой обработке изношенным инс 1 о, менто.Т: к ьз с увеличением ре;кимов обработки увел 1 лчивается энергетический уровен ь высо.очз то гн: й составляющейкомппесного спектра, корр лированной с и о.ом, то.,ля ее компенсации используют сигнал обратной связи формированной блоком 13 р:.гистраци 1, режимов обработки, который нспользук:т для нормирования спектра путем подачи на упра:ляющий вход предварительного усилителя 3.3, иэменян (уме лысая) коэффициент его усиления.1 аким образом, на выходе интегратора 6.3 и рег;стр:.тора 12 ослучают сигнал, про. порциональный износу ре ущ, го инструмечта и не изменя;ощийся при изменении скорости резания, котор.,ь" .1 спользуют в свою очередь для нормиропани высокочас 1 огной составляющей спектра участвующего в формиргвании сигнала у, равления скоростью резания.Сигнал управления сксрсстью резания фгрмируют с помощью низкочастотного канала А и вы;око-.ас. отного канала В а также блоков 22-Г 7, Пр этом канал А включают в режим са 1 оучдня 2,и автома нческой наст,зойкл , .лльтра 4,1 на ссновную частоту периодичностей процесса стружкообразования при минима:ьнсйл /начальной/ :корости речаник,;,танавпиваемой эадатчико л 18 реги лир.емо,о приода главноодвижения в процессе контрольной обработки.Автоматическую настройку узкополосного фильтра 4.1 осуществляют аналогично каналу С по максимальному значению выходного сигнала интегратора 6,1 с помощью схемы,7,1 автоматической настройки фильт-ф ра 4.1.Настройку фильтра 4.2 высокочастотного канала В осущес 1 вляют автоматически аналогично каналу А или С с помощью схе 10 мы 7,2 автоматической настройки фильтра 4,2 по максимальному значению сигнала на выходе детектора 5.2, проинтегрированного блокол 6,2, только при максимально допу 15 стимой скорости резания, устанавливаемой задатчиком 18 привода главного движения, При этом коэффициент усиления канала В изменяют с помощью переключателя 9 критериев оптимизации и масштабных усилите 20 лей 8.1 и 8,2, реализующих соответственно для автоматического выделения наиболее информативных частотных составляющих с помощью каналов А,В,С связь между выходом нуль-органа 22 и входами ключей 23 и 24 отключают, а заданный диапазон варьируе 40 мых скоростей устанавливают задатчиком 18 регулируемого привода главного движения.В свою очередь для исключения влияния приращения величины износа режущего инструмента на энергетические уровни высокочастотного сигнала, регистрируемого каналом В, последний нормирует путем подачи сигнала с выхода канала измерения износа в цель автоматического управления коэффициентом усиления предварител ьного усилителя 3.2 канала В. Для более точной корректировки уровней выходных сигналов предварительные усилители 3.1 и 3,2 обеспечены ручной регулировкой коэффициента 4550 усиления.После у:тановки диапазона варьируемых скоростей, выделения высокочастотной и низкочастотной составляющих комплексного г,ектра ВАЭ и ТЭ,;С, нормирования и 55 устанс ки их уровней устанавливают на, критерии максимальной стойкости при ограничении по производительности согласно выполнению условия /4/ и максимальной 25 производительности при ограничении поизносу (условие /ЗД,Третьему, свободному положению переключателя 9 соответствует реализация системой критерия оптимального сочетания производительности обработ- ЗО ки. износа инструмента и качестваповеохности, т,е. выполнение условия /2/ согласно прототипу.В процессе контрольной обработки привключении устройства в режим самообучения50 55 чальную скорость резания эадатчиком 18 привода главного движения и включают цель, связывающую выход нуль-органа 22 с управляющими входами электронных ключей 23 и 24,Управляющий сигнал для автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки формируют с помощью блоков 22 - 27, работа которых заключается в следующем.В момент врезания инструмента при начальной скорости резания, установленной задатчиком 18, на выходе низкочастотного канала А появляется максимальный по уровню сигнал, значительно превышающий сигнал на выходе высокочастотного канала В, приводящий к появлению положительного напряжения на выходе нуль-органа 22. Последний открывает электронный ключ 23 и разрешает подачу тактовых импульсов на суммирующий вход реверсивного счетчика 26 тактовых импульсов в двоично-десятичном коде. Преобразователь 27 код - напряжение преобразовывает считывающее число импульсов, возрастающее в аналоговое напряжение, которое и увеличивает величину задающего напряжения на выходе эадатчика 18, увеличивая тем самым скорость резания путем воздействия через тиристорный преобразователь 20 на электродвигатель 21.Увеличение скорости резания со, ровождается уменьшением низкочастотной составляющей комплексного спектра ВАЭ и ТЭДС и увеличением высокочастотной /фиг.2/.Таким образом, постепенное увеличение скорости резания приводит к выравниванию уровней выходных сигналов каналов А и В, которые и обнуляют выходной сигнал нуль-органа 22, При этом электронный ключ 23 закрывается и прекращает подачу тактовых импульсов на вход реверсивного счетчика 26. Суммарное значение считанных импульсов запоминается реверсивным счетчиком 26 и в виде аналогового напряжения через блок 27 поддерживается постоянным до появления /изменения/ сигнала на выходе нуль-органа 22. В зависимости от знака напряжения на выходе нуль-органа 22, определяющегося уровнями выходных сигналов каналов А и В, срабатывают электронные ключи 23 и 24, включающие реверсивный счетчик 26 соответственно в режим сложения и вычитания тактовых импульсов от генератора 25, а следовательно. на увеличение или уменьшение аналогового напряжения на выходе блока 27, Последнее приводит к увеличению или уменьшению скорости резания, поддерживает ее опти 5 10 15 20 25 30 35 40 45 мальной в соответствующей точке пересечения кривых /фиг.2/ закона изменения уровней низкочастотной и высокочастотнойсоставляющих комплексного спектра ВАЭ иТЭДС, управляющих нуль-органом 22.Таким образом, изменяя соотношениеуровней на выходе измерительных каналов Аи В, удается автоматически выбирать и поддерживать оптимальные режимы обработкидля различных материалов и по различнымкритериям оптимизации. При этом для новых материалов с другими физико-механическими свойствами и обрабэтываемостьюпроизводят повторное самообучение устройства для автоматической настройки егона наиболее информативные частоты фильтров 4,При различных критических ситуациях,а также в случае, когда износ режущего инструмента достигает допустимой величины,устройство автоматически уменьшает скорость резания путем воздействия выходного напряжения регистра на сбросовый входсчетчика 26 и прекращает процесс резанияпутем воздействия на систему управлениястанком (система управления и ее связь срегистратором 12 с целью у рощения схемына чертеже не показаны),При увеличении скорости резания точкапересечения кривых, соответствующая оптимальной скорости резания, наступает несколько раньше, чем напряжение величиныинтенсивности износа режущего инструмента достигает допустимого значения.По сравнению с известными техническими решениями устройство позволяет автоматически корректировать заниженнуюнаперед заданную скорость обработки, выбирать и поддерживать оптимальную скорость резания в зависимости от различныхкритериев оптимизации процесса механической обработки, учитывая различные физико-механические индивидуальные свойстваматериалов обрабатываемой детали и инструмента, отображающихся а особенностях формирования периодичностей процессастружкообразования и делаксационных процессах трения. Устройство автоматического управления позволяет значительно повысить производительность, точность и эффективность обработки, коэффициент загрузки станочного оборудования, его эксплуатационную и технологическую надежность за счет автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки, получения полной информации о стойкостных параметрах режущего инструмента и об обрабатываемости материалов, что в конечном итоге приводит к значи12 1673387 Таблица 1 тельному снижению себестоимости обрабатываемых деталей,Формула изобретения Устройство для автоматического управления процессом механической обработки, содержащее регулируемый привод главного движения, выполненный в виде соединенного последовательно двигателя, тиристорного преобразователя, схемы сравнения, связанной с блоком регистрации режимов, и задатчика скорости, преобразователь виброакустической эмиссии / ВАЭ/, установленный в направлении действия отжимающей составляющей силы резания, первый высокочастотный канал, включающий соединенные последовательно предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, перестраиваемый фильтр, детектор, интегратор, схему сравнения. связанную с задатчиком износа, соединенным со схемой автоматической настройки фильтра, вход которой соединен с выходом интегратора, а выход - с перестраиваемым фильтром, и регистратор, причем предварительный усилитель также связан с блоком регистрации режимов, низкочастотный и второй высокочастотный каналы, каждый из которых содержит соответственно соединенные последовательно предварительный усилитель, связанныи с преобразователем ВАЭ, перестраиваемый фильтр, детектор и интегратор, выход которого через соо етствуэщую схему автоматической настройки фильтра связан с соответствующим фильтром, причем управляющий вход предварительного усилителя второго высокочастотного канала связан с выходом интегратора первого высокочастотного канала, нуль-орган, входы которого связаны с выходами интеграторов низкочастотного и второго 5 высокочастотного каналов, а выход - с двумя электронными ключами, вторые входы которых связаны с генератором тактовых импульсов, а выходы - с реверсивным счетчиком тактовых импульсов, который также 10 связан с выходом регистратора, и преобразователь код - напряжение, вход которого соединен с выходом счетчика тактовых импульсов, а выход - с задатчиком скорости, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 15 повышения точности и расширения функциональных возможностей, оно снабжено преобразователем переменной составляющей термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), суммирующим усилителем, включенным между 20 выходом преобоазователя виброакустической эмиссии и входами предварительных усилителей низкочастотного и высокочастотных каналов, причем второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом 25 введенного преобразователя переменнойсоставляющей ТЭДС, а также двумя масштабными усилителями и включенным последовательно с ними переключателем выбора критерия оптимальности, при этом выход 30 переключателя соединен с третьим управляющим входом предварительного усилителя второго высокочастотного канала, а входы введенных масштабных усилителей соединены с выходом интегратора второго 35 высокочастотного канала.Составитель А,СеменоваТехред М,Моргентал Корректор М.Кучерявая Редактор З.Ходакова Г 1 роизводственно-ивдэтельский кокбиат "Пант", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2886 Тираж 492 Подписное ЬИИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5