УДК 621.952.8

Микропроцессорная система управления процессом обработки на металлорежущих станках

Назаренко Д.В.

Донской государственный технический университет.

Во многих задачах практики машиностроительных предприятий приходится сталкиваться с автоматизацией принципиально нестационарных технологических процессов. К таким процессам, в частности, относятся сверление глубоких отверстий малого диаметра, резьбонарезание (особенно случай обработки глухих отверстий), фрезерование глубоких пазов длинными концевыми фрезами и др. Во всех указанных процессах приходится считаться с тем, что силы резания существенно меняются по координатам формообразующих движений инструмента относительно детали. При этом значения сил резания достигают величин, соизмеримых с предельно допустимыми их значениями по критерию прочности режущего инструмента. Кроме этого, в связи с малой жесткостью режущего инструмента нестабильность силовых параметров приводит к существенному их влиянию на показатели качества изготавливаемого изделия. Последнее обстоятельство при сверлении глубоких отверстий проявляется, например, в уводе оси сверла. При фрезеровании глубоких пазов приводит к отклонению формируемого направления от заданного. При резьбонарезании вариации силовых параметров также оказывают существенное влияние на показатели качества.

Во всех случаях при автоматизации приведенных выше нестационарных технологических процессов приходится решать две задачи. Первая связана с выявлением отображения факторов, приводящих к отклонению показателей качества от заданных, в координатах состояния динамической системы резания. Вторая задача заключается в управлении формообразующими движениями по критерию отсутствия поломок режущего инструмента и удовлетворения заданным показателям качества изготавливаемого изделия.

На кафедре "Автоматизация производственных процессов" ДГТУ ведутся работы, направленные на решение указанных задач. Рассмотрим решение одной из них на примере управления сверлением глубоких отверстий малого диаметра. Для обработки отверстий используется оригинальное оборудование, основой которого является агрегатные силовые головки с полностью автоматизированным циклом управления. В системах управления применяются однокристальные ЭВМ, позволяющие на основе созданных алгоритмов диагностировать текущие координаты состояния процессов обработки и формировать функцию управления режимами по критерию минимума приведенных затрат на производство партии изделий. Для сверления глубоких отверстий малого диаметра, данный критерий соответствует максимальной производительности при изготовлении партии изделий.

На рис. 1 приводится блок-схема оборудования для сверления глубоких отверстий малого диаметра.

Рис. 1. Блок схема системы диагностики и управления.

Данное оборудование позволяет реализовать функцию управления, оптимизированную по указанным критериям и получить зависимости основных параметров сверления, что важно для проведения дальнейших исследований и накопления информации для совершенствования математической модели функции управления. Последнее обстоятельство приводит к необходимости использовать достаточно мощную ПЭВМ, в данном случае используется ПЭВМ IBM PC, на базе процессора Pentium. ПЭВМ дополнительно оборудована блоком цифрового и аналогового ввода-вывода типа NVL003.

Для выполнения необходимых измерений были использованы оригинальные технические решения по созданию измерительных средств. Силовая сверлильная головка оборудована двигателем вращения сверла (ДВС), двигателем привода подачи (ДПП), датчиком перемещения пиноли (ДП), блоком измерений мощности ДВС (БИ) для оценки величины крутящего момента сверла, датчика осевой силы (ДС), блока коммутации (БК) и питания (БП).

Программное обеспечение, реализующее функции измерения, управления и синхронизации. Для его разработки использовались языки программирования Паскаль и Ассемблер.

На рис. 2 приводится внешний вид описываемого оборудования.

Рис. 2. Внешний вид оборудования для глубокого сверления.

Траектории формообразующих движений и вспомогательных перемещений выбираются таким образом, что траектории формообразующих движений принадлежат множеству допустимых фазовых траекторий движения, в котором сумма циклических и интегральных составляющих сил, действующих на инструмент, не превышает предельно допустимых значений. Вспомогательные перемещения обеспечивают движение пиноли при ограничениях, наложенных на функцию управления. В качестве критерия в этом случае выбирается критерий минимума времени вспомогательных перемещений при обеспечении заданной точности позиционирования. Кроме того, на основе предложенных алгоритмов обработки информации система позволяет диагностировать разнообрабатываемость и в зависимости от текущих значений измеряемого фактора разнообрабатываемости корректировать ограничения, накладываемые на систему, что позволяет обеспечивать заданные показатели точности поддержания оси формируемого отверстия.

Алгоритмы, реализующие функцию управления, выполняют адаптацию ограничений на координаты состояния и траектории движения управляемой системы в зависимости от текущей координаты каждого единичного заглубления и величины износа режущего инструмента.

Таким образом, допустимые фазовые траектории характеризуются отображениями в фазовом пространстве следующих ограничений на пространство состояния процесса сверления Y:

1. Ограничения на величину интегральной – y₁ и циклической – y₂ составляющих крутящего момента с учетом усталостных факторов;

2. Ограничение на величину осевого усилия – y₃, зависящего от текущей координаты заглубления, исходя из соображений осевой устойчивости инструмента;

3. Ограничение на величину износа инструмента – y₄;

4. Ограничение, характеризующее качество обработки – y₅.

Ограничения на вектор состояния процесса обработки имеют вид:

где - критическое значение i-той координаты; n – количество деталей, обработанных данным инструментом.

При оптимизации вспомогательных перемещений введены ограничения на величину напряжения и тока якоря двигателя привода пиноли сверла:

В качестве оптимизационного функционала выбрано известное соотношение для величины приведенных затрат на изготовление партии деталей (3). Функция управления выбирается таким образом, чтобы минимизировать указанную величину.

где C₁ – себестоимость единицы машинного времени (руб./мин.); C₂ – себестоимость инструмента за период стойкости (руб.); T – стойкость инструмента между переточками (мин.); t _см – время смены инструмента (мин.); R – радиус сверления (мм); S – подача(мм/с); – скорость вращения сверла (об./мин).

Функция управления определяется численно и не может быть записана аналитически.

Полученные результаты и предлагаемое оборудование могут быть использованы для совершенствования автоматизированного оборудования для сверления глубоких отверстий.

Силовые сверлильные головки с автоматическим циклом управления по указанным выше критериям прошли широкую апробацию на предприятиях топливной аппаратуры и автомобильной промышленности. В частности, оборудование использовалось для сверления топливоподводящего отверстия в корпусе форсунки (диаметр 2,15мм, глубина сверления 78мм, материал сталь 35Л). Использование данного оборудования позволило повысить производительность в среднем в 1,5-2 раза и снижение брака с 20-30% до 5-7%.

Разработанная система управления, кроме того, опробована с оборудованием для резьбонарезания отверстий малого диаметра и фрезерования глубоких пазов нежесткими концевыми фрезами и также показала высокие результаты.