УДК 62.503.55
658.562
, ,
Управление колебаниями режущего инструмента
при токарной обработке крупногабаритных детАлей
Описан метод управления колебаниями режущего инструмента с использованием адаптивной системы управления и дополнительного источника колебаний. Приведены схема управления вибрациями, адаптивная схема управления оборудованием с устройством для виброрезания, модель управления фазой колебаний, а также результаты моделирования обработки при управлении колебаниями.
Ключевые слова: вибрации, режущий инструмент, амплитуда, частота, фаза, адаптивная схема управления, технологическая система, Simulink-модель.
Обработка крупногабаритных деталей, особенно имеющих неоднородный припуск, связана со значительными вибрациями режущего инструмента [1]. Вибрации не позволяют обеспечить требуемую точность обработки и вызывают ускоренный износ инструмента. В работах В. Н. Подураева доказано, что применение дополнительного приспособления, позволяющего гасить вибрации, дает возможность частично избавиться от погрешностей при обработке и увеличить стойкость инструмента. Введение дополнительного управляемого источника колебаний позволяет полностью избавиться от вибраций режущего инструмента, а следовательно, обеспечить точность получаемой поверхности и увеличить стойкость инструмента [2].
Предложенный авторами метод предполагает использование дополнительного устройства, закрепляемого на суппорте металлорежущего станка, на котором обрабатываются крупногабаритные детали. Это устройство подключается через устройства защиты к электрошкафу оборудования и является источником вынужденных колебаний. Частота и амплитуда колебаний режущего инструмента подбираются экспериментально или на основании результатов моделирования. Источник вынужденных колебаний инструмента создает дополнительные колебания в зоне обработки. На рис. 1 представлены осциллограммы сигналов, поступающих от режущего инструмента при обработке детали без источника колебаний инструмента и с источником вынужденных колебаний.
Сигнал амплитудой Ад генерируется вследствие неравномерности структуры материала припуска обрабатываемой детали. Амплитуда этого сигнала определяется, главным образом глубиной резания и подачей, так как данные параметры обусловливают величину прогиба инструмента. Структура материала припуска определяет частоту вибраций режущего инструмента. Датчики, расположенные на режущем инструменте или суппорте станка, регистрируют величину амплитуды и частоту вибраций.
При использовании источника вынужденных колебаний инструмент колеблется с амплитудой Аи, величина которой задается как амплитуда сигнала, подаваемого на исполнительное устройство. Значение этой амплитуды ограничено геометрическими характеристиками самого исполнительного устройства, энергетическими показателями схемы. Частота устройства, задаваемая генератором, также ограничена конструкцией исполнительного устройства.
На рис. 1 показано смещение фазы сигнала, подаваемого на исполнительное устройство, управляющее режущим инструментом. При смещении фазы колебаний режущего инструмента Фи происходит сложение колебаний, вызываемых неравномерностью структуры материала припуска, и колебаний инструмента. Если колебания направлены в противоположные стороны, то они складываются. Так как их амплитуды имеют различные знаки, амплитуда суммированного сигнала оказывается значительно меньше, чем амплитуда колебаний без наличия источника вынужденных колебаний инструмента. Если знаки совпадают, то амплитуда колебаний становится значительно больше, что может вызвать возникновение аварийной ситуации, в лучшем случае – брак на поверхности обрабатываемого изделия.
Таким образом, достаточно определить амплитуду вибраций в технологической системе для установления возможности обеспечения качества обработки. Изменение фазы колебаний режущего инструмента позволяет добиться минимальной амплитуды этих колебаний. В идеальном случае она может быть равна 0, но это возможно при соблюдении двух условий: равномерного распределения материала в структуре припуска и постоянной величины самого припуска. Оба условия являются практически невыполнимыми. Следовательно, условие успешной обработки детали заключается в получении минимального значения амплитуды колебаний в технологической системе.
Управление технологической системой осуществляется по схеме, представленной на рис. 2. Сигнал от датчика вибраций поступает на вход устройства сравнения и вход запоминающего устройства. В устройстве сравнения обрабатывается сигнал от датчика и его предыдущее значение и формируется управляющий сигнал, поступающий на вход генератора. Управляющий сигнал позволяет изменять фазу генерируемых колебаний, которые через усилитель поступают на вход исполнительного устройства.
Особенностью схемы является наличие запоминающего устройства, в котором хранится предыдущее значение амплитуды вибраций. Изменение фазы управляющего сигнала осуществляется по результатам сравнения текущего значения и значения, находящегося в памяти.
Устройство сравнения использует современные средства микропроцессорной техники, а его алгоритм управления может быть построен на основе нечеткой логики [3]. Схема реализации адаптивной системы управления на базе ПК представлена на рис. 3.
Управление станком осуществляется посредством отдельного контроллера, обмен данными с которым происходит через COM-порт; возможен обмен данными через LPT-порт, что значительно проще, но имеет определенные ограничения [7]. Через силовые управляющие элементы контроллер управляет исполнительными устройствами станка.
Устройство при реализации адаптивной схемы управления (рис. 3) может быть использовано совместно с устройством контроля вибраций. В этом случае данные об амплитуде и частоте вибраций поступают через устройство сопряжения в ПК, где с помощью специального программного обеспечения вычисляются необходимые частота и амплитуда колебаний, а также фаза вибраций. Через устройство сопряжения сформированный цифровой сигнал управления поступает на ЦАП, где преобразуется в аналоговую форму, после чего передается на устройство для виброрезания. Отличительной особенностью подобной схемы использования устройства для виброрезания является возможность управления фазой колебаний режущего инструмента.
Для моделирования процесса управления фазой колебаний режущего инструмента разработана Simulink-модель устройства и системы управления (рис. 4). Для моделирования движения резца в поперечном направлении использовано приложение SimMechaniks, а системы управления – пакет Fuzzy Logic [6].
За исходную кинематическую схему суппорта станка с закрепленными на нем устройством для виброрезания и резцом принята схема из [5]. При моделировании упругих связей в системе задавались значения усилия пружины и коэффициента демпфирования в соответствии с рекомендациями, изложенными в [5]. В связи с тем, что при моделировании механической системы MATLAB решает систему нелинейных дифференциальных уравнений численным методом, результаты моделирования имеют определенную погрешность – чем ниже принимаемая величина этой погрешности, тем большее время требуется для вычисления.
Для модели, изображенной на рис. 4, принималась величина погрешности 0,01. Результаты моделирования управления фазой вибраций приведены на рис. 5, где графически показаны различия параметров, характеризующих колебания режущего инструмента при использовании предложенного метода управления фазой колебаний и без применения управления.
Разработанная Simulink-модель позволяет получить необходимые режимы управления устройством принудительных колебаний инструмента, не прибегая к изготовлению его различных вариантов и проведению комплекса экспериментальных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Подураев, резанием с вибрациями / В. Н. Подураев.– М.: Машиностроение, 1970. – 351 с.
2. Чепчуров, обработки деталей с неравномерным по структуре материалом припуска / // Технология машиностроения. – 2008. – №7. – С. 11 – 14.
3. Рассел, С. Искусственный интеллект: современный подход / Стюарт Рассел, Питер Норвиг. - 2-е изд. - М.: Вильямс, 2006. – 442 с.
4. Остафьев, процесса металлообработки / В. А. Остафьев, , . – Киев: Тэхнiка, 1991. – 151 с.
5. Лазарев, Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс / Ю. Лазарев. – СПб.: Питер; Киев: BHV, 2005. –512 с.
6. Чепчуров, и регистрация параметров обработки крупногабаритных деталей: монография/ . – Белгород: Изд-во БГТУ им. , 2008. – 232с.
Материал поступил в редколлегию 26.03.10.
