| ENGLISH |
Каждое изделие в машиностроении, поставляемое в условиях жесткой конкуренции на внутренний и внешний рынок, должно обладать новым уровнем свойств и отвечать всевозрастающим требованиям, предъявляемым потенциальными потребителями к функциональным, экономическим и эстетическим свойствам. Поэтому основная цель в развитии машиностроения это постоянное улучшение качества изделий, одновременно находя оптимальный вариант сочетания вышеперечисленных свойств изделия, необходимых потребителю. Одним из направлений улучшения изделия является повышение точности обработки его поверхностей, которая непосредственно влияет на функциональные и эстетические качества изделия и это необходимо совершать наиболее экономичными путями и средствами. Вопросы оптимизации обработки деталей в течение длительного периода времени привлекают внимание исследователей и производственников Однако, несмотря на непрерывное совершенствование процессов изготовления заготовок, удельная трудоемкость обработки резанием все еще продолжает оставаться, большой и при изготовлении многих современных машин даже возрастает. Это объясняется все более расширяющимся применением в современных машинах труднообрабатываемых материалов, усложнением форм обрабатываемых деталей, ростом требований к точности изготовления и качеству поверхности, выполняемых в основном помощью обработки резанием. В связи с этим за десятую пятилетку годовой выпуск металлорежущих станков будет значительно увеличен. Предусмотрено улучшить структуру станочного парка в машиностроении, прежде всего за счет расширения производства станков с программным управлением и адаптивными, системами, агрегатных станков и автоматических линий. Использование этого оборудования является характерной особенностью современных методов механической обработки. Известно, что выполнение операций обработки резанием связано с автоматическим регулированием процесса. Следует отметить, что если теория и практика обычного резания, методики расчета и проектирования, станков с программным управлением, адаптивными и оптимизирующими системами, освещены в литературе, то по вопросам резаниям на указанном оборудование достаточно систематизированных работ не имеется.
Целью данной работы является исследование управления оптимальных режимов резания, для повышение точности обрабатываемых поверхностей и уменьшение себестоимости изделия, за счет экономии износа инструмента, брака на производстве и основного времени на обработку детали при работе на оптимальных режимах резания.
Исследование методик выбора критерия регулирования процессами токарной обработки для построения адаптивных систем, будут практически использованы для управления режимов на металлорежущих станках.
Обеспечение высокой точности изготовления деталей современных машин при использовании обычных методов лезвийной и абразивной обработки сопряжено с большими материальными затратами, высокой. трудоемкостью и связано с понижением производительности обработки. Традиционные методы решения этой задачи, такие как увеличение жесткости и точности станков, применение многопроходной обработки, к настоящему времени уже в значительной мере исчерпали себя. В последние годы проблему обеспечения высокой точности при достижении максимальной производительности успешно решают путем применения нестационарных процессов резания, выполняемых станками с программным управлением, системами адаптивного и оптимизирующего управления движениями резания, которые регулируют условия работы по мере изготовления данной детали.
Процесс резания определяется в первую очередь видом обрабатываемого материала и режимами резания; при обычном резании эти параметры неизменны в процессе обработки данной детали. Однако все более широко стали применять методы механической обработки, осуществляемые с переменными значениями этих параметров, даже при выполнении ряда типовых операций, например при обработке по копиру поверхностей сложной формы, торцовом точении, вибрационном резании. Все большее распространение получает нестационарный процесс резания при освоении станков с программным и адаптивным управлением, имеющих системы автоматического регулирования скоростей главного и вспомогательного движений резания. Адаптивным резанием называют способ механической обработки, обеспечивающий оптимизацию процесса за счет изменения условий обработки, прежде всего режимов резания в зависимости от конкретных условий стружкообразования в каждой точке заготовки. Использование систем адаптивного управления делает возможным самостоятельный поиск оптимального режима в процессе работы: .Они перерабатывают непрерывно поступающую информацию о величине принятого для регулирования критерия, например силы, температуры, интенсивности вибраций, в нестационарное движение резания. При обработке биметаллов, например сверлении, при переходе инструмента из одного материала в другой также целесообразно автоматическое изменение режимов резания, например подачи. В этих случаях обработка производится с переменными режимами резания, изменяющимися непрерывно или дискретно. Обработка с переменными значениями скоростей резания и подачи во многих случаях ведется при существенных изменениях рабочих углов резания. Способ резания, при котором в процессе снятия одного слоя материала один или несколько параметров, определяющих условия резания, изменяют свое значение, называется нестационарным резанием. В отличие от этого обычный (стационарный) метод резания характеризуется постоянными значениями всех параметров обработки.
При исследовании стационарного процесса резания предполагали, что при снятии слоя с заготовки свойства металла и условия обработки неизменны. Это не позволяет объяснить ряд явлений, происходящих при стружкообразовании и формировании поверхностного слоя изготовляемой детали. В некоторых случаях концепция неизменности свойств должна уступать место концепции, согласно которой металл представляет собой негомогенную матрицу с местными особенностями (границами зерен, пустотами, дислокациями и т. д.).
В процессе резания имеет место пластическое течение материала перед режущим инструментом. По мнению ряда исследователей, в зоне пластического течения наблюдается тенденция к образованию большого числа микротрещин, которые не всегда перерастают в макротрещины и не приводят к разрушению материала из-за наличия всестороннего сжатия материала срезаемого слоя в зоне стружкообразования. Следовательно, в общем случае любой процесс резания можно считать нестационарным, однако изменение одного из параметров не всегда существенно влияет на протекание процесса и результаты обработки. Поэтому к нестационарным следует относить такие процессы, которые за счет переменных условий резания существенно изменяют его результаты — производительность обработки; стойкость инструмента, точность и качество поверхности изготовленной детали.
Наиболее широко нестационарные процессы резания распространены при механической обработке на станках с программным управлением, которые обеспечивают резание с режимами, изменяющимися по заданным законам. В отличии от них станки с адаптивным управлением процессом обработки обеспечивают непрерывное изменение режимов резания применительно к особенностям изготовляемой детали. Это достигается путем оснащения станков специальными системами. Процесс резания характеризуется большим числом параметров как первичных, так и вторичных. В общем случае любой из них может быть регулируемым. Поэтому структурную схему любого способа резания можно разложить на составные элементы. Если у таких элементов изменение входной величины влияет на изменение выходной, а изменение выходной величины при этом не влияет на изменение входной, то такой элемент в теории регулирования называют направленным (детектирующим). Основная цель оптимизации процесса обработки заключается в том, чтобы обеспечить определенную функциональную зависимость между изменениями ее нескольких переменных параметров последние делят на регулируемые и управляемые. Функциональная зависимость между указанными параметрами может осуществляться по двум схемам, достроенным по принципу разомкнутого или замкнутого цикла. Схема построения по принципу разомкнутого цикла обеспечивает необходимое значение вторичного параметра без сравнения, требуемого и действительного значения регулируемого параметра. Напротив, схема, построенная по принципу замкнутого цикла (обратной связи), обеспечивает сравнение этих величин. Более полное представление об обработке, а также эффективная оптимизация процессов за счет автоматического регулирования принятого метода обработки позволяют строить многоконтурные системы. Их можно строить в двух случаях: для более глубокого и полного анализа процесса обработки; для более эффективной оптимизации обработки резанием путем введения специальных элементов, осуществляющих обратную связь. При этом регулятор может находиться под воздействием одного или нескольких параметров системы. Регулятор может воздействовать как на первичные параметры, так и на параметры процесса резания и вторичные параметры.
Обычная система управления процессом резания представляет собой совокупность управляемого объекта — процесса, резания и управляющего устройства, изменяющего, например, режимы резания. Эти структурные схемы отображают системы односто- роннего действия, так как управляющее воздействие на процесс резания и вторичные параметры поступает только со стороны первичных параметров. Обратная связь, отражающая, например, получаемую стойкость инструмента, производительность обработки или замер отдельных физических параметров процесса резания (силы резания и температуры), информирует оператора о протекании процесса, не влияя при этом на сам процесс. Объектом регулирования по этой схеме являются все первичные параметры, каждый из них может быть Использован для оптимизации процесса резания. Однако в первую очередь в качестве регулятора используют изменения режимов резания (рис. 1 ). Регулирование процесса обработки в этом случае заключается в том, чтобы, исходя из знания первичных параметров, характеризующих выбранный тип заготовки (ее материал — м, размеры — р, припуск — Δ) и принятый метод обработки (станок — Ст, приспособление -Пр, инструмент — И, схема резания — Сх, технологическая среда — Ср), изменяя режимы резания, добиваются получения необходимых технологических параметров (точность — Тч, качество поверхности — Кп, стойкость Си и прочность Пи инструмента, производительность — Пр, экономичность — Эк). Оптимальные режимы резания должны обеспечить наиболее производительное и экономичное формообразование детали с выполнением заданных технических ограничений по точности обработки, качеству поверхности и другим эксплуатационным характеристикам.
Обработка резанием в общем случае относится к объектам многосвязного регулирования, поскольку она имеет большое число регулируемых величин, изменение каждой из которых вызывает изменение других регулируемых физических и вторичных параметров как в статике так и в динамике. В связи с этим обработку резанием можно отнести к классу систем с несколькими регулируемыми величинами, т. е. многосвязного регулирования. Выше была показана одна из основных связей, которая охватывает цепь первичные параметры — процесс резания — вторичные параметры. Элементы этой системы и связи между ними показаны сплошными линиями. Механическая обработка может быть представлена, в виде другой системы (рис. 2). Ее элементы и связи показаны штрихпунктирными линиями. В этом случае из элементов системы СПИД (первичных параметров) выделены режимы резания, рассматриваемые как регулятор.
Взаимодействие регулятора с основной системой позволяет рассмотреть следующую замкнутую систему: процесс резания — система СПИД. Результаты взаимо¬действия в этой замкнутой системе определяют вторичные (технологические) параметры. В эту систему могут быть введены «искусственные» обратные, связи 1—7. При рассмотрении структурной схемы механической обработки как объекта регулирования следует учитывать, что первичные параметры системы СПИД могут быть заданы независимо друг от друга, т. е. они являются независимыми. В отличие от них физические параметры, определяющие процесс резания, являются зависимыми. Например, изменение силы резания вызывает изменение температуры, и наоборот. Автоматическая система регулирования процесса резания представляет собой совокупность управляемого объекта — процесса резания и автоматического управляющего устройства, включаемого в систему СПИД. Любой процесс резания протекает нестабильно вследствие изменения припуска и физико-химических свойств материала обрабатываемой заготовки, износа инструмента, деформации системы СПИД и других факторов. Поэтому применение систем автоматического регулирования обеспечивает оптимальные условия в течение всего времени обработки. Системы автоматического регулирования процесса резания в зависимости от типа управляющего воздействия могут быть разделены на три вида: 1) стабилизирующие системы — поддерживающие постоянный управляемый параметр системы резания; онисохраняют постоянными, по мере обработки, значения одного или нескольких параметров, например термо-ЭДС (средней температуры резания) или силы тока, питающего электродвигатель станка при механической обработке; 2) программные системы — изменяющие управляемый параметр системы оезания в соответствии с заранее заданной закономерностью; З) следящие системы-изменяющие управляемый параметр системы резания в зависимости от неизвестного заранее значения переменной величины на входе автоматической системы. Системы этого, типа обеспечивают оптимальные условия обработки обычно с помощью модели, включаемой в автоматическую систему. Для этих систем применяют методы линейного программирования, систематического и случайного поиска, шаговой оптимизации по одному из параметров при фиксированных значениях остальных.
Для повышения эффективности механической обработки широко используют информационные предохранительные системы. Так, например, фирма Sandvic (Швеция) выпускает токарный резец с автоматической сменой твердосплавных режущих пластин. Установка, выверка и закрепление многогранной пластины выполняется автоматически по сигналу системы управления станка с помощью гидроцилиндра, размещенного в державке резца. Он управляется от гидросистемы станка. Погрешность установки пластины ±0,02 мм. Инструмент рекомендуется применять на токарно-копировальных автоматах, а также при чистовом точении на станках с адаптивным управлением.
Структурная схема автоматической системы управления процессом резания показана на рис. 2. Цепь воздействия автоматической системы управления можно разделить на две части; внутреннюю и внешнюю по отношению к процессу резания. Основной характеристикой регулирования является функция, определяющая зависимость параметра регулирования (например, силы резания или температуры — для обработки резанием, силы тока - для электрохимической обработки, давления инструмента — для анодно-механической) от основной величины, характеризующей объект регулирования (например, точности обработки резанием, рабочего зазора — для электрохимической и анодно-механической обработки). Из рис. 2 видно, что внутренние воздействия характеризуются функциями f, т. е. связями, оценивающими действие данного фи¬зического явления, составляющего процесс резания, на другое явление. По отношению к управляемому процессу резания система СПИД и регулятор оказывают на него внешнее воздействие. Основная цепь воздействия первичных параметров на процесс резания и системы резания на получающиеся технологические параметры определяется соответственно функциями Fпр, Fрв. Адаптивные системы обработки не только информируют оператора об условиях обработки, но и соответствующим образом изменяют процесс резания. Такая система обработки резанием является системой двустороннего (двунаправленного) действия. Системы автоматического регулирования создают для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия оператора, поддерживать оптимальные условия обработки. Они поддерживают постоянными или изменяют по заданному закону один или несколько параметров обработки. Всякая система автоматического регулирования имеет, по крайней мере одну обратную связь, обеспечивающую сравнение действительного и требуемого значения регулируемой величины.
Выбор критерия оптимальности, который обеспечит для данной операции конструктивно наиболее простую и вместе с тем эффективную систему регулирования, имеет решающее значение для правильного регулирования обработки резанием. Целью оптимизации процесса резания является обеспечение экстремума одного или двух вторичных параметров — производительности и экономичности при допустимых значениях остальных, т. е. точности и качества поверхности. Обеспечение этого является наиболее полным критерием оптимальности. Реализация систем автоматического регулирования по этому принципу обычно вызывает большие трудности. Поэтому изложенную выше задачу в общей постановке часто заменяют более простой адаптивной системой, у которой в качестве регулирующего параметра принимают один из физических показателей процесса резания. Имеются системы, регулирующие процесс резания путем изменения подачи 5 в зависимости от тангенциальной составляющей силы резания Рг (обратная связь на рис. 2) или изменения скорости резания v в зависимости от температуры резания t (обратная связь 2). Зачастую системы регулирования строят на основе учета специфических особенностей конкретной операции. Например, для глубокого сверления решающее значение имеет прочность длинного и тонкого стебля инструмента, его защемление удаляющейся по канавкам стружкой. Учитывая это, в МВТУ им. Н. Э. Баумана разработана система автоматического регулирования, использующая обратную связь 3.
Исходя из многофакторности процесса резания и тесной взаимосвязи явлений, его составляющих, ясно, что для любого метода обработки нельзя получить один универсальный критерий для регулирования. Однако для определенного типа операций, диапазона первичных параметров один из показателей может с определенной погрешностью характеризовать совокупность действия многих физических явлений и служить критерием для построения систем автоматического регулирования.
Системы программного и адаптивного управления должны удовлетворять также условиям обработки, которые" обеспечивают максимальную экономичность или производительность при изготовлении деталей в пределах технических условий, заданных на выполнение операций. Обычно эти условия сводятся в получению указанной на чертеже изготовляемой детали точности обработки и качества поверхности. Применение систем с ЧПУ особенно эффективно при изготовлении деталей сложного профиля при малой серийности выпуска. Наглядным примером этого является обработка на токарных станках зубьев протяжек.
Зубья протяжек нарезают фасонным твердосплавным инструментом за большое число проходов, при этом поперечные проходы чередуются в продольными. При производстве протяжек, например, на Свердловском инструментальном заводе около 75% партий протяжек содержат не более 20 деталей каждая, а 40% — не более 10 шт. Использование системы ЧПУ для операции токарной обработки зубьев протяжек за счет упрощения наладки и эксплуатации позволило освоить обслуживание одним человеком одновременно двух станков и повысить производительность в 1,5 раза. Для выполнения операций, подобных изложенной, можно использовать токарно-винторезный станок мод. 16К2ОФ2, выпускаемый заводом «Красный пролетарий». Этот станок имеет позиционную систему числового управления, обеспечивает автоматический выбор цикла обработки детали и выполнение каждого прохода с автоматическим регулированием режимов резания. Системы автоматического регулирования (САР) создают для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия оператора, поддерживать оптимальные условия обработки. Эти системы поддерживают постоянными или изменяют по заданному закону один или несколько параметров обработки. Всякая система автоматического регулирования имеет по крайней мере одну обратную связь, обеспечивающую сравнение действительного и требуемого значений регулируемой величины. Оптимизация процесса резания обеспечивает экстремум одного из вторичных параметров при достижении допустимых значений остальных. Наиболее полными критериями оптимальности являются основные вторичные параметры — экономичность, производительность, точность, качество поверхности. Построение САР по этому принципу на ряде операций вызывает большие трудности; поэтому изложенную выше задачу в общей постановке часто заменяют более простой, в которой в качестве регулирующего параметра принимают один из физических показателей процесса резания (силу, температуру, упругую деформацию системы СПИД или износ инструмента).
Способы получения информации о действительных значениях принятого показателя функционирования системы резания в каждый момент времени являются важнейшим критерием оценки качества адаптивной системы. Выбор параметра для регулирования данной операции зависит, с одной стороны, от комплекса технических и физических характеристик всей системы резания (станок — инструмент — процесс резания — обрабатываемая заготовка) и, с другой, от конструкции датчиков и усилительной аппаратуры системы автоматического регулирования. Датчики, формирующие один из принятых для регулирования критериев, через следящую систему станка с адаптивным управлением чаще всего управляют одним из параметров резания: подачей, скоростью резания, одним из углов резания (например - углом в плане) податливостью одного из звеньев системы СПИД (например, резцедержателя).
ЗУ1и ЗУ2 – задающие устройство соответствующих каналов подачи s и скорости Wос1 и Wос2 –передаточные функции цепей обратных связей; f(t)- возмущенное воздействие; R11- R16 передаточные функции объекта по управляющему воздействию второго канала; К21-К26 передаточные функции перекрестных связей в регуляторе; Е1-Е6 передаточные функции по возмущению.
Появились системы, автоматически регулирующие одновременно несколько переменных параметров резания. Эти системы классифицируют по следующим характерным признакам: 1) по структуре системы; 2) по назначению; 3) по методу управления; 4) по регулируемому параметру; 5) по регулирующему воздействию. Во многих случаях большую эффективность показывают системы адаптивного управления процессом резания с одновременным регулированием нескольких параметров. В этом случае система характеризуется как многосвязная, так как каналы регулирования оказывают взаимное влияние друг на друга. При работе такой системы наибольшее значение имеет учет перекрестных связей, обсловленных физическими особенностями процесса резания. Это объясняется приведенным выше рис. 2. Одна из схем системы регулирования с учетом рассмотренных особенностей процесса резания и возможных регулируемых параметров показана на рис.3. Управление процессом резания заключается в выборе критерия оптимальности, т. е. такого показателя выполняемой операции, который является наиболее важным для оптимизации процесса резания в целом, а также определения ограничений на другие показатели. Ю. М. Соломенцев в качестве исходного критерия для адаптивного управления обработки резания при¬нимает технологическую себестоимость изготовления детали. Это позволило ему разработать технологические основы комплексного управления процессом, которое включает одновременное управление точностью, износом режущего инструмента, шероховатостью поверхности, размерной настройкой и поднастройкой системы СПИД (при этом учитываются необходимые ограничения), в результате чего спроектированы, реализованы и исследованы многомерные системы адаптивного управления и доказана их эффективность. На базе станков с ЧПУ, управляемых от универсальных ЭВМ, создают автоматизированные участки и производства. При управлении определенным числом станков доля стоимости централизованной системы управления от ЭВМ, приходящаяся на один станок, оказывается меньше, чем стоимость индивидуального устройства ЧПУ. Функции, решаемые системой централизованного управления, делятся на три группы: 1) планирование и диспетчирование, т. е. учет хода производства и на основе этого перераспределение работ по станкам в зависимости от поступления заявок и исправности станков, выдача команд на подачу заготовок, инструмента и управляющих программ, составление отчетных документов о ходе производства; 2) непосредственное управление оборудованием; такие системы уже имеют коммутацию каналов связи ЭВМ с обслуживающими устройствами в соответствии со сменным заданием и ходом его выполнения, а также программное управление штабелерами и другими погрузочно-разгрузочными устройствами; 3) автоматизированная подготовка управляющих программ; такие системы производят расчет Данных и формирование кадров управляющих программ, их контроль; кроме того, они могут вносить коррекции по результатам обработки первых деталей. Уже разработано большое количество оптимизирующих и ограничивающих систем, обеспечивающих улучшение показателей обработки резанием.
В результате краткого обзора, исследовательской работы, были определены вопросы, решение которых необходимо для успешного развития работ по системам автоматического управления обработкой, и в том числе адаптивным системам: расчет основных параметров систем управления (устойчивости, точности, быстродействия), обеспечение САУ регулируемыми приводами и исполнительными механизмами, датчиками, усилителями и др.. Было отмечено, что для достижения реального технического и экономического эффекта выбор алгоритма системы управления обработкой должен решаться с учетом технико-экономических характеристик как проектируемого станка, так и процесса обработки на нем, в частности с учетом структуры динамических погрешностей обработки. В настоящее время методы выбора оптимальных алгоритмов управления обработкой не разработаны, что приводит зачастую к нерациональному выбору объектов для оснащения САУ. В то же время обоснованное и рациональное применение САУ, как показывает опыт, позволяет резко повысить точность и производительность обработки, снизить ее стоимость. Следует иметь в виду, что использование САУ должно привести к; принципиально новым конструкторским решениям при проектировании станков.
