ENGLISH      UKRAINIAN

         Основной целью машиностроительного производства является выпуск продукции необходимого количества, с параметрами качества, удовлетворяющими требованиям потребителей, и с минимально необходимыми затратами на ее производство. В соответствии с этим, современное машиностроение характеризуется широким применением принципа концентрации операций.

        В условиях единичного, мелкосерийного, среднесерийного производства автоматизация рабочего цикла означает применение гибкой автоматизации при выполнении всех основных и вспомогательных переходов по изготовлению различных деталей. Решение этих задач обеспечивается путем применения станков с ЧПУ, многоцелевых станочных модулей, используемых в составе ГПС и применения специальных систем, обеспечивающих реализацию гибкой безлюдной технологии.

        При применении гибких производственных систем появляются некоторые затруднения с использованием полного ресурса инструмента. В ГПС уровень режимов резания занижен на 60-70% относительно нормативных в предположении, что более низкие скорость резания и подача гарантируют более стабильную работу инструмента. В действительности, на пониженных режимах разброс стойкости инструмента – до 200%. Из-за этого приходится уменьшать расчетное значение периода стойкости, чтобы гарантировать заданный ресурс работы инструмента до его смены.

        По данным МСТАНКИН период стойкости твердосплавного инструмента для станков с ЧПУ приблизительно равен 10-12 мин (а рекомендуемый по справочной литературе – 30-60 мин). Это приводит к частой смене годных инструментов.

        Вторая проблема – это широкий разброс припусков, оставляемых на механическую обработку, в связи с износом оборудования на заготовительных работах.

        Это приводит к изменению режимов резания и, в связи с этим, к быстрому износу инструмента и системы в целом. Кроме того, отказы инструмента являются причиной более 50% нарушений работоспособности станков с ЧПУ.

        При автоматизированной обработке перспективным направлением является объединение внешней и внутренней оптимизации.

        Внешняя оптимизация – это предварительный расчет параметров обработки: марки инструментального материала, конструктивно-геометрических параметров инструмента, моделей станка, требований к его техническому состоянию, разбивку припуска на переходы и так далее.

        Внутренняя оптимизация – это коррекция управляемых параметров в процессе резания с целью минимизации негативного влияния возмущающих фактров для достижения максимальной производительности, точности и качества поверхности.

        В условиях автоматически перенастраиваемого производства невозможно заранее на стадии программирования определить оптимальные режимы резания с учетом совокупного действия ряда случайных и сиcтематически действующих факторов. Поэтому управление режимами обработки, и, в частности, управление подачей S и скоростью резания V, необходимо осуществить непосредственно на станке с учетом состояния технологической системы и характера процесса резания.

        Для избежания данных проблем при автоматизированной обработке перспективным направлением является применение адаптивных систем управления, что позволяет объединиться внешней и внутренней оптимизации и воздействовать выходными параметрами режимов резания на изменение их величин.

        Целью моей магистерской работы является разработка методов для повышения эффективности обработки деталей машин на станках с ЧПУ. Такое повышение позволит не только повысить стойкость режущего инструмента в 2-3 раза, но и снизить динамическую нагруженность, повысить производительность станков с ЧПУ за счет использования рациональных режимов резания.

        Задачами моей магистерской работы являются:

            В исследовательской части:

1. Анализ изменений сил резания при изменении режимов обработки.
2. Установление распределения припуска поковок.
3. Расчет конструктивных параметров и нагруженности упругого элемента сенсора.

            В конструкторской части:

1. Проектирование оправки с гидропластом, использующейся при изготовлении детали типа «стакан» – датчика для адаптивной системы.
2. Проектирование приспособления, использующегося на фрезерной с ЧПУ операции для изготовления детали типа «стакан».

         Значительный вклад в исследование систем адаптивного управления обработкой на станках с ЧПУ внесли следующие ученые: Захидов А. Я., Аюпов Р. Х., Солодовников В. В., Старков В. К., Болтян А. В., Горобец И. А., Соломенцев Ю. М., Воловельская С. Н., Жилин А. И., Кулиш С. А., Сивый В. Б., Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. и многие другие ученые.

        Одной из актуальных задач современного машиностроения является разработка и создание адаптивных устройств управления оборудованием с ЧПУ, при этом адаптивное устройство управления должно учитывать состояние технологической системы, характер процесса обработки и другие выходные параметры, влияющие на выбор режимов резания механической обработки. Однако, поскольку на процесс обработки оказывает влияние множество изменяющихся факторов, то заранее затруднительно ввести в программу обрабоки заготовки рациональные режимы резания.

        Оперативное управление процессом производства заключается в выработке управляющих воздействий, благоприятствующих его проектированию. Характерная особенность указанного процесса – нестабильность и частые технологические остановки, вызываемые большим количеством возмущений и отклонениями режимов работы. Это диктует необходимость разработки оптимальной СУ учетом изменения режимов работы оборудования и квазистационарности самого процесса. АСУ с фиксированными параметрами настроек не обеспечивает качественного, а иногда и устойчивого управления сложной технологией, поэтому, используя законы управления, функционирующие в зависимости от текущих параметров технологического процесса, требуется создать АСУ на базе принципов адаптивного управления.

        Параметры настроек СУ необходимо периодически корректировать методами адаптивной настройки.

        Структура системы управления предлагается двухуровневой. На нижней ступени производится автоматическое управление по самонастраивающейся системе, на верхней – оптимальное управление с помощью математических моделей кинетики и статики. Рассмотрим принцип настройки параметров самонастраивающейся СУ (рис. 1) методом алгоритмической адаптации. Технологический процесс вместе с СУ задается в виде эталонной модели интеграла свертки, где импульсная переходная функция (ИПФ) вычисляется решением однородного дифференциального уравнения с учетом соответствующих начальных условий. Операция интегрирования выступает в качестве своеобразного сглаживающего фильтра высокочастотных помех z(t) в составе входного сигнала. Уравнение для h(t) определяется из общей передаточной функции объекта СУ, поэтому в структуру выражений для a_i и b_i входят параметры, характеризующие данную систему.

        Далее с учетом требуемого запаса устойчивости и других динамических свойств привлекаются стандартные методы оценки оптимальных параметров в урaвнениях для ИПФ a_i=a_i⁰, b_i=b_i⁰.

        Таким образом, эталонная модель в виде интеграла свертки с применением уравнений для ИПФ позволяет при любом измерении вектора входных переменных вычислить исходную переменную на основе принципа суперпозиции и сглаживания высокочастотной помехи z(t) .

        Для непрерывного управления режимами резания в процессе механической обработки заготовки на станке с ЧПУ предлагается следующая функциональная схема адаптивного устройства управления (АУУ) (рис. 1).

        Важной задачей АУУ является определение мгновенных усилий резания при обработке заготовки.

        Изменение силы резания при равенстве прочих параметров определяем как

        где – колебание припуска заготовки;

         – колебания поверхности заготовки.

         Из приведенных двух факторов наибольшеее влияние на изменение силы резания оказывает колебание припуска. Наибольшую актуальность этот вопрос имеет при черновой обработке заготовки на токарных станках с ЧПУ.

         где КВ – корректирующее воздействие,

         ИДК – исходные данные для контроля,

         ИДП – исходные данные для принятия решения,

         ПД – программы для диагностирования,

         ПК – программы для контроля

         ДК – датчик контроля,

         РД – результаты диагностирования,

         РК – результаты контроля,

         СПУ – система программного управления станком.

1) сбор информации;
2) ее оценка и выявление отклонений от нормы, установленной исходными данными;
3) принятие решения и выработка корректирующего воздействия, ликвидирующего обнаруженные отклонения;
4) ввод корректирующего воздействия (воздействий).

         Важным вопросом при создании адаптивных систем является выбор источников информации. Источники информации во многом определяют статическую характеристику системы и влияют на эффективность системы управления. Прямое измерение размера динамической настройки, т.е. измерение отклонений между режущими кромками инструмента и базами, определяющими положение заготовки, представляет значительные трудности. Поэтому используют косвенные методы измерения, основанные на измерении упругих перемещений в отдельных стыках или в специально встроенных динамометрических устройствах.

         Изменение силы резания при всех остальных неизменных параметрах определяется колебаниями припуска и твердости поверхности материала заготовки. Из этих двух факторов наибольшее влияние оказывает колебание припуска заготовки. Особенно это будет проявляться при операциях черновой обработки (т. е. операциях обработки исходной заготовки).

         В результате исследований МСТАНКИН установлены уравнения статических характеристик припуска штамповок, получаемых на молотах и прессах. Для поковок, получаемых свободной ковкой, не установлено закона распределения колебаний припуска. В то же время на заводах единичного и мелкосерийного, среднесерийного производства, к которым относятся заводы горного машиностроения, наиболее распространенным способом получения исходных заготовок является метод свободной ковки. Поэтому, для установления закона распределения колебания припуска поковок, полученных свободной ковкой, были проведены измерения диаметральных размеров поковки типа вал-шестерня, изготовляемой ОАО «Ясиноватский машиностроительный завод»

         В результате анализа полученных данных установлено, что колебания припуска поковки являются случайной величиной, распределенной по закону Вейбула (в этом случае критерий Романовского меньше трех).

         Плотности распределения колебаний припуска описываются выражениями:

         для диаметра 67 мм:

         для диаметра 108,5 мм:

         Так как мы рассматриваем процесс черновой обработки, критерием которого является максимальная производительность, то будем использовать адаптивную систему предельного регулирования – поддержание в процессе обработки силы резания , где P_{z пр} – предельно допустимая сила.В соответствии с рекомендациями Старкова В.К., при колебаниях припуска от его среднего значения до 20% целесообразно изменять подачу на 20-25% а скорость резания на 10%. С учетом этого, а также разбиения частоты вращения шпинделя на диапазоны, в качестве переменной управления принимаем продольную подачу. Тогда закон изменения продольной подачи S:

         где C_v – постоянная скорости резания,

         t – глубина резания,

         v – скорость резания,

         a, x, x, n, d, y, m – показатели степени.

         Закон изменения продольной подачи выражается зависимостью:

        При тангенциальной составляющей силы резания

        получим S=C_p f(t), где

        Влияние изменения подачи на шероховатость поверхности учитывается неравенством:

        где – это есть ограничение подачи по шероховатости поверхности.

        Поскольку в адаптивном устройстве правления целесообразно учитывать мгновенную величину сил резания, то в качестве сенсорного устройства используем специальный тензометрический преобразователь, выполненный в виде втулки, на поверхностях которого закреплены тензорезисторы.

        В предлагаемой конструкции сенсорные устройства служат опорами подшипникам вала инструментальной револьверной головки токарного с ЧПУ станка.

        Конструктивные параметры тензометрического устройства (рис. 2) позволяющие производить измерение усилий, определяются нелинейной зависимостью:

        где δ – толщина стенки втулки,

         R – расчетный корпус кольца,

        W_u – момент сопротивления изгибу.

        Но

        где D, d – средний и наибольший диаметры проточек измерительного кольца.

        С другой стороны

        где M_u – изгибающий момент в сечении измерения кольца,

        [σ]u – допускаемое по чувствительности тензорезисторов напряжение изгиба. Решив нелинейное уравнение третьей степени, определим значение конструктивного параметра δ.Так, для станка модели 16К20Ф3 при использовании модели подшипника №46215 ГОСТ 831-54 величина δ из стали 30ХГСА ГОСТ 4543-74 составляет 2 мм.

        Далее мы разрабатываем комплект технологической документации для детали типа «стакан» и проектируем приспособление для фрезерной с ЧПУ операции технологического процесса получения данной детали.

        Таким образом, разработанная методика позволяет, учитывая действительные мгновенные значения сил резания, повысить производительность станков с ЧПУ за счет использования рациональных режимов резания и рассчитать конструктивные параметры тензометрических устройств управления параметрами режимов резания станка.

ENGLISH      UKRAINIAN