Способ автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки

 

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА И ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ путем регистрации спектра ; виброакустической эмиссии (ВАЗ) и формирования сигнала управления скоРО .СТЫО обработки в функциии изменения интенсивности сиУнэла, пропорционального суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки заданного качества -формообразования поверхности) г рдаче и глубине резания, о т л и ч a ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и эффективности управления за счет получения дополнительной информации о параметрах и состоянии п|х}цесса, дополнительно регистрируют спектр колебаний сил резания, автоматически отделыю вцделяют из спектра сил и ВАЗ основную частотную составляю|цую , коррелированную с частотой основных периодичностей процесса стружкообразования, автоматически с ледят за ее изменением при,вариации скорости резания, регистрируют изменение величины нелинейных искажений (формы) основной частотной составляющей, выделенной в спектре ВАЗ, и в функции их изменения с приращением величины износа формируют сигнал об износе режущего инструмента , дифференцируют его по пути, пройденному инструментом, и определяют ;коррсть развития износа (интенсивность и изнашиваемость), затем, нормируют спектр сил и ВАЗ в функции изменения (приращения ) износа, формируют сигнал, пропорциональный переменной составляющей мощности резания, характеризующей разрушение Материала, и в функции приращения этого сигнала увеличивают скорость резания до перехода через экстремум сигнала, при этом ог0аничение повышения скорости обработки для некоторых материалов осуществляют тго заданному допусти мому значению скорости развития изiHoca , определяемого автоматически в процессе контрольной обработки.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СООИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИК,i58 В 23 В 25/06// В 23 g 1g/00

ОПИСАНИЕ:ИЗОБРЕТЕН, Я:::;::":

Н АВТОРСКОМ,К СВИД ЕТЕЛЬСТБУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3388695/25-08 (22) 01.12.81 (46) 23.06.83; Бюл. 11 23 (72) Г.Г.Палагнюк, В.Л.Заковоротный, В.l0.Дмитриев, В.И.Турчин и В.Д.Савельев (53) 621 ° 9,08(088.8) (56) 1. Суворов А.А. и др. Применение метода акустической эмиссии по исследованию обрабатываемости материалов резанием.-Известия вузов, "Машиностроение", 1979, N 3. (54)(57) .СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЦБО.

РА И ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЬЗХ РЕЖИМОВ

ОБРАБОТКИ путем регистрации спектра

; виброакустической эмиссии (ВАЭ ) и формирования сигнала управления скоростью обработки в функциии изменения. интенсивности си1.нала, пропорционального суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки зрения заданного качества -формообразования поверхности) прдаче и глубине резания, о т л и ч.а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и эффективности управления за счет получения дополнительной информации о параметрах и состоянии процесса, дополнительно регистрируют спектр колебаний сил резания, автоматичес-, SU„, 1024161 А ки отдельно выделяют из спектра сил и ВАЭ основную частотную составляющую, коррелированную с частотой основных периодичностей процесса стружкообраэования, автоматически с ледят за ее изменением при вариации скорости резания, регистрируют изменение величины нелинейных искажений (формы) основной частотной составляющей, выделенной в спектре

ВАЭ, и в функции их изменения с приращением величины износа формируют сигнал об износе режущего инструмента, дифференцируют его по пути, пройденному инструментом, и определяют скорость развития износа 3 (интенсивность и иэнашиваемость), затем. нормируют спектр сил и ВАЭ в функции изменения (приращения ) износа, формируют сигнал, пропорци- С ональный переменной составляющей мощности резания, характеризующей раз" рушение материала, и в функции приращения этого сигнала увеличивают скорость резания до перехода через экстремум сигнала, при этом ограничение повышения скорости обработки для некоторых материалов осуществляют по заданному допусти мому значению скорости развития из носа-, определяемого автоматически в процессе контрольной обработки.

1024161

Изобретение относится к автоматическому управлению процессом меха нической обработки, в частности к самонастраивающимся системам. Управ5 ления и системам измерения стойкостных параметров режущего инструмента.

Известен способ выбора оптимальных режимов резания на основе анализа . акустической эмиссии, который заключается е регистрации спектра акустической эмиссии (АЭ) и формировании сигнала управления скоростного резания в функции изменения интенсивности сигнала А3 пропорционально суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки зрения технологических требований .заданного качества формообразования поверхности) подаче и глубине резания 1.1).

В известном способе анализируется истинная акустическая эмиссия, обусловленная развитием трещин, передвижением дислокаций и другими факторами в диапазоне частот от 200 кГц и выше, далеко лежащим за пределами полосы пропускания упругой системы

СПИД. Информативность и разрешающая способность такого сигнала не вызывает сомнения и подтверждается и лучен30 ными экспериментальными данным . Од" нако при работе е цеховых условиях это приводит к тому, что наряду с полезными сигналами, возникающими в зоне резания, регистрируются посторонние шумы, существенно затрудняющие обработку получаемой информации.

Низкая точность оценки обрабатывае-. мости управления скоростного резания обусловлена тем, что.энергетические 40 уровни АЭ находятся также на уровне электромагнитных импульсных промышленных. помех, а оценку обрабатываемости производят путем сравнения относительной акустической энергии, выделяющейся на единице пути резания на основе управляющего сигнала, пропорционального произведению максимальной амплитуды АЭ на число акустических импульсов в единицу времени 50 или пути резания.

Кроме того, в законе изменения интенсивности акустического сигнала, в указанном диапазоне анализа при увеличении скорости резания наблю- 55 дается несколько экстремальных значений,. что затрудняет автоматический выбор оптимального режима обработки.

При этом требуется набор и обработка, статистических данных, полученных на основе пробных о .работок материалов.

Задача формирования управляющего сигнала усложняется и тем, что энергетические уровни акустической эмиссии увеличиваются (видоизменяются) с по еышением не только скорости резания, но и величины износа, твердости об- рабатываемого материала, температурных факторов, которые, в свою очередь, также зависят от скорости резания.

Целью изобретения является повышение точности и эффективности управления за счет получения дополнительной информации о параметрах и состоянии процесса резания.

Указанная цель достигается тем, что по способу автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки путем регистрации спектра виброакустической эмиссии (8A3) и формирования сигнала управления скоростью обработки в функции изменения интенсивности-сигнала, про. порционального суммарной энергии раз. рушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки зрения заданного качества формообразования поверхности ) подаче и глу" бине резания, дополнительно регистрируют спектр колебаний сил резания, автоматически отдельно выделяют из спектра сил и ВАЭ основную частотную составляющую, коррелированную с частотой основных периодичностей процесса стружкообразования, автоматически следят за ее изменением при вариации скорости резания, регистрируют изменение величины нелиней. ных искажений (формы) основной частот-, ной составляющей, выделенной в спектре ВАЭ, и в функции их изменения с приращением величины износа формируют сигнал об износе режущего инструмента, дифференцируют его по пути, пройденному инструментом, и определяют.скорость развития износа (интенсивность и изнашиваемость), затем нормируют спектр сил и ЭАЭ в фУнкции изменения износа, берут произве.дение амплитудных значений избран ных частотных составляющих спектра сил и ВАЭ и определяют переменную составляющую энергии (мощности ) разрушения обрабатываемого материала, а в функции приращения сигнала I1poизведения увеличивают скоРость ре1024161 зания до перехода сигнала, равного произведению, через максимум (экстремум), при этом ограничение повышения скорости резания для некоторых материалов осуществляют по заданному допустимому значению интенсивности изнашивания инструмента, определяемой в процессе контрольной обработки.

Сущность изобретения базируется . 10 на особенностях динамики процесса резания, изученных на основе анализа спектра колебательных сил и движений по трем координатам измерения в широком частотном диапазоне. При 15 этом для формирования сигнала, про.порционального составляющей мощности процесса резания, выделялись и анализировались композиционные составляющие колебательных сил и 2в скоростей движений, связанных с периодичностями процесса стружкообразо вания и релаксационными процессами трения по передней и задней поверх" ности режущего инструмента для слу" 25 чая чистового и чернового точению при вариации режимов обработки.При

-чистовом точении с увеличением скорости резания.(при глубине резания меньше 2 мм и постоянной оптималь- зо ной подаче с точки зрения качества формробраэования поверхности) на" блюдается увеличение составляющей мощности резания, равной произведению интегрального значения силы нв 35 скорость резания, в то время как переменная составляющая мощности. резания носит экстремальный характер. Последняя определялась на основе произведения переменной состав- > ляющей силы резания на скорость колебательных движений основных периодичностей процесса стружкообра" зования и.условия контактного взаимодействия инструмент-деталь.

Причем экстремум (перегиб кривой динамической составляющей мощности резания) наступает несколько раньше, чем ускоренное развитие интенсивности изнашивания режущего инструмента.

Последующее уменьшение переменной составляющей мощности резания 1 сигнала произведения переменной составляющей силы резания на колеба55 тельную скорость) при дальнейшем увеличении скорости обусловлено . влиянием температурных факторов на.релаксационные процессы трения по передней и .задней поверхности режущего инструмента и процесса стружкообразования.

Укаэанная особенность и легла в основу предложенного способа автоматического выбора и поддержания оптимальной скорости реза- . ния при чистовом точении.

На чертеже представлена блок-схема устройства,,реализующего способ.

Устройство содержит преобразователь 1, предварительный усилитель .

2, полосовой фильтр 3, фазовый детектор 4, усилитель-преобразователь 5, генератор 6, систему 7 начальной настройки блоков, ключевой полосовой усилитель 8, блок 9 усреднения, масштабный усилитель 10, блок

11 дифференцирования, схему 12 совпадения, систему 13 автоматической настройки задатчика, задатчик 14, многовходовой регистратор 15, блок

16 интегрировайия . . синхронный детектор 17., усилитель 18, блок 19 умножения, преобразователь 20, предварительный усилитель 21 масштабный усилитель 22, синхронный детектор

23, масштабный усилитель 24, блок

25 интегрирования, схему 26 сравнения, блок 27 задания напряжения и блок 28 управления.

Устройство работает следующим образом.

Спектр ВА3 регистрируют преобра-, зователем 1, установленным (например, при чистовом точении) в направлении действия отжимающей составляю щей силы резания Р>, выходной сигнал которого усиливают предварительным усилителем 2 с переменным коэффициентом усиления. и через полосовой фильтр 3 подают на фазовый детектор.

7, образующий с перестраиваемым гене- . ратором 6 и системой 7 начальной на- стройки блоков кольцо фазовой автома тической подстройки частоты (фАПЧ).

При этом интегральный уровень сигнала на выходе полосового фильтра 3 поддерживают автоматически постоянным эа счет введения обратной связи, образо ванной усилителем-преобразователем 5 переменного сигнала в постоянный с последующим интегрированием, включенным между выходом полосового .фильтра 3 и регулируемым элементом коэффициента усиления предварительного усилителя 2. Это вызвано тем, что при вариации (увеличении ) скорос1024161

15 ти резания изменяется частота и пере распределение энергетических уровней основных периодичностей процесса стружкообразования и релаксационного процесса трения по передней и зад" ней гранях режущего инструмента, лежацих в пределах. полосы пропускания . полосового фильтра 3, выбранного иск ходя из информативности, сигнала.

Для автоматического вйделения и слежения за основными информативными периодичностями процесса резания (стружкообраэования) прежде всего

Формируют опорный сигнал постоянной амплитуды .с частотой, равной основной избранной частоте периодичностей с помощью сдвоенного кольца ФАПЧ, образованного фазовым детектором 4, перестраиваемым генератором 6 и блоком 7 первоначального автоматического поиска и настройки генератора 6 по максимальному значению выходного сигнала фазового детектора 4, работа которого заключается в следующем.

Ч

Так как на сигнальный вход фазо-, вого детектора 4 подается сигнал с выхода полосового фильтра 3, интеграл по площади которого в заданном диапазоне поиска информативной частоты постоянен, а иа его второй вхоД подается опорное напряжение от перестраиваемого генератора 6 также в.заданном диапазоне анализа, fo в первоначальный момент времени в процессе контрольной обработки включают систему 7 автоматической настройки генератора 6 на поиск наиболее информативной частоты по максимальному значению выходного сигнала с фазового детектора 4. 8 дальнейшем при вариации режимов в процессе обработки выходное напряжение фазового детектopa 4 автоматически изменяет, подстраивает частоту генератора 6, поддерживая ее равной основной час" тоте релаксации процесса трения и стружкообразования, меняющейся с изменением скорости резания, так как включается в работу ФАПЧ. Таким образом, выходное напряжение постоянной амплитуды на выходе генератора 6 с частотой, равной частоте,основных периодичностей процесса стружкообраэования, в дальнейшем 1 используется как опорный сигнал для выделения наиболее информатив » ных частот из спектра сил и движения, для формирования сигнала о переменной составляющей мощности резания, а также для формирования полезного сигнала об износе инстру". мента и скорости его развития.

Учитывая то, что с вариацией режимов обработкфкорости резания) видоизменяются, йерераспределяются энергетические уровни всего спектра. а следовательно, и уровни информативных частот, коррелированных с изндсом, возникает задача поиска нового метода ФормирЬвания полез" ного сигнала рб износе, скорости его развития или интенсивности изнашивания. Задача усложняется еще и тем, что уровни основных периодичностей рвлаксационного процесса трения и стружкообразования изменяются не только при увеличении скорости резания, но и при изменении условия контакта в зоне резания, связанного с приращением (увеличением) величины, износа режущего инструмента как по задней грани (размерного износа), так и износа типа "лунка" в месте схода стружки по передней грани., Эта задача в предлагаемом способе решается путем формирования сигнала об износе на основе анализа изменения Фо мы (нелинейных искажений) основных периодичностей процесса трения и стружкообразования, связанных главным образом с развитием износа, для чего сигнал с выхода предварительного усилителя 2 подают на вход ключевого полосового усилителя 8, на управляющий (ключевой) вход которого подают . опорный сигнал с выхода перестраиваемого генератора 6 с частотой, равной частоте основных избранных периодичностей процесса стружкообразования. Таким образом, производят прямое преобразование широкополосного сигнала с выхода усилителя 2 посредством включения и выключения управляемого ключа . ключевого усилителя 8 через каждую половину периода опорного сигнала, снимаемого с выхода генератора 6.

Затем для выделения постоянной составляющей сигнала, пропорциональной величине несимметричных нелинейных искажений, а следовательно, величине износа, сигнал с выхода ключевого усилителя 8 подают на вход блока 9 усреднения или интегратор с последую1024161

50 щей подачей его на один из выходов многовходового регистратора 15 как полезный выходной сигнал об износе.

В свою очередь, для исключения влияНия. приращения величины износа на энергетические уровни частот основных периодичностей сигнал, пропорциональный приращению величины износа, через масштабный усилитель 10

10 подают на второй управляющий вход предварительного усилителя 2 для нор: мирования в функции его приращенйя.

Затем формируют выходной полезный сигнал о скорости .развития износа инструмента (или интенсивности его изнашивания), несущий такую важную дополнителЬную информацию в процессе резания, как обрабатываемость материала.

Для этого выходной сигнал об из" носе с выхода блока 9 программно. дифференцируют блоком 11 по времени или пути, пройденному инструментом, а через схему 12 сравнения подают на

25 второй вход многовходового регистратора 15.

Величину допустимого значения интенсивности изнашивания определяют и запоминают автоматически в процессе контрольной обработки с помощью системы 13 автоматической настройки задатчика 14 регистрации допустимой . величины контролируемого!параметра.

Затем его подают для сравнения на второй вход схемы 12 с текущим значе 35 ниам скорости приращения величины износа, регистрируемого в процессе последующей обработки при выборе оптимальных. скоростей резания.

Для формирования управляющего

40 сигнала скорости обработки в функции переменной составляющей мощности резания, связанной,с релаксацией энергии разрушения обрабатываемых материалов, выходнои сигнал предва45 рительного усилителя 2 в дополни- тельном канале интегрируют блоком

16 для регистрации колебательных сКО. ростей, так как акселерометром 1 преобразователем виброакустической эмиссии ) регистрируют колебательные ускорения. Затем подают его на синхронный детектор 17 для выделения основных периодических процессов стружкообраэования, на второй вход которого приложено ранее сформированное опорное на- . пряжение с выхода генератора 6,,8

1 равное частоте основных периодичностей процесса стружкообраэования и релаксаций процесса трения.

В свою очередь, выходное .напряжение синхронного детектора 17, пропорциональное колебательной скорости периодичностей стружкообраэования, через усилитель !8 по дают на блок 19 умножения, на второй вход которого подают сйгнал, пропорциональный величине переменной составляющей силы резания с часто" той, равной основным периодичностям процесса стружкообразоваНия. Последний формируют путем регистрации спектра колебательных сил в направлении действия Р>, регистрируемого преобразователем 20. Затеи аналогично выделению колебательной скорости смещении инструмента с частотой основных периодичностей процесса. стружкообразования усиливают предва-. рительным усилителем 21, нормируют выходной сигнал его в функции изменения износа путем изменения коэффициента усиления усилителя 21 сигналом, пропорциональным износу, подаваемым на управляющий вход усилителя 21 с выхода блока 9 через мас" штабный усилитель 22.

После предварительного усиления и нормирования сигнала спектра сил выделяют из него основную периодическую составляющую, равную, частоте

1 процесса. стружкообразования, с помощью синхронного детектора .". на второй вход которого также подают

l опорное напряжение с блока 6. Выделенный сигнал, пропорциональный величине переменной составляющей силе резания через масштабный усилитель 24, также подают на второй вход блока 19 умножения, выходной сигнал которого пропорционален активной переменной составляющей мощ ности резания, интегрируют (усредняют) блоком 25, сравнивают схемой

26 с заданным напряжением блока 27, соответствующим установленной априорно начальной скорости резания, и в функции суммарного значения сигнала управляют скоростью резания.

При этом выбор и поддержание оптимальной скорости резания осуществляется автоматически в сторону повышения скорости резания в функции приращения сигнала, пропорционального актив. ной переменной составляющей мощности

1024161, 10 резайия, переходящей через максимум . f экстремум1, который наступает несколь» ко раньше, чем приращение сверхдопустимой величины интенсивности изнашивания (скорости развития износа) 5 с увеличением режимов обработки. Для некоторых обрабатываемых материалов (например, специальных сплавов) огра ничение (коррекция скорости резания) осуществляется дополнительно сигналом,1О пропорциональным допустимому значению интенсивности изнашивания, так как в таких случаях может отсутствовать явно выраженный экстремум.

Появление новых труднообрабатываемых материалов, широкая автоматизация и механизация технологических процессов порождают потребность в новых способах и устройствах автоматического выбора и поддержания оптимальных ре- 20 жимов обработки, исключая тем самым ,трудоемкие экспериментальные исследования по определению традиционных априорных зависимостей установления

Фиксированных оптимапьных режимов об-:25 работки. Предлагаемый способ управле- ния процессом механической о 5ра-, ботки позволяет автоматически корректировать заниженную наперед заданную скорость, выбирать и поддерживать on" тимальную скорость резанйя с учетом различных физико-механических индивидуальных свойств материалов обрабатываемой детали и инструмента,отображающихся в особенностях формирования периодичностей процесса стружкообразования и релаксационных процессов трения. Использование предлагаемого способа позволяет. значительно повысить производительность, точность и эффективность обработки, коэффициент загрузки станочного оборудования, его эксплуатационную и технологи ческую надежность за,счет автома-; тического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки, получение полной информации о стойкостйых параметрах режущего инструмента, обрабатываемости материалов, что в конечном итоге приводит к значительному снижению себестоимости обрабатываемых деталей.

ВНИИПИ Заказ 4285/ 7

Тираж 1106 Подписное

Филиал ППП "Патент", г,ужгород,ул.Проектная,4