Устройство для управления станком с выдвижным шпинделем

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКОМ С ВЬЩВИЖНЫМ ШПИНДЕЛЕМ, содержащее первый и второй алгебраические сумматоры, подключенные первыми входами к задающему входу устройства, вторыми входами - к выходам соответственно датчика выдвижения шпинделя и первому выходу блока коррекции, а выходами через соответствующие преобразователи цифро - аналог - к входам привода главного движения, третий и четвертый алгебраические сумматоры, соединенные первыми входами с задающим входом устройства, вторьгми входами соответственно - с вторым выходом блока коррекции и с выходом датчика силы резания и вибрации, а выходами через соответствующие вторые преобразователи цифро-аналог - с входами привода подачи, первый и второй сумматоры, подключенные выходами к входу блока кор рекции, а первыми и вторыми информационными входами соответственно к первому и второму выходам блока сравнения с памятью, связанного входами с выходами первого и второго преобразователей аналог - код, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства , в него введены фильтр частот, инвертор и третий преобразователь (Л аналог - код, подключенный входом к выходу датчика величины вьщвижеС ния шпинделя, первыми выходами к третьим информационным входам с с первого и второго сумматоров, а вторым выходом - к управляющему входу второго сумматора и к входу инвертора , соединенного выходом с управляющим входом первого сумматора , причем выходы фильтра частот подключены к входам первого и втосо рого преобразователей аналог - код, СО СО а вход - к выходу датчика силы резания и вибрации.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А (19) (11) 05 В 19 19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCXOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3449082/18-24 (22) 03.06.82 (46) 15.08.84. Бюл. Р 30 (72) Л.И. Карпенко, К.И. Палк и Н.M. Звонарев (71) Особое конструкторское бюро станкостроения (53) 621.503.55(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

У 1509089, кл. С 05 В 19/02, 1978.

2. Системы автоматического управления станками. Сб. Под ред.

Ю.Е. Михеева. M., "Машиностроение", 1978, с. 246-249. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

СТАНКОМ С ВЫДВИЖНЫМ ШПИНДЕЛЕМ, содержащее первый и второй алгебраические сумматоры, подключенные первыми входами к задающему входу устройства, вторыми входами — к выходам соответственно датчика выдвижения шпинделя и первому выходу блока коррекции, а выходами через соответствующие преобразователи цифро — аналог — к входам привода главного движения, третий и четвертый алгебраические сумматоры, соединенные первыми входами с задающим входом устройства, вторыми вхо— дами соответственно — с вторым выходом блока коррекции и с выходом датчика силы резания и вибрации, а выходами через соответствующие вторые преобразователи цифро-аналог — с входами привода подачи, первый и второй сумматоры, подключенные выходами к входу блока коррекции, а первыми и вторыми информационными входами соответственно— к первому и второму выходам блока сравнения с памятью, связанного входами с выходами первого и второго преобразователей аналог — код, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности устройства, в него введены фильтр частот, инвертор и третий преобразователь аналог — код, подключенный входом к выходу датчика величины выдвижения шпинделя, первыми выходами— к третьим информационным входам первого и второго сумматоров, а вторым выходом — к управляющему входу второго сумматора и к входу инвертора, соединенного выходом с управляющим входом первого сумматора, причем выходы фильтра частот подключены к входам первого и второго преобразователей аналог — код, а вход — к выходу датчика силы резания и вибрации.

108393

l0

25

40

1 1

Изобретение относится к станкостроению, в частности к системам адаптивного управления станками е

Известна система управления станком, измеряющая вибрацию и поперечную силу, действующую на инструмент, содержащая устройство программного управления, приводы перемещения органов станка, а также датчик вибраций и усилий резания, установленный на шпинделе станка, фильтры высокой и низкой частоты, подключенные к датчику, два блока сравнения и суммирующий блок, служащий для управления мощностью на шпинделе. Система предназначена для поддержания оптимальных режимов резания и нагрузки на выдвижной шпиндель.

В данной системе управления в качестве датчика использован пьезоэлектрический кристалл, расположенный в непосредственной близости к режущему инструменту.

Механические усилия от динамического воздействия режущего инструмента на деталь, а также вибрации режущего инструмента вызывают появление электрического сигнала на выходе датчика. Сигнал с датчика усиливается и подается на оба фильтра. Выходной сигнал фильтра высокой частоты является функцией вибраций, выходной сигнал фильтра низкой частоты является функцией поперечного (бокового) усилия. Выходной сигнал с фильтров подается на выпрямители и далее — на инвертирующие усилители, где происходит сравнение с опорными напряжениями, пропорциональными боковому усилию и вибрации. Выходной сигнал с инвертирующих усилителей передается на суммирующий усилитель, где происходит сравнение с запрограммированным (эталонным) напряжением. Результирующий сигнал поступает на исполнительный привод органа станка, и устанавливается такая скорость подачи, при которой вибрации не превышают заданного граничного значения «1g. вается опосредственно путем сравнения с заранее жестко заданным опорным напряжением, и оно не изменяется в процессе обработки детали при изменении условий резания, в том числе и при изменении величины выдвижения шпинделя. При этом не выделяются составляющие вибраций, обусловленные воздействием различных факторов (износ инструмента, нестационарность параметров системы СПИД). Это сужает функциональные возможности системы и управляемого ею станка.

Наиболее близкой к изобретению является адаптивная поисковая система с экспериментальным определением оптимального режима для фрезерного станка, содержащая блок задания программы, устройство для поиска оптимального режима, включающее в себя блоки обработки входной информации, вычисления критерия оптимальности и блоки, осуществляющие оптимизацию критерия. Станок оснащен датчиками крутящего момента, температуры в зоне резания и относительных колебаний инструмента и заготовки.

Блок обработки входной информации выполняет функции вычисления и функции ограничения максимальной и минимальной подачи на эуб фрезы, максимальной и минимальной частоты врашения шпинделя, максимального уровня вибраций, максимального крутящего момента резания, максимальнои мощности на валу шпинделя.

Блоки вычисления критерия оптимальности непрерывно определяют его значение в соответствии с заданной формулой, при этом все константы вводятся оператором.

Таким образом, известная систе45 ма содержит устройство числового программного управления, соединенное с приводами подач и главного движения, а также датчики силы резания и вибраций, размещенные на шпиндельном узле и подключенные выходами через усилители-преобразователи и блок сравнения и хранения информации к блоку вычисления критерия оптимизации, выход которого

Однако в такой системе не обеспечивается оптимальный режим обработ-55 ки (с учетом влияния вибраций, например, при износе инструмента), так как величина вибраций учитычерез блок коррекции соединен с

УЧПУ 2 4.

В рассматриваемой системе датчики обратной связи по перемещению

-1108393 рабочих органов станка связаны только с УЧПУ и не используются для получения информации о состоянии СПИД (в том числе о выдвижении шпинделя) в вычислении критерия оптими- 5 зации. Это ограничивает технологические возможности системы, так как ее можно применять лишь на станках со стационарными характеристиками СПИД °

Однако при обработке деталей на станках с выдвижным шпинделем предельно допустимая нагрузка на инструмент или максимальная сила резания зависят сложным образом от величины выдвижения (вылета) шпинделя относительно жесткой опоры (переднего подшипника), динамических характеристик системы СПИД, а также от материала обрабатываемого изделия и свойств режущего инстру- 20 мента. Эта зависимость для кажцого конкретного станка может быть определена расчетным или экспериментальным путем. Превышение максимального значения силы резания приводит к изменению характеристик системы СПИД, износу инструмента, а также возникновению вибраций, ухудшению частоты обрабатываемой поверхности 30 детали и к поломке инструмента, тем самым снижая надежность системы.

Цель изобретения — повышение надежности устройства управления станком путем введения в процесс управления обработкой функциональной зависимости силы резания и амплитуды вибраций выдвижного шпинделя от величины выдвижения (вылета) этого шпинделя. 40 дом датчика силы резания и вибраций, а выходами через соответствующие вторые преобразователи цифра — аналог — с входами привода подачи, первый и второй сумматоры, подключенные выходами к входу блока коррекции, а первыми и вторымиинформационными входами соответственно — к первому и второму выходам блока сравнения с памятью, связанного входами с выходами первого и второго преобразователей аналог — код, дополнительно введены фильтр частот, инвертор и третий преобразо.-. ватель аналог — код, подключенный входом к выходу датчика величины выдвижения шпинделя, первыми выходами — к третьим информационным входам первого и второго сумматоров, а вторым выходом — к управляю- щему входу второго сумматора и к входу инвертора, соединенного выходом с управляющим входом первого сумматора, причем выходы фильтра частот подключены к входам первого и второго преобразователей аналогкод, а вход — к выходу датчика силы резания и вибраций.

Такое выполнение устройства позволяет ввести в процесс управления информацию о вибрации выдвижного шпинделя нри выдвижении его на различную величину (при разных вылетах) и обеспечить обработку детали при оптимальном усилии резания независимо от износа инструмента и нестационарности характеристик системы

СПИД. Поэтому введение в процесс управления обработкой на станках с выдвижным шпинделем управляющего сигнала в функции силы резания и

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления станком с выдвижным шпинделем, содержащее первый и второй алгебраи4 ческие сумматоры, подключенные первыми входами к задающему входу устройства, вторыми входами — к выходу соответственно датчика выдвижения шпинделя и первому выходу блока коррекции, а выходами через соответствующие преобразователи цифро — аналог — к входам привода главного движения, третий и четвертый алгебраические сумматоры, соединенные первыми входами с задающим входом устройства, вторыми входами соответственно — с вторым выходом блока коррекции и с выховибраций от величины выдвижения шпинделя с учетом материала заготовки и свойств режущего инструмента расширяет функциональные возможности системы управления станком и повышает ее надежность.

На чертеже приведена схема устройства для управления станком с выдвижным шпинделем.

Устройство содержит первый, второй, третий и четвертый алгебраические сумматоры 1-4, первые преобразователи 5 цифро — аналог, привод 6 главного движения, датчик 7 выдвижения шпинделя, третий преобразователь 8 аналог — код, инвертор 9, вторые преобразователи 10 цифро

1 I 08393

15

25 аналог, привод 11 подачи, датчик 12 силы резания и вибраций, фильтр 13 частот, первый и второй преобразователи 14, 142 аналог — код, блок

15 сравнения с памятью, первый и второй сумматоры 16„, 16, блок коррекции 17.

Алгебраические сумматоры 1-4 представляют собой набор элементов памяти, в которых хранится предварительно вводимая информация расчетной степенной зависимости силы резания р и амплитуды вибраций от величины выдвижения шпинделя т. е, F>, 8< = f (ь) . В элементах памяти, r одержащих определенное количество ячеек памяти (в каждую из которых записывается однобитовая информация), записаны предварительно рассчитанные и протабулированные значения зависимости F<, (p =

= E(P). На адресные входы и вход

"Выбор микросхемы" элементов памяти алгебраических сумматоров 1-4 подается информация в виде 4- и

8-разрядных двоичных кодов. Адресуясь к конкретным ячейкам памяти алгебраических сумматоров 1-4, на выходе этих ячеек получаем ранее записанную информацию в виде кода числа, пропорционального силе резания., амплитуде вибраций и величине выдвижения шпинделя. Эта информация поступает на управляющие входы первых 5 и вторых 10 преобразо35 вателей цифро — аналог, изменяя крутизку их преобразования, а следовательно, и скорости приводов главного движения и подачи. Преобразователи 5 и 10 выполнены на интег40 ральных микросхемах серии 572 ПА1.

Привод 6 главного движения выполнен в виде замкнутой системы регулирования скорости двигателя постоянного тока. Изменение напряжения на выходе преобразователя 5 цифро-аналог автоматически приводит к пропорциональному изменению скорости вращения вала двигателя и соответственно скорости обработки

50 (резания).

Датчик 7 выдвижения шпинделя индуктивный циклический датчик перемещения типа "индуктосин".

Третий преобразователь 8 аналог код предназначен для преобразования аналогового циклического сигнала с датчика 7 выдвижения шпинделя в код и может быть реализован на интегральной микросхеме 572 ПВ1.

Инвертор 9 служит для инвертирования старшего разряда четырехразрядного двоичного кода, поступающего на его вход с третьего преобразователя 8 аналог — код.

Привод 11 подачи выполнен в виде замкнутой системы регулирования скорости перемещения рабочего механизма станка. Изменение напряжения на выходе преобразователя 10 цифроаналог автоматически приводит к пропорциональному изменению скорости перемещения.

Датчик 12 силы резания и вибраций мембранного типа с электромагнитным преобразованием изменения давления в гидростатической опоре выдвижного шпинделя в электрический сигнал, поступающий на фильтр

13 частот, выполненный на операционных усилителях в виде активных фильтЪ ров высокой и низкой частот.

Первый и второй преобразователи

14, и 14 аналог — код служат для преобразования сигналов о величине силы резания и амплитуде вибраций после фильтра 13 частот в восьмиразрядный двоичный код.

Блок 15 сравнения с памятью предназначен для непрерывного сравнения текущей информации о величине силы резания и амплитуде вибраций, поступающей в виде двоичного кода с преобразователей 14, с их максимально допустимыми значениями, записанными в память. Блок 15 выполнен на интегральных микросхемах серии 561 ИП2.

Первый и второй сумматоры 16 и 167 служат для передачи текущей информации при значениях силы резания и амплитуды вибраций, не пре— вышающих максимально допустимую величину, и запрещают ее передачу при значениях, превышающих допустимые значения. Первый и второй сумматоры реализованы на интегральных микросхемах серии 176 ИРЗ.

Блок 17 коррекции презназначен для выбора оптимальных значений величин подач S и скорости резания

V (оборотов шпинделя) с учетом текущих значений силы резания, амплитуды вибраций и величины выдвижения шпинделя, т.е. для реализации зависимости S = f (Р, 4,, () и

11083 де восьмиразрядного двоичного кода, характеризующий величину текущего значения силы резания, сравнивается с записанным в памяти максимально допустимым значением и передается через первый сумматор 16„ на

35 блок 17 коррекции, если сила резания меньше максимально допустимого значения. На первом выходе блока

17 коррекции при этом формируется код, соответствующий увеличению

40 скорости вращения двигателя привода главного движения. Сформированный таким образом код подается на вторые входы алгебраических сумма" торов 1 и 2 на выходе которых полуУ

45 чим число, пропорциональное оптимальному значению силы резания при данной скорости вращения шпинделя и данном значении вылета шпинделя.

Это число преобразуется первым преобразователем 5 цифра-аналог в напряжение и подается на привод 6 главного движения, число оборотов двигателя (и шпинделя соответственно) которого прямо пропорционально величине этого напряжения.

Со второго выхода фильтра 13 частот сигнал через второй преоб7 (РР, (>, К). Блок 17 может быть реализован на интегральных микросхемах серии 573 РФ2.

Устройство работает следующим образом.

На приводы подачи 11 и главного движения 6 в соответствии с запрограммированным режимом и технологией обработки детали подаются сигналы управления скоростями подачи и 10 резания. На выходах датчиков силы резания и вибрации 12 и величины выдвижения шпинделя 7 при этом появляются сигналы, характеризующие текущее состояние процесса обработки и системы СПИД. Эти сигналы поступают на фильтр 13 частот и третий преобразователь 8 аналог — код соответственно. С выхода преобразо-. вателя 8 сигнал в виде четырехразряд-20 ного двоичного кода подается на информационные входы и вход "Выбор микросхемы" элементов памяти первого и второго алгебраических сумматоров 1 и 2.. С первого выхода 2S фильтра 13 частот сигнал через первый преобразователь 141 аналог— код поступает на вход блока 15 сравнения с памятью. Этот сигнал в ви93 8 разователь 14 аналог — код поступает на вход блока 15 сравнения с памятью. Этот сигнал в виде восьмиразрядного двоичного кода, характеризующий вег.ичину текущего значения амплитуды вибраций, сравнивается с записанным в памяти максимально допустимым значением и передается через второй сумматор 16 на блок 17 коррекции, если амплитуда вибраций меньше максимально допустимого значения. На втором выходе блока 17 коррекции при этом будет сформирован код, соответствующий увеличению скорости подачи.

Этот код подается на вторые входы алгебраических сумматоров 3 и 4, на выходе которых получим число, пропорциональное оптимальному значению амплитуды вибраций при данной скорости подачи. Это число преобразуется вторым преобразователем

10 цифра-аналог в напряжение и подается на привод 11 подачи, скорость которой прямо пропорциональна величине этого напряжения. .Если сила резания или амплитуда вибраций больше своих максимально допустимых значений, то сигналы с фильтра 13 частот через первый или соответственно второй преобразователи 14 не пройдут на вход блока

15 сравнения с памятью.

Второй выход третьего преобразователя 8 подключен к управляющему входу второго алгебраического сумматора и к входу инвертора, соединенного с управляющим входом первого алгебраического сумматора.

Включение первого или второго сумматора осуществляется в зависимости от величины выдвижения шпинделя по старшему разряду четырехразрядного кода — если в старшем разряде работает второй сумматор, если "0" — работает первый сумматор.

Предлагаемое устройство управления мажет быть использовано на любых металлорежущих станках, имеющих выдвижной шпиндель. При этом обеспечивается обработка деталей с предельно допустимой нагрузкой шпинделя, т.е. с максимальной силой резания, что повышает производительность станка.

Во з никшие при э том вибрации по амплитуде не превышают величины, 1108393

Составитель Н. Горбунова

Редактор М. Бандура Техред А.Бабинец Корректор В.Бутяга

Подписное

Заказ 5862/32 Тираж 842

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, )москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 обеспечивающей требуемую чистоту обработанной поверхности.

Автоматическое формирование управляющего сигнала в функции силы резания и вибрациИ от величины выдвижения шпинделя обеспечивает оптимальные условия для резания при изменяющихся характеристиках системы СПИД, а также из-за неоднородности обрабатываемого мате5 риала детали и изменения режущих свойств инструмента.