Самонастраивающаяся система программного управления металлорежущими станками

 

12O78I

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заяв aetio 05Л 1I.1958 (№ 603400/25) Кл. 49b, 5,105

49п, 1 07 с присоединением заявки №

Приоритет.ЧПК В 23с

G 05g

УДК

Комитет ло делам изобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

Опубликовано 09Х11.1966. Бюллетень ¹ 14

Дата опубликования описания 31 VIII.1966

Авторы изобретения

М. И. Брейдо, М. Л. Быховский и А. Е. Кобринский

Заявитель

САМОНАСТРАИВАЮЩАЯСЯ СИСТЕМА ПРОГРАММНОГО

УПРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМИ СТАНКАМИ

Известны системы программного управления металлорежущими станками, принцип действия которых основан íà том, что зада;tное программой относительное движение и|струмента и заготовки реализуется в виде со- 5 вокупности модулированных по частоте дискретных шаговых перемещений.

Предложенная самонастраивающаяся система отличается от известных тем, нто для записи скорректировмшой программы в ней 10 применены узел оперативной памяти и узел самонастройки. Этим обеспечивается усовершенствование программы работы станка, достигаемое путем непрерывного сравнения с заданной программой информации о разме- 15 рах изделия в процессе его обработки. Кроме того, узел оперативной памяти систем выполнен в виде трехрегистрового барабана. О;, предназначен для записи основной программы и программы, вырабатываемой в процессе ра- 20 боты станка и подаваемой в узел настройки для сравнения и выработки овой скорректированной программы. Для осуществления непрерывной статистической обработки, информации о размерах изделия, получаемой в про- 25 цессе его обработки в системе применены два интегратора с регулируемым интервалом усреднения.

11а фиг. 1 изображена принципиальная схема самонастраивающейся системы програм- ЗО много правления, разрабетанной применительно к фрезерному станку, предназначенному для обработки кулачков; на фнг. 2 принципиальная схема устройства для внесения корректирующих сигналов г, усовершенствуемую программу.

Номинальная программа работы станка, рассчитанная ооычным образом, т. е. без учета износа инструмента, деформации и т. д., вводится в станок в форме отметок на программном магнитном барабане 1. Он разделен на три регистра, причем номинальная программа записывается одновремешю на двух регистрах, например на 1 и П.

Вращение барабана 1 осуществляется приводом, связанным с приводом стола 2, несущего обрабатываемую заготовку. В результате этого вращения заготовки и магнитного барабана синхронны. Цри неподвижной оси фрезы 8 ззааддаанннноое е ооттннооссипттееллььнноое е движение инструмента и заготовки можно получить, если сигналы номийальной программы использовать непосредственно для управления силовым шаговым двигателем 4, приводящим в движение ходовой винт 5, а вместе с ним и суппорт 6, на котором располагается стол, несущий заготовку.

B предлагаемой системе сигналы номинальной программы используются также и для

120781 привода щупов 7 и 8, укрепленных на сунпорте станка и представляющих задающий узел цепи обратной связи. Измерительные щупы этих устройств снабжены роликами, диаметр которых равен номинальному диаметру фрезы. Оба щупа вставлены в одинаковые обоймы 9, смещенн å на определенные углы р и у

Iro отношению к фрезе, и прижимаются с помощью упругих элементов к обработанной поверхности профиля кулачка. Обоймы, несущие измерительные щупы, приводятся в возьратно-поступательное движение миниатюрными шаговыми двигателями 10 через дифференциальные устройства 11. Шаговые двигатели работают в соответствии с поминальной программой, записанной в регистре I барабшш. Магнитные головки, считывающие с этого регистра сигналы, управляющие шаговыми двигателями, установлены с соответствующими фазовыми сдвигами о; и Р так, как это условно представлено на фиг. 1.

В результате этого при работе системы обоймы 9 движутся в точном соответствии с поминальной программой. Если бы щупы 7 и 8 были бы жестко связаны с обоймами 9, то они при этом воспроизводили бы заданный номинальной программой профиль кулачка с соответствующим фазовым сдвигом по углу его поворота.

Однако, как указано выше, щупы 7 и могут поступательно перемещаться относительно своих обойм, причем такие перемещния возникают в тех случаях, когда фактический профиль кулачка по той или иной причине не совпадает с расчетным, положенным в основу номина.льной программы. При возникновении такого рассогласования на измеряемом участке профиля соответствующий щуп начинает -перемещаться относительно обоймы в ту или иную сторону, замыкая при этом один из контактов 12.

При замыкании контакта 12 включается серводвигатель 18, сообщающий вращение второму входному звену дифференциального устройства 11. В результате этого винт И, связанный с выходным звеном устройства 11, перемещает обойму 9 в направлении устранения возникающего рассогласования. В момент, когда контакт 12 разомкнется, включится серводвигатель 18. При этом последний отработает величину, в некотором масштабе пропорциональную разности между расчетным и фактическим текущими значениями радиуса-вектора, обрабатываемого профиля ку.лачка. Измерительная система второго щупа действует аналогично, Текущие величины рассогласования регистрируются путем отсчета углов поворота выходных валов серводвигателей 18, как условно показано на фиг. 1 (датчик углов поворота), либо посредством других регистрирующих устройство и направляются в угол самонастройки 15.

По мере вращения заготовки обработанные участки профиля поступают под измерительные щупы, при этом с серводвигателей в узел

65 самонастройки непрерывно поступает информация об отклонениях, возникающих в технологическом процессе и отражающихся на результатах обработки. Помимо этой информации, в узел самонастройки передается также и номинальная программа.

Основная идея, используемая в предлагаемой самонастраивающейся системе, состоит в том, что текущая информация об отклонениях, возникающих в технологическом процессе, используется для автоматической коррекции программы, первоначально заданной только по номиналу.

При этом в задачу узла самонастройки входит обработка этой информации и внесение в номинальную программу таких поправок, которые при обработке очередного издания компенсируют возникающие погрешности.

Узел самонастройки 15 системы представляет собой генератор усовершенствованной программы, работающий в автоматическом режиме в соответствии с информацией, вырабатываемой в цепи обратной связи.

Выше указывалось, что номинальная программа при наладке станка на обработку нового изделия наносится одновременно на два регистра 1 и 11 магнитного барабана 1. В процессе обработки первого изделия регистр 1 управляет движением измерительной системы, а регистр II работает на силовой шаговый двигатель, обеспечивающий заданное относительное движение инструмента и заготовки.

При этом узел самонастройки генерирует новую программу, выработанную с учетом погрешностей, возникающих в процессе обработки профиля первого изделия. Эта программа по мере ее выработки наносится в регистр

111 магнитного барабана 1. При обработке второго изделия и всех последующих регистр

I, заполненный номинальной программой попрежнему, управляет движением щупов 7 и8.

Регистры II u III работают при этом по челночному принципу. При обработке второго изделия шаговый двигатель 4, приводящий в движение суппорт станка, работает от регистра 111, заполненного программой, усовершенствованной в процессе обработки первого изделия. В это время программа, генерируемая узлом самонастройки 15 с учетом погрешностей, возникших при обработке второго изделия, наносится в регистр II. При обработке третьего изделия шаговый двигатель работает от регистра П, а в регистр 111 вносится новая программа и т. д.

Таким образом, по мере увеличения числа обработанных изделий программа работы непрерывно и автоматически корректируется.

Погрешность изготовления изделия можно представить состоящей из систематической и случайной частей. Для выделения систематической части погрешности с целью автоматического самоусовершенствования программы на суп станка устанавливаются два щупа 7 и 8, измеряющих соответственно погрешность изделия в точке, соответствующей углу

120781

5 (а — P), и в точке, соответствующей углу (а — у), где р и у — фазовые углы установки измерительных головок относительно обрабатывающей фрезы.

Постоянный интервал между точками измерения можно обозначить через Ф=у — р, а текущий угол, соответствующий средней точке интервала, — через а,=а — (р+ — ). Ин9 тервал Ф можно выбрать таким, что среднеинтегральная величина случайной части погрешности обратится в нуль. Тогда, представляя погрешность в виде систематической и случайной части Ло = Л oo + Л о, имеем

1 (1

a — Э а — 3

a — 3 Лоо(1 + — Л oo d z = Л о сс у / i@ и — 1 — (и—

Ыо„— среднее значение систематической части погрешности на интервале Ф. При предположении, что систематическая часть погрешности на интервале Ф изменяется мало (а это тем ближе к действительности, чем меньше Ф), коррекция программы на систематическую часть погрешности в средней точке интервала может быть взята равной и противоположной Л ро т. е. Л (,) = — Ь "о ——

a — 3

= — — $ Ь;dz (1)

9 а — ", 1 и — 3 и или Д(и.„,) = — — (Ь î d и — Л p dr о о

Осуществляя работу узла самонастройки в соответствии с выражением (1), можно обеспечить возможность выделения систематической составляющей погрешности для каждого текущего угла а,. Выработанная поправка алгебраически суммируется с первоначально заданной программой P(o> . Результат записывается на магнитном барабане в виде новой программы

P(i> = P(оi+ A () (2) ак ас

Таким образом, второе изделие будут изготовлять по новой, усовершенствованной программе P(I .

Если с течением времени систематическая часть погрешности будет изменяться, например, вследствие износа режущего инструмента, то будет происходить непрерывное самоусовершенствование программы.

Следовательно, в соответствии с выражением (1), для вычисления Л(а,) результаты измерений на щупах 7 и 8 должны непрерывно интегрироваться по углу а поворта заготовки и разность этих интегралов будет представлять собой искомую коррекцию програм1 мы (величина — входит в масштабный мноI житель). Интегрирующие устройства узла вычисления коррекции могут быть весьма низкой точности, так как подинтегральная функ5

65 ция представляет собой погрешность, т. е. малую величину. И если интегрирование выполняется с точностью до 1%, то это значит, что коррекция вычисляется с точностью до 1 /о

0 погрешности. В качестве интеграторов могут быть взяты механические (фрикционные) или электромеханические (тахогенераторные) устройства, так как они позволяют непосредственно производить интегрирование по углу поворота заготовки.

Следующая задача, которая решается узлом самонастройки, состоит в том, чтобы внести найденную коррекцию непосредственно в усовершенствуемую программу.

Описываемое ниже устройство дает возможность добавить корректирующие сигналы, распределив их равномерно на некотором выбранном заранее интервале («кадре»).

На валах 16 и 17 (см. фиг. 2), вращающихся синхронно с заготовкой, жестко закреплены диски 18. На них на непрозрачном фоне нанесены прозрачные штрихи, расположенные рядами, представляющими собой концентрические окружности. Они расположены н а одинаковом расстоянии одна от другой в радиальном направлении.

На внутренней окружности (ближайшей и центру диска) нанесен один радиальный штрих, на второй окружности — два штриха, на третьей — три штриха и т. д. Число штрихов на каждой последующей окружности увеличивается по сравнению с числом штрихом на соседней внутренней окружности на единицу. Число рядов штрихов на дисках 18 может быть достаточно большим и выбирается в зависимости от требуемой точности обработки профиля и от величины участка интерполяции (от величины «кадра»).

К каждому из дисков 18 примыкают два кожуха 19 и 20. В обоих кожухах на сторонах, обращенных к дискам, прорезаны узкие щели.

В кожухах 19 расположены качающиеся зеркала 21, на которые падают лучи света, идущие от специальных осветителей.

Угол наклона зеркал меняется в зависимости от величины тока, подаваемого на несущую спираль. Принцип действия системы, отклоняющей зеркало, аналогично принципу действия системы, управляющей шлейфом осциллографа.

Угол поворота зеркала пропорционален току, величина которого определяется напряжением, состоящим из двух составляющих. Об одной из этих составляющих уже упоминалось выше; ее величина пропорциональна величине коррекции.

Дискретные сигналы основной программы, которые также поступают в узел самонастройки l5 (см. фиг. 1), с помощью релейной схемы и набора сопротивлений преобразуются в эквивалентное электрическое напряжение, представляющее собой вторую составляющую электрического напряжения.

120781

30

<0

7

Обе эти составляющие суммируются с помощью обычной суммирующей цепи, воздействуя на зеркало линейного интерполятора.

Таким образом, каждому числу сигналов, поступающих в узел самонастройки из канала заданной программы и из канала коррекции, соответствует определенное положение зеркала, а отраженный зеркалом луч падает при этом на определенный ряд штрихов, нанесенных на диск.

При прохождении под лучом света прозрачных штрихов засвечивается фотоэлемент 22.

Диски 18 вращаются синхронно с заготовкой, а штрихи па дисках располагаются раьномерно по окружности. Благодаря этому сигналы основной программы и коррекции, суммируемые с помощью этого интерполятора, распределяются равномерно.

Сигналы усовершенствованной програ ммы в дальнейшем записываются на соответствующем регистре магнитного барабана.

Линейный интерполятор в процессе работы системы действует следующим образом.

Оба диска 18, вращаясь синхронно, совершают один полный оборот вокруг своих осей за время поворота заготовки на некоторый угол а (величину этого угла можно выбирать произвольно, меняя передаточные отношения в цепи привода).

Программные сигналы воспроизводятся фотоэлементами 22, включенными параллельно в одну цепь, выход которой соединяется с выходом соответствующего О или 111 регистров магнитного барабана.

Фотоэлементы включаются поочередно, в результате чего в выходную цепь поступают сигналы только с одного элемента.

Поочередное включение фотоэлементов обеспечивается следующим образом.

От вала 1б через шестерепчатую передачу с отношением 1:2 приводится во вращение фасонный диск 28, совершающий один оборот за время двух оборотов дисков 18. Луч света, идущий от осветителя 24 в фотореле 25 во время одного оборота дисков 18 пересечен, а во время следующего оборота не пересечен диском 28. Это вызывает соответственно открывание и закрывание контактов фотореле

2б, переключающих цепи фотоэлементов 22.

Описанная система дублированного интерполятора обеспечивает достаточно продолжительный интервал времени (равный времени оборота одного диска) для накопления очередной порции информации. Интерполятор так же как и узел памяти работает по «челночному» принципу. Кагждый из двух комплектов поочередно то несет функции узла памяти, то выдает очередной кадр усоверпгенсгвовапной програ Arivlbr, содержащей померно распределенную по кадру коррек цию.

Таким образом, предложенная система регпает задачу выработки коррекции программы IIO результатам обработки изделия, а также задачу автоматической выработки усовершенствованной программы с учетом найденной коррекции.

В случае, если станок предназна ен для обработки уникальных изделий, а также из делий, обработка которых занимает длитель гое время, то тогда результаты измерений изделия оказывается целесообразным использовать пепосредственпо в процессе его обрабозки. При этом возникает необходимость предварительно рассчитать необходимую коррекциго с тем, чтобы учесть соответствующую величину.

При этом вычисленную величину коррекции следует использовать для введения соответствующей коррекции в движение фрезы, причем принципиально возможно построение систем для экстраполяции различного порядка (нулевого порядка, линейная и др.).

Предмет изобретения

1. Самонастраивающаяся система программного управления металлорежущими станками с щаговыми двигателями, отличающаяся тем, что, с целью усовершенствования программы работы станка, путем непрерывного сравнения с заданной программой информации о размерах изделия в процессе его обработки, для записи скорректированной программы применен узел оперативной памяти и узел самонастройки.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что узел оперативной памяти выполнен в виде трехрегистрового барабана для записи основной программы и программы, вырабатываемой в процессе работы станка и подаваемой в узел самонастройки для сравнения и выработки новой, скорректированной программы.

3. Система по пп. 1 и 2, отлг чагощаяся тем, что, с целью осуществления непрерывной статистической обработки информации о размерах изделия, получаемой в процессе его обработки, применены два интегратора с рсгулируемым интервалом усреднения.