Устройство для управления металлорежущим станком

 

Изобретение относится к системам автоматического управления металлорежущими станками и может быть использовано, например, в токарных станках для оптимизации режимов резания. К задачам, решаемым изобретением, относятся: разработка адаптивной модели процесса резания с учетом динамики переходных режимов и нестационарных условий обработки, а также организация управления приводом подачи станка на основе идентифицируемых параметров. Устройство содержит задатчик 1 и датчик 7 силового параметра, сумматор 2, адаптивный регулятор силового параметра 3, электропривод подачи 4, кинематически связанный через редуктор 5 и рабочий орган станка 6 с процессом резания. Модель процесса резания 9 имеет два контура. Один из них, состоящий из инвертирующего усилителя 15, ключа 16, интегратора 17, сумматора 18, порогового элемента 19 и делителя 20, подстраивается с помощью датчика частоты вращения привода подачи 8 и шпинделя 10. Второй контур содержит умножитель 21, модель датчика силового параметра 22, сумматор 23, делитель 24 и интегратор 25. В свою очередь регулятор 3 содержит интегратор 11, делитель 12, сумматор 13 и делитель 14. 3 ил.

Изобретение относится к системам автоматического управления металлорежущими станками и может быть использовано, например, в токарных станках для оптимизации режимов резания.

Известно устройство стабилизации силовых параметров для токарных станков, содержащее сумматор сигналов задатчика и датчика силового параметра, регулятор, умножитель, привод подачи, связанный с рабочим органом станка и через процесс резания с датчиком силового параметра.

Недостатком этого устройства является уменьшение степени устойчивости системы при увеличении ошибки регулирования. Данный недостаток обусловлен тем, что при увеличении нагрузки одновременно с увеличением коэффициента передачи, характеризующим процесс резания, происходит увеличение коэффициента передачи корректирующего звена, реализованного на базе умножителя и имеющего квадратичную характеристику.

Известно устройство для управления процессом металлообработки, содержащее блок задания, сумматор, электропривод подачи, выход которого через датчик скорости подключен к блоку модели процесса резания, цепь обратной связи, включающей в себя датчик мощности привода главного движения, сумматор, сумматор-инвертор и пороговый элемент. Блок модели содержит постоянный коэффициент и переменный коэффициент модели, выходы которых через сумматор и апериодическое звено подключены к регулируемому входу переменного коэффициента. Сигнал с выхода блока модели суммируется с сигналом датчика мощности на входах сумматора-инвертора и их разность используется в виде сигнала коррекции цепи обратной связи.

В данном устройстве система регулирования реализована по принципу упреждающей коррекции. Причем переменный коэффициент передачи модели объекта регулирования (процесса резания) реализуется в виде степенной зависимости в функции скорости подачи.

Подобное представление процесса резания не отражает зависимости его коэффициента передачи от глубины резания, твердости материала заготовки, степени износа инструмента и других факторов. Известно, что в случае использования упреждающей коррекции рассогласование коэффициентов передачи модели и объекта приводит к снижению статической точности системы регулирования.

Кроме того, охват объекта с большими постоянными времени дифференциальной вилкой приводит к снижению быстродействия системы стабилизации силовых параметров, так как свойства системы становятся близкими к разомкнутой по основной обратной связи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для управления металлорежущим станком, содержащее последовательно включенные задатчик силового параметра, сумматор, блок умножения, блок коррекции, электропривод подачи, нагруженный на рабочий орган станка, датчик частоты вращения привода подачи и датчик силового параметра, выходы которых подключены к соответствующим входам делителя, выход которого соединен с управляющим входом умножителя, второй вход сумматора подключен к выходу датчика силового параметра.

Недостатком этого устройства являются низкие статические и динамические показатели системы стабилизации силового параметра. Данный недостаток обусловлен тем, что нелинейная коррекция системы в функции силового параметра и скорости подачи инструмента не является эффективной, так как результирующим параметром, характеризующим непосредственно процесс резания, является величина подачи на оборот шпинделя.

Кроме того, процесс резания, характеризующийся непрерывными изменениями величины подачи в функции текущего значения силового параметра, является динамическим процессом. Для идентификации динамического процесса необходима операция взятия чистой производной, что физически нереализуемо, тем более только с помощью блока деления.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства.

Это достигается тем, что в устройство для управления металлорежущим станком, содержащее задатчик силового параметра с первым сумматором на выходе, последовательно соединенные электропривод подачи, редуктор, рабочий орган станка и датчик силового параметра, выход которого подсоединен к другому входу первого сумматора, датчик частоты вращения привода подачи, включенный между выходом электропривода подачи и информационным входом первого делителя, и датчик частоты вращения шпинделя, дополнительно между выходом первого сумматора и входом электропривода включены последовательно соединенные первый интегратор, второй сумматор и третий делитель, и введена цепь из последовательно соединенных ключа, второго интегратора, умножителя, модели датчика силового параметра и четвертого сумматора, при этом выход второго интегратора через последовательно соединенные третий сумматор и пороговый элемент подключен к управляющему входу ключа, выход четвертого сумматора через последовательно соединенные четвертый делитель и третий интегратор подключен к другим входам умножителя и третьего делителя, выход первого сумматора через второй делитель подключен к второму входу второго сумматора, выход датчика частоты вращения шпинделя соединен с управляющими входами первого и второго делителей, выход датчика частоты вращения электропривода подачи соединен с первым входом ключа непосредственно, а с вторым через инвертор, выход первого делителя подключен к другому входу третьего сумматора, выход второго интегратора соединен с вторым входом четвертого делителя, а второй вход четвертого сумматора соединен с выходом датчика силового параметра.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для управления металлорежущим станком: на фиг.2 и 3 структурные схемы, определяющие часть объекта и контур самонастройки.

Предложенное устройство (см.фиг.1) содержит последовательно соединенные задатчик силового параметра 1, сумматор 2, адаптивный регулятор силового параметра 3, электропривод подачи 4, кинематически связанный через редуктор 5 с рабочим органом станка 6 с процессом резания, датчик силового параметра 7, выход которого подключен к второму входу сумматора 2, последовательно включенные датчик 8 частоты вращения привода подачи и модель процесса резания 9, датчик 10 частоты вращения шпинделя.

Регулятор 3 состоит из интегратора 11 и делителя 12, выходы которых через сумматор 13 подключены к информационному входу делителя 14. Информационный вход делителя 12 совместно с входом интегратора 11 подключен к выходу сумматора 2, а управляющий к выходу датчика 10 частоты вращения шпинделя.

Модель процесса резания 9 содержит подстраиваемый контур динамических процессов резания и контур самонастройки коэффициента передачи процесса. Контур динамических процессов реализован на основе инвертора 15, последовательно соединенных ключа 16, интегратора 17, сумматора 18 и порогового элемента 19, соединенного выходом с управляющим входом ключа 16, а также делителя 20, выход которого подключен к второму входу сумматора 18. Информационный вход делителя 20 совместно с первым входом ключа 16 подключен к выходу датчика 8 частоты вращения привода подачи, второй вход ключа 16 подключен к выходу датчика 8 через инвертор 15.

Контур самонастройки коэффициента передачи процесса содержит последовательно соединенные умножитель 21, модель датчика силового параметра 22, сумматор 23, делитель 24, интегратор 25, выход которого соединен с управляющими входами умножителя 21 и делителя 14. Управляющий вход делителя 24 совместно с информационным входом умножителя 21 соединен с выходом интегратора 17. Второй вход сумматора 24 подключен к выходу датчика 7.

Устройство (см.фиг.1) работает следующим образом.

Сигнал рассогласования между заданием с блока 1 и обратной связью с датчика 7 формируется сумматором 2 и через регулятор силового параметра 3 поступает на управляющий вход привода подачи 4. При изменении режимов обработки, например глубины резания, стабилизация силового параметра (мощности резания, усилия резания и т.д.) осуществляется за счет изменения скорости подачи.

Переходные процессы, вызванные изменением режимов резания, приводят к изменению толщины стружки. Данное изменение можно записать следующим образом gh/dt v f(h' h), где v скорость подачи инструмента; h'2πv/w установившееся значение толщины стружки; w скорость вращения шпинделя станка, 1 при (h' h) > 0 f(h' h) 0 при (h' h) 0 -1 при (h' h) < 0 Функция f(h' h) с учетом скользящего (среднего) значения заменяется на функцию sign (h' h) и реализуется с помощью сумматора 18, порогового элемента 19 и знакового коммутатора, включающего ключ 16 и инвертор 15. При этом величина, пропорциональная установившемуся значению толщины стружки h', формируется на выходе делителя 20, а ее текущей толщине h на выходе интегратора 17 блока 9.

Коррекция системы осуществляется с помощью пропорционально-интегрального регулятора 3 с переменными параметрами. Выбор регулятора подобного типа основан на аппроксимации нелинейного интегратора, включающего в себя знаковый коммутатор и интегратор 17, нестационарным апериодическим звеном Wʹ(p, t) где Е(w, t) 2π/w постоянная времени процесса резания, равная времени одного оборота шпинделя, характеризует время выхода интегратора 17 на установившееся значение при скачкообразном изменении частоты вращения шпинделя или скорости подачи. Данная постоянная в процессе обработки может меняться в десятки раз. Для ее компенсации регулятор 3 содержит цепь, образованную интегратором 11, делителем 12 и сумматором 13, соответствующую пропорционально-интегральному звену.

Другим существенным фактором, определяющим нестационарность процесса резания, является зависимость его коэффициента передачи от условий обработки (твердости материала заготовки, глубины резания, состояния режущего инструмента и т.д.).

Для идентификации коэффициента передачи процесса используется контур самонастройки (см.фиг.2), реализованный в виде нелинейной следящей системы. При этом часть процесса резания, характеризующая его коэффициент передачи, может быть описана в виде следующей передаточной функции: Wʺ (p,t) где K,T коэффициент передачи и постоянная времени датчика силового параметра; К(μ, t) обобщенный коэффициент передачи, является функцией изменения параметров резания во времени (I(t) глубины резания; Н_w(t) твердости материала заготовки; С_F(t) геометрии резания, степени затупления инструмента и неучтенных условий обработки);
U_F(p) выходной сигнал датчика 7.

Закон изменения настраиваемого параметра
К_мсн bε/λg где ε=U_F U рассогласование между выходным сигналом объекта U_F и модели U;
g h сигнал с выхода блока 17;
b, λ- коэффициенты.

Переход от существенно нелинейной структуры (см.фиг.2) к системе с переменными или квазистационарными коэффициентами (см.фиг.3) осуществля путем замены блоков 21 и 24 умножения и деления соответственно эквивалентными коэффициентами. Последняя структура тождественна обыкновенному следящему контуру, в котором введение делителя 24 позволяет устранить влияние параметра h на динамику контура самонастройки. Контур при выборе b /λ= 1/K 2 T настроен на модульный (технический) оптимум, что соответствует коэффициенту демпфирования ζ для звена 2-го порядка.

Контур самонастройки астатический. Выходная величина К_мсн К(μ t) формируется на выходе интегратора 25. В процессе резания образующаяся ошибка между выходом датчика силового параметра 7 и его модели 22 вызывает изменение выходного сигнала интегратора 25. Данный процесс продолжается до тех пор, пока коэффициент передачи умножителя 21, перестраиваемый интегратором 25, не станет равным обобщенному коэффициенту передачи объекта регулирования. Одновременно с перестройкой коэффициента передачи модели с помощью делителя 14 производится обратно пропорциональное изменение коэффициента передачи регулятора 3. При этом общий коэффициент передачи контура стабилизации силового параметра остается неизменным.

Характер изменения параметров в общем случае непредсказуем. Глубина резания может изменяться вследствие изменения допусков заготовки от изделия к изделию в результате эксцентриситета установки заготовки (т.е. появления оборотных пульсаций глубины резания). Затупление инструмента и изменение твердости заготовки осуществляется также достаточно медленно. С учетом того, что постоянная времени датчика T на порядок по крайней мере меньше постоянных привода подачи, влияние переходных процессов в контуре самонастройки на процесс перестройки параметров в основном контуре существенно не сказывается.

Структура регулятора 3 выбирается из условия настройки системы на модульный оптимум в соответствии с принципами построения систем с подчиненными регулирования параметров. При этом электропривод подачи считается скорректированными, а его передаточная функция описывается следующим образом:
W_v(p) где К_v коэффициент передачи датчика скорости;
Т_v эквивалентная постоянная времени контура.

С учетом переходных режимов передаточная функция процесса резания для основного контура может быть представлена в виде
W_F(p,t)
При настройке контура стабилизации силового параметра на модульный оптимум передаточная функция регулятора 3 будет
W(p, t) + где T=T_v+T сумма малых постоянных времени для контура.

Разностью коэффициентов модели К_мсн(t) и объекта К(μ,t) можно пренебречь, тогда передаточная функция регулятора будет
W(p,t) +
Блок 14, реализующий коэффициент
, совместно воздействует на пропорциональную (блока 12) и интегральную (блока 11) составляющие регулятора 3. Причем пропорциональная составляющая блока 12 с учетом коэффициента передачи К_w датчика частоты вращения шпинделя должна быть
K_п= где U_w(t) K_w w(t) напряжение на выходе датчика скорости 10.

Таким образом, предложенные принципы построения системы стабилизации силового параметра позволяют компенсировать влияние нестационарных условий обработки, устранить условия возникновения автоколебаний и обеспечить технически оптимальные процессы во всем диапазоне изменения параметров резания.

Использование устройства позволяет повысить производительность обработки, а в ряде случаев, например при торцевой обработке, и качество изделия за счет снижения шероховатости.

Реализацию предложенной структуры целесообразно производить с использованием микропроцессорной техники. Алгоритмическое обеспечение в этом случае не вызывает затруднений и сводится в основном к замене непрерывных интеграторов дискретными.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМ СТАНКОМ, содержащее задатчик силового параметра с первым сумматором на выходе, последовательно соединенные электропривод подачи, редуктор, рабочий орган станка и датчик силового параметра, выход которого подсоединен к другому входу первого сумматора, датчик частоты вращения привода подачи, включенный между выходом электропривода подачи и информационным входом первого делителя, и датчик частоты вращения шпинделя, отличающееся тем, что между выходом первого сумматора и входом электропривода включены последовательно соединенные первый интегратор, второй сумматор и третий делитель и введена цепь из последовательно соединенных ключа, второго интегратора, умножителя, модели датчика силового параметра и четвертого сумматора, при этом выход второго интегратора через последовательно соединенные третий сумматор и пороговый элемент подключен к управляющему входу ключа, выход четвертого сумматора через последовательно соединенные четвертый делитель и третий интегратор подключен к другим входам умножителя и третьего делителя, выход первого сумматора через второй делитель подключен к второму входу второго сумматора, выход датчика частоты вращения шпинделя соединен с управляющими входами первого и второго делителей, выход датчика частоты вращения электропривода подачи соединен с первым входом ключа непосредственно, а с вторым через инвертор, выход первого делителя подключен к другому входу третьего сумматора, выход второго интегратора соединен с вторым входом четвертого делителя, а второй вход четвертого сумматора соединен с выходом датчика силового параметра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3