Адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке

Авторы патента:

Маслов Андрей Руфович (RU)

Козочкин Михаил Павлович (RU)

Порватов Артур Николаевич (RU)

G05B13/02 - электрические

Полезная модель относится к автоматическому управлению и регулированию на металлорежущих станках и может быть использована для построения системы управления процессом формообразования с использованием данных о величине силы резания. Адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке содержит коммутационно связанные измеритель 1 и измеритель 2, масштабирующий блок 3 и масштабирующий блок 4, оснащенные средствами управления коэффициентом передачи, фильтр 5 низких частот и фильтр 6 низких частот, триггер 7 и триггер 8, мультиплексор 9, аналого-цифровой преобразователь 10, микроконтроллер 11, радиопередатчик 12, цифровой блок памяти 13, таймер 14 с возможностью определения абсолютного времени изменения параметров силы резания. Выход 15 измерителя 1 соединен с входом 16 масштабирующего блока 3, выход 17 измерителя 2 с входом 18 масштабирующим блоком 4, выход 19 масштабирующего блока 3 с входом 20 фильтра 5 низких частот, выход 21 масштабирующего блока 4 с входом 22 фильтра 6 низких частот, выход 23 фильтра 5 с входом 24 триггера 7, вход 25 триггера 7 с выходом 26 микроконтроллера 11, выход 27 фильтра 6 с входом 28 триггера 8, вход 29 триггера 8 с выходом 30 микроконтроллера 11, выход 31 триггера 7 с входом 32 микроконтроллера 11, выход 33 триггера 8 с входом 34 микроконтроллера 11, выход 23 фильтра низких частот 5 и выход 27 фильтра низких частот 6 соответственно с входами 35 и 36 мультиплексора 9, выход 37 которого соединен с входом 38 аналого-цифрового преобразователя 10, выход 39 аналого-цифрового преобразователя 10 подключен к входу 40 микроконтроллера 11, выход 41 которого связан с входом 42 масштабирующего блока 3, выход 43 с входом 44 масштабирующего блока 4, выход 45 микроконтроллера 11 подключен к входу 46 радиопередатчика 12, выход 47 микроконтроллера 11 подключен к входу 48 цифрового блока памяти 13, выход 49 цифрового блока памяти 13 подключен к входу 50 микроконтроллера 11, выход 51 микроконтроллера 11 соединен с входом 52 таймера 14, выход 53 таймера 14 с входом 54 микроконтроллера 11. В предлагаемой адаптивной системе управления процессом резания на металлорежущем станке для передачи измерительного сигнала о силе резания используется радиопередатчик, и наряду с аналоговым контролем используются цифровые компоненты, что облегчает задачи анализа и прогнозирования поведения станка и режущего инструмента в процессе формообразования, поэтому в предлагаемой системе достигнуто существенное снижения уровня помех по сравнению с проводными линиями передачи. Использование беспроводной связи и, соответственно, исключение соединительных кабелей между датчиком и аналого-цифровым преобразователем или электронно-вычислительной машиной, система дает возможность реализовать блоки контроля с множеством однотипных устройств. Благодаря небольшому размеру блока система проста в установке.

Известны системы регулирования процесса контроля на металлорежущем станке, в которых происходит регулирование процесса контроля по данным текущих измерений детали и инструмента, например переход от косвенного к прямому методу измерения размерного износа инструмента и обратно (Автоматическое управление точностью обработки на токарном модуле. Эйдельман Ю.С., Поотонен У.М. - Измерительная техника, 1984, N 8, с 34-35 и Невельсон М.С. Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках. - М.: Машиностроение, 1982).

Недостатком известных систем является то, что при передаче измерительного сигнала используется кабельные линии связи, ухудшающие помехоустойчивость, а управление не происходит непосредственно в процессе обработки детали.

Наиболее близким решением из уровня техники по технической сущности, назначению и достигаемому результату является адаптивная система регулирования процесса контроля, состоящая из трех измерителей, трех блоков памяти, блока сравнения и масштабирующего блока, двух задатчиков, сумматора, блока задержки, блока определения модуля, компаратора, ключа, арифметического блока, экстраполятора, дифференциатора, фильтра низких частот, таймера и переключателя (авторское свидетельство СССР 2042168 кл. G05B 13/02,1995 г.).

Известная система регулирует процесс контроля, обеспечивая заданную точность измерения и поддерживая затраты на процедуру измерения на минимально возможном уровне, используя для этого два менее точных и менее дорогих измерителя и один более точный и соответственно требующий больших затрат на измерение измеритель, учитывая влияние статистической взаимосвязи между измерителями, если они контролируют технологический процесс различными способами.

К недостаткам данной системы следует отнести тот факт, что линии связи между отдельными блоками выполнены в виде соединительных кабелей, использование которых в условиях промышленного производства создает значительные трудности при проведении текущего контроля процесса резания на различном станочном оборудовании, т.к. для этого необходимо проложить большое количество соединительных кабелей, что ухудшает помехоустойчивость всей системы в целом.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель является повышение эффективности управления процессом резания в результате улучшения помехозащищенности процесса передачи измерительного сигнала в адаптивной системе управления процессом резания на металлорежущем станке.

Поставленный технический результат достигается тем, что адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке, содержащая коммутационно связанные два измерителя, средство памяти, два блока сравнения - триггера, два масштабирующих блока, средства фильтрации низких частот, таймер, согласно полезной модели, дополнительно содержит цифровое вычислительное устройство - микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, радиопередатчик, при этом, средство памяти выполнено в виде цифрового блока памяти, каждый из измерителей выполнен в виде тензочувствительного преобразователя, масштабирующие блоки оснащены средствами управления коэффициентом передачи, таймер выполнен с возможностью определения абсолютного времени изменения параметров силы резания, а средства фильтрации низких частот выполнено в виде двух фильтров низких частот, при этом фильтры низких частот соединены с масштабирующими блоками, выходы которых подключены к входам мультиплексора, выход которого подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, а его выход - к входу микроконтроллера, функционально обеспечивающего автоматическое управление коэффициентами преобразования масштабирующих блоков.

Адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке поясняется графическим материалом, где изображена блок-схема адаптивной системы управления процессом резания на металлорежущем станке.

Адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке содержит коммутационно связанные измеритель 1 и измеритель 2, масштабирующий блок 3 и масштабирующий блок 4, оснащенные средствами управления коэффициентом передачи, фильтр 5 низких частот и фильтр 6 низких частот, триггер 7 и триггер 8, мультиплексор 9, аналого-цифровой преобразователь 10, микроконтроллер 11, радиопередатчик 12, цифровой блок памяти 13, таймер 14 с возможностью определения абсолютного времени изменения параметров силы резания. Выход 15 измерителя 1 соединен с входом 16 масштабирующего блока 3, выход 17 измерителя 2 с входом 18 масштабирующим блоком 4, выход 19 масштабирующего блока 3 с входом 20 фильтра 5 низких частот, выход 21 масштабирующего блока 4 с входом 22 фильтра 6 низких частот, выход 23 фильтра 5 с входом 24 триггера 7, вход 25 триггера 7 с выходом 26 микроконтроллера 11, выход 27 фильтра 6 с входом 28 триггера 8, вход 29 триггера 8 с выходом 30 микроконтроллера 11, выход 31 триггера 7 с входом 32 микроконтроллера 11, выход 33 триггера 8 с входом 34 микроконтроллера 11, выход 23 фильтра низких частот 5 и выход 27 фильтра низких частот 6 соответственно с входами 35 и 36 мультиплексора 9, выход 37 которого соединен с входом 38 аналого-цифрового преобразователя 10, выход 39 аналого-цифрового преобразователя 10 подключен к входу 40 микроконтроллера 11, выход 41 которого связан с входом 42 масштабирующего блока 3, выход 43 с входом 44 масштабирующего блока 4, выход 45 микроконтроллера 11 подключен к входу 46 радиопередатчика 12, выход 47 микроконтроллера 11 подключен к входу 48 цифрового блока памяти 13, выход 49 цифрового блока памяти 13 подключен к входу 50 микроконтроллера 11, выход 51 микроконтроллера 11 соединен с входом 52 таймера 14, выход 53 таймера 14 с входом 54 микроконтроллера 11.

Адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке работает следующим образом.

Выходные сигналы измерителя 1, выполненного в виде тензометрического преобразователя, ось чувствительности которого расположена вдоль движения подачи станка, и измерителя 2, выполненного в виде тензометрического преобразователя, ость чувствительности которого расположена перпендикулярно движению подачи станка, осуществляющих косвенный контроль износа инструмента по силе резания, усиливаются соответственно масштабирующим блоком 3 и масштабирующим блоком 4, коэффициент усиления которых настраивается средствами управления коэффициентом передачи (на чертеже не показаны) автоматически при помощи микроконтроллера 11. Автоматическое управление коэффициентом передачи обеспечивает стабильно высокий уровень входного сигнала для последующей фильтрации. Выходные сигналы масштабирующего блока 3 и масштабирующего блока 4 фильтруются соответственно фильтром 5 низких частот и фильтром 6 низких частот, полоса пропускания которых равна половине частоты аналого-цифрового преобразования (частоты дискретизации). Выходные сигналы с фильтра 5 низких частот и фильтра 6 низких частот поступают соответственно на триггер 7 и триггер 8, опорные сигналы для которых вырабатывает микроконтроллер 11. Превышение уровней опорных сигналов микроконтроллера 11 приводит к срабатыванию триггера 7 или триггера 8 и установлении на их выходах высокого уровня, что дает возможность установить факт превышения текущим значением силы установленного значения. Установленное значение заносится в цифровой блок памяти 13 в виде единиц силы (ньютон) и пересчитывается с необходимым коэффициентом в напряжение. Срабатывание триггера 7 или триггера 8 приводит к прерыванию нормальной работы микроконтроллера 11, отправке сообщения радиопередатчиком 12 сообщения о неполадке с указанием точного времени, вычисленного при помощи таймера 14 и остановки станка до вмешательства оператора.

Таким образом, происходит управление работой металлорежущего станка, в результате чего осуществляется контроль критического износа, а также поломки инструмента в реальном времени по силе резания.

Если уровень не превышен, то выходные сигналы с фильтра 5 низких частот и фильтра 6 низких частот подаются соответственно на входы 33 и 34 аналогового коммутатора - мультиплексора 9. Выходной сигнал мультиплексора 9 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 10, где происходит преобразование сигнала из аналогового вида в цифровой код. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 10 подается на вход микроконтроллера 11, в котором формируются пакеты данных с указанием абсолютного времени изменения параметров силы резания, вычисленного при помощи таймера 14. С выхода микроконтроллера 11 пакеты данных поступают на вход радиопередатчика 12 и в дальнейшем могут быть приняты любым приемным устройством, имеющим общий с передатчиком радиоинтерфейс.

В предлагаемой адаптивной системе управления процессом резания на металлорежущем станке для передачи измерительного сигнала о силе резания используется радиопередатчик, и наряду с аналоговым контролем используются цифровые компоненты, что облегчает задачи анализа и прогнозирования поведения станка и режущего инструмента в процессе формообразования, поэтому в предлагаемой системе достигнуто существенное снижения уровня помех по сравнению с проводными линиями передачи.

Использование беспроводной связи и, соответственно, исключение соединительных кабелей между датчиком и аналого-цифровым преобразователем или электронно-вычислительной машиной, система дает возможность реализовать блоки контроля с множеством однотипных устройств. Благодаря небольшому размеру блока система проста в установке, в том числе и на существующих датчиках, которые заранее не были специально подготовлены.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении может найти применение для управления процессом резания на металлорежущем станке по значениям силы резания;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условию патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Адаптивная система управления процессом резания на металлорежущем станке, содержащая два коммутационно связанных измерителя, средство памяти, два блока сравнения - триггера, два масштабирующих блока, средства фильтрации низких частот, таймер, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цифровое вычислительное устройство - микроконтроллер, мультиплексор-коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, радиопередатчик, при этом средство памяти выполнено в виде цифрового блока памяти, каждый из измерителей выполнен в виде тензочувствительного преобразователя, масштабирующие блоки оснащены средствами управления коэффициентом передачи, таймер выполнен с возможностью определения абсолютного времени изменения параметров силы резания, а средства фильтрации низких частот выполнены в виде двух фильтров низких частот, при этом фильтры низких частот соединены с масштабирующими блоками, выходы которых подключены к входам мультиплексора, выход которого подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, а его выход - к входу микроконтроллера, функционально обеспечивающего автоматическое управление коэффициентами преобразования масштабирующих блоков.