Система адаптивного управления
СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ,содержащая задатчик начальной скорости, последовательно соединенные задатчик мощности, первый элемент сравнения , регулятор и привод подачи, подключенный выходом к входу формирования величины подачи объекта управления, к входу формирования скорости резания которого подключен вь1ход главного привода, второй вход регулятора соединен с выходом блока ограничения, вход которого соединен с входом главного привода, первый выход объекта управления соединен через датчик мощности с вторым входом первого элемента сравнения, а второй выход объекта управления подключен через датчик колебаний к первому входу второго элемента сравнения , к второму входу которого подключен задатчик допустимого уровня колебаний, отличающаяся тем, что, с целью повышения периода стойкости инструмента и производительности обработки, в нее введены два нелинейных элемента, два нелинейных интегратора , третий элемент сравнения и блок ограничения скорости резания, причем второй выход задатчика допустимого уровня колебаний соединен с первыми входами первого и второго нелинейных элементов, вторый входы которых подключены к выходу второго элемента сравнения, выход первого нелинейного элемента через первый нелинейный интегратор подключен к первому входу третьего элемента сравнения, второй вход @ которого соединен с выходом задатчика начальной скорости, выход третьего элемента сравнения соединен с входом главного привода , второй вход первого нелинейного интегратора подключен к выходу блока ограничения скорости, выход второго нелинейного элемента соединен с входом второго нелинейного интегратора и с третьим входом первого элемента сравнения, четвертый вход которого соединен с выходом второго нелиоо со СП нейного интегратора. 00 оо
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦ)4АЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
3/02
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3565237/24-24 (22) 10.03.83 (46) 07.01.85. Бюл. № 1 (72) А. В. Коробко (71) Ульяновское головное специальное конструкторское бюро тяжелых и фрезерных станков (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 684513, кл. G 05 В 19/38, 1977.
2. Авторское свидетельство СССР № 815715, кл. G 05 В 13/02, 1979 (54) (57) СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ, содержащая задатчик начальной скорости, последовательно соединенные задатчик мощности, первый элемент сравнения, регулятор и привод подачи, подключенный выходом к входу формирования величины подачи объекта управления, к входу формирования скорости резания которого подключен выход главного привода, второй вход регулятора соединен с выходом блока ограничения, вход которого соединен с входом главного привода, первый выход объекта управления соединен через датчик мощности с вторым входом первого элемента сравнения, а второй выход объекта управления подключен через датчик колебаний
„.80„„1133583 А к первому входу второго элемента сравнения, к второму входу которого подключен задатчик допустимого уровня колебаний, отличающаяся тем, что, с целью повышения периода стойкости инструмента и производительности обработки, в нее введены два нелинейных элемента, два нелинейных интегратора, третий элемент сравнения и блок ограничения скорости резанич, причем второй выход задатчика допустимого уровня колебаний соединен с первыми входами первого и второго нелинейных элементов, вторые. входы которых подключены к выходу второго элемента сравнения, выход первого нелинейного элемента через первый нелинейный интегратор подключен к первому входу третьего элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика на- @ чальной скорости, выход третьего элемента сравнения соединен с входом главного привода, второй вход первого нелинейного ин- С тегратора подключен к выходу блока ограничения скорости, выход второго нелинейного элемента соединен с входом второго нелинейного интегратора и с третьим входом первого элемента сравнения, четвертый вход которого соединен с выходом второго нелинейного интегратора.
СЮ
Il33583
Изобретение относится к области автоматического управления, в частности к устройствам адаптивного управления металлорежущими станками.
Известно устройство, обеспечиваю!цее стабилизацию мощности резания и ограничения уровня колебаний станка регулированием подачи, содержащее контур стабилизации мощности резания и контур ограничения колебаний, причем мощность под1P держивается на заданном уровне, которыи в вибронеустойчивых режимах обработки снижается по специальному алг< ритму (>).
Недостатком этого устройства является снижение подачи при возникновении кол<баний больше допустимого уровня, а <.!едовательно, и снижение производительност!> обработки.
Известна также система экстрсма.<ь н>го регулирования, содержащая >;<>>!тур с.и>билизации мощности и последоватс II Ii<) соединенные датчик экстремума.:,IгмеiIT сравнения, к другому входу -;<)Tol)<>i <> ноll<»I<)H<.II задатчик допустим >го уровня колебаний, перек.>но чатель, з:> !>< и;1; ;I Io»L H< устройства, логическое устр<>>1<"! <ь> и реверсивный элемент, подключенный к входу контура стабилизации мощности, а также командный генератор, подключенный к вторым входам переключателя, логического устройства, элемента И, причем вход последнего соединен через пороговое устройство с выходом элемента сравнения, а выход — с вторым вхо- 30 дом реверсивного элемента (2) .
Зависимость стойкости инструмента от скорости резания выражается различными эмпирическими формулами. Однако, несмотря на различную структуру формул, все они указывают на монотонно-падающу!о ха3 рактеристику стойкости при увеличении скорости резания в рабочем диапазоне.
В зоне низких скоростей резания стойкость инструмента может иметь экстремальный характер при V = V<»)<>I Следовательно, уменьшать величину скорости резания меньше Ъми>< нецелссоооразно, Обычно рабочая скорость резания выбирается в соответствии с так называемой стойкостью инструмента, при которой обеспечивается режим наибольшей производительности. Компромис здесь выбирается между потерями на смену инструмента и линейной производительность!о, пропорциональной минутной подаче. Максимальная величина минутной подачи, например, для фрезерования определяется известной зависимостью
S ax = 5яд<)л Z п, (I) где z — число зубьев фрезы;
5 дол — допустимая подача на зуб;
<1 — число оборотов фрезы,, про!!орциональное скорости резания 3 55
В вибронеустойчивых режимах обработки выбранный таким образом зажим получается далеко не всегда оптимальным, так как вступает в силу. ограничение по мощности
N = C>< t Ьр Z и >х>! )» <)с (2) где ф— постоян ная; — припуск обработки; х<, ) Я„„,„, — предельно допустимая мощность. Чаше всего потеря виброустойчивости резания наблюдается при увеличении припуска обработки. В этом случае подача на зуб )z не достигает своего предельного значения Ьл<д<)» вследствие условия (2) . Очевидно, что гасить возникающие вибрации лучше уменьшением скорости реза;-!ня. так как при этом обеспечиваются и увеличение периода стойкости и постоянство липс йчой производительности. Таким образом, недостатком известного устройства является уменьшение стойкости инструмента, а следовательно, II lj)oil :: !!>тельности обработки при увел <чс:, «:. 1> . ти резания. LI<,!ь !<зобретения — иовы>!», . и .! стойкое!H ilнструмен:ll и пр<п ти обраб !ки. Указанная цель достигается тем, т< в систему адаптивного управления, с<>дсрл.. щую задатчик начальной скорости, нос,н,:— вательно соединенные задатчик моп;: ) ». первый элемент сравнения, рег. 1>i T! > привод подачи, подключенный вых<, входу формирования величины подач>: < та управления, к входу формирован»я рости резания которого подк!!к> !< н,, главного привода, второй вход р< i соединен с выходом блока огранич:нi:>I которого соединен с входом глав!пи < да, первый выход объекта управлен! рез датчик мощности с вторым входо;! « вого элемента сравнения, а втор и в;»x<». объекта управления подключен >срез чик колебаний к первому входу !)то»о! элемента сравнения, к второму вхо !. к< !прои> подключен задатчик допу<тпм<»; ., р н!гя колебаний, ввсдень! два не1HH< >IIII I>: . I<" M(II Tа. два нелинейных ННТ<.грит ра. -:: мент сравнения и блок огр;>»I«I< lii T>I резания, причем второй !>:,I%i);: а; доli < и мог<> уровня ко.,1еб)! ill, и !!ервыми входами первого II i>1<)I)<)I:: вых э lементов, <)торыс. вход!>I h<)101,:>;, !I! > I. клl<)чены к вhl_#_oäó второго элсме!.T» сравl с ния, выход первого нел инейног<> эле.; еп l;, через первый нелинейный интегратор и<;ключен к первому входу третьег:) эдеме >га сравнения, второй вход котс, рого с<>спинеH с выходом задатчика начальной ch<>po<. T, выход третьего элемента сравнения — с входом главного привода, г-орой вход "срвого нелинейного интегра гора по1h, II<>M< II к выходу блока ограпичения скорости. вы:..;>-, второго нелинейного элемента сос,lH -к < с 1133583 входом второго нелинейного интегратора и с третьим входом первого элемента сравнения, четвертый вход которого соединен с выходом второго нелинейного интегратора. Н» фиг. 1 представлены статические характ< !1п«тики объекта управления; на фиг. 2 функциональная схема предлагаемой системы; на фиг. 3 — временные графики работы системы; на фиг. 4 — принципиальная схема управляющей части системы. Система адаптивного управления содержит задатчик 1 начальной скорости, задатчик 2 мощности, первый элемент 3 сравнения, регулятор 4, привод 5 подачи, объект 6 управления, главный привод 7, блок 8 ограничения, датчик 9 мощности, датчик 10 колебаний, второй элемент 11 сравнения, задатчик 12 допустимого уровня колебаний, первый и второй нелинейные элементы 13 и 14, первый и второй нелинейные интеграторы 15 и !6, третий элемент 17 сравнения и блок 18 ограничения скорости резания. Нелинейный элемент 13 содержит масштабный усилитель 19 и регулируемую цепь 20 ограничения. Нелинейный элемент !4 содержит компаратор 21 и вентиль 22, нелинейный интегратор 15 — первый операционный усилитель 23, первую нелинейную входную цепь 24, первую цепь 25 обратной связи и цепь 26 ограничения. Нелинейный интегратор 16 «оде! жит второй операционный усилитель 27, вторую нелинейную входную цепь 28 и вторую цепь 29 обратной связи. На фиг. 1 — 4 и в тексте описания приняты обозначения: S — подача; 1!з — напряжение, пропорциональное подаче; Ч, Uv — скорость резания и пропорциональное ей напряжение; N, UN — мощность резания и пропорциональная ей величина напряжения; h, Uw — вибрация и пропорциональное ей напряжение; Т вЂ” стойкость инструмента; Uv,, Ьи,, DUh — уставки начальной скорости резания, мощности резания и допустимой амплитуды колебаний соответственно; h Uv >BUN — выходные напряжения первого и второго интеграторов; Ба, 014 -- выходные напряжения первого и второго нелинейных элементов; b, h — зона переключения нелинейных звеньев. Требуемый алгоритм управления системы иллюстрируется статическими характеристи= ками на фиг. 1а,б. В начальный момент состояние объекта управления характеризуется координатами $S„V, hg, Т1 (т. 1 на фиг. 1). Для того, что бы перевести объект управл ения в точку с координатами jSp, Vi < Vo. h < Ь, Т>Т1 ), необходимо пройти максимум зависимости h(V). Этого нельзя осуществить при подаче S = S вследствие появления недопустимо большой амплитуды колебаний, но можно сделать при менее интенсивном режиме, т.е. при подаче S1 (S<. Путем снижения подачи до величины S = $ уровень колебаний становится меньше величины Ьо+ьh (т.2), однако вследствие одновременного уменьшения скорости резания Vi В т. 8 система проходит максимум зависимости h(V), и дальнейшее снижение колебаний h до уровня h<> производится за счет снижения скорости резания, так как в зоне снижение подачи должно запрещаться. При выходе в т. 9 (состояние объекта управления характеризуется координатами ($1, Ч, h (h,, T) ТД) должно осуществляться апериодическое нарастание подачи до исходного значения S с целью увеличения линейной производительности. Возникающие при этом вибрации h (h Следует отметить, что для эффективного гашения колебаний таким способом необходимо, чтобы изменение уровня колебаний в зоне h) ho+ ЬЙ происходило более интенсивно при снижении подачи, чем при умень4О шении скорости резания. Возврат же подачи и скорости резания до своих исходных значений должен быть более медленный, чемих уменьшение. Эти два условия можно обеспечить применением нелинейных интеграторов с различными постояннными интегриро45 вания на увеличение и уменьшение их выходной величины, а также специальным законом уменьшения подачи при возникновении вибраций больше уровня h + bh. Приведенная на фиг. 2 функциональная 50 схема системы работает следующим образом. Контур стабилизации мощности, состоя;. чй из блоков 2 — 9, стабилизирует мощ. fb резания. Сигнал датчика 9 мощности р«зания сравнивается с сигналом задатчика 55 2, а с -...;ш. рассогласования при помощи регулятора 4 управляет приводом 5 подачи. Сигнал ограничения, пропорциональный Smax = Szpoa Z.п, задается блоком 8 огра1133583 ничения. При возникновении вибраций больше уровня he + дЬ они гасятся одновременным регулированием подачи и скорости резания (моменты времени t, t, tz на фиг. 3). В момент времени tq максимум по статической характеристике !1(V) пройден (т. 8 на фиг. 1 б), и дальнейшее уменьшение вибраций осуществляется снижением скорости, так как в зоне hp В момент времени tq вибрации снизилось до допустимого уровня hg, однако скорость резания продолжает снижаться до уровня V = Vj, при котором подача увеличивается до своего исходного значения (момент времени tp),, После прохождения вибронеустойчивого участка (момент времени tq) скорость резания апериодически возвращается к исходному значению V . Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении периода стойкости инструмента на вибронеустойчивых участках резания и, тем самым, в повышении экономичности и производительности обработки. Рассчитываем повышение экономичности и производительности обработки при применении предлагаемого изобретения. Увеличение скоростй резания в известном устройстве на вибронеустойчивых участках составляет до 20О/р, т.е. Vj = 1,2. Снижение периода стойкости инструмента при обработке стали и чугуна торцевыми тверд оспл а в ны м и фрез ам и соста вляет где То = 200 — 400 мин для фрез И = 200 — 400 мм; Тлр = 1000 — 1500 мин М = 4 — 5. Вероятность встречи с вибронеустойчивым участком резания при черновой обработке составляет около 50О/о. Вероятность увеличения скорости резания при гашении вибрации принимаем также 50 /О. Вероятность черновой обработки по данным Ульяновского ЗТС принята около 40 — 60О/о. Таким образом, в известном устройстве около 10— 15О/О от общего машинного времени работы станка инструмент работает с повышенной скоростью резания и сниженным в 3 — 3,8 раза периодом стойкости. Приняв годовой фонд времени работы станка Fr 3980 ч/г = = 238000 мин/г, долю машинного времени 50О/о, средний период стойкости инструмента Te = 200 мин, найдем, что при применении известного устройства должно быть заменено на вибронеустойчивых участках резания п — — 178 — 339 фрез. При применении предлагаемого устройства вибрации гасятся снижением скорости резания (причем это снижение не сказывается на производительности вследствие того, что на вибронеустойчивых участках главным является ограничение не по подаче на зуб, а по мощности главного привода из-за большого припуска), и следует ожидать повышение периода стойкости в 2,5— 3 раза (n — — 24 — 30 фрез). Таким образом, ожидаемое сокращение числа замены инструмента при применении изобретения — 150 — 300 раз в год. С учетом того, что после 10 — 11 переточек инструмент подлежит списанию из-за размерного износа, а стоимость крупных твердосплавных и быстрорежущих фрез достигает 100 — 120 руб. (стоимость фрез из эльбора еще выше), годовой экономический эффект 1500 — 3000 руб. Кроме того, снижение общего времени замены инструмента позволит повысить производительность на 0,5 — 2,0 /О и получить дополнительный эффект, который может быть значительным на крупных станках. Например, на уникальном продольно-обрабатывающем станке мод. 6650 — 10 повышение производительности от внедрения адаптивного управления дало экономический эффект 120 тыс. руб., дополнительное по4О вышение производительности на этом станке на 0,5О/о позволит повысить экономическую эффективность еще примерно на 10 тыс. руб. 1133583 4 Si Vmin lit V9 Az. У Фиг.2 1133583 15 /1б 4 tr 4g 13 ф t5 б Uv UH Составитель П. Кудрявцев Редактор В. Данко Тех рея И. Верес Корректор В. Бутяга Заказ 9835/39 Тираж 863 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий 113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП сПатент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
