способ управления процессом врезного шлифования и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления процессом врезного шлифования, включающий в себя этапы врезания, чернового и чистового шлифования и размерного выхаживания, отличающийся тем, что после окончания чернового шлифования производят промежуточное размерное выхаживание, во время которого измеряют параметры процесса шлифования для расчета его постоянной времени, величину припуска на чистовое шлифование устанавливают в зависимости от области распределения величины скорости съема припуска и значения погрешности формы детали, определяемых на этапе чернового шлифования, уровень чистовой подачи устанавливают в зависимости от дисперсии постоянной времени процесса шлифования, а припуск на выхаживание устанавливают пропорциональным математическому ожиданию постоянной времени процесса шлифования, определяемой на этапе промежуточного выхаживания.

2. Устройство управления процессом врезного шлифования, содержащее датчик текущего припуска обрабатываемой детали, соединенный своим выходом со входом усилителя-преобразователя, один из выходов которого соединен с первым входом микроЭВМ, второй - с первым входом четвертого нуль-органа, а третий - с первыми входами первого, второго, третьего нуль-органов, выходы первого, второго и третьего нуль-органов соединены с соответствующими входами блока управления приводом поперечной подачи, выход которого подсоединен к суппорту поперечной подачи шлифовального станка, задатчики припуска на чистовое шлифование и выхаживание, подсоединенные соответственно к вторым входам первого и второго нуль-органов, задатчик скорости чернового шлифования, подсоединенный к входу блока управления поперечной подачей, блок определения скорости съема припуска, соединенный своим входом с четвертым выходом усилителя-преобразователя, отличающееся тем, что в устройство введены блок определения начального размера и погрешности формы детали, два электронных ключа с управляемыми входами, задатчик припуска на промежуточное выхаживание, причем пятый выход усилителя-преобразователя через блок определения начального размера и погрешности формы детали подсоединен к второму входу микроЭВМ, первый и второй выходы блока определения скорости съема припуска через первый и второй электронные ключи соединены с третьим и четвертым входами микроЭВМ соответственно, первый и второй выходы микроЭВМ подсоединены к третьим входам первого и второго нуль-органов соответственно, второй выход первого нуль-органа подсоединен к управляемому входу первого электронного ключа, выход задатчика припуска на промежуточное выхаживание подсоединен к второму входу четвертого нуль-органа, выход которого соединен с управляемым входом второго электронного ключа, третий выход микро-ЭВМ подсоединен к входу блока управления приводом поперечной подачи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и станкостроению и предназначено для автоматизации технологических операций врезного шлифования в массовом и крупносерийном производствах.

Известен способ управления процессом врезного шлифования по а. с. 1144858, согласно которому управление поперечной подачей на этапе врезания осуществляется на основе измерения силы резания и скорости съема припуска, а при достижении скоростью съема заданного значения управление ведут по скорости съема металла в функции текущего значения припуска детали. Указанный способ реализует так называемый граничный алгоритм управления, позволяющий в рамках заданных технологических ограничений получать максимальную производительность обработки деталей.

Основные качественные показатели обрабатываемой детали - шероховатость поверхности и размер - обеспечиваются достижением заданного значения конечной скорости съема припуска.

Существенным недостатком данного способа является высокая чувствительность к возмущениям, обусловленным нестабильностью элементов привода поперечной подачи, неточностью косвенного измерения скорости съема металла, погрешностями геометрии исходной заготовки детали и другими факторами, что в конечном итоге проявляется в нестабильности качественных показателей обработки деталей.

Кроме того, из-за особенностей структуры граничного алгоритма он практически может быть реализован только на станках, оборудованных широкорегулируемыми электрическими приводами поперечной подачи. Как показали проведенные авторами экспериментальные работы на круглошлифовальном станке "Шаудт", оснащенным шаговым электроприводом поперечной подачей, нестабильность скорости съема припуска в установившемся режиме за счет различных возмущающих факторов составляет 10...20% от заранее задаваемых уровней скоростей.

Поскольку данный алгоритм управления предусматривает стабилизацию скорости съема металла, а следовательно, и силы резания на уровне предельного допустимого значения за счет следящего режима работы привода поперечной подачи, растет нестабильность скорости съема припуска. Это вызывает необходимость на практике снижать предельные уровни усилия резания, а значит идти на увеличение длительности машинного времени на этапе чистового шлифования с целью компенсации, связанных с нестабильностью погрешностей формы, шероховатости, волнистости и др. Следует отметить также, что эффективность работы привода поперечной подачи в следящем режиме в значительной степени определяется постоянной времени процесса шлифования и наиболее высока для оборудования, обладающего достаточной жесткостью.

Однако для подавляющего большинства технологических процессов шлифования массового производства характерны весьма короткие во времени циклы шлифования с присущими им переходными режимами, для которых рассматриваемый способ практически неприемлем.

Лучшие качественные результаты обработки могут быть получены по способу управления циклом шлифовального станка по а.с. 984839, выбранному нами за прототип, согласно которому уровень черновой подачи устанавливают в соответствии с параметрами закона распределения режущих свойств инструмента, определяемыми по малой выборке деталей. Момент переключения с черновой подачи на чистовую и закон изменения чистовой подачи формируют на основе распределения брака по термической поврежденности поверхностного слоя обработанной детали.

Достоинством этого способа является учет стохастического характера функционирования процесса шлифования путем определения стохастических характеристик режущей способности шлифовального круга и определения на этой основе предельного уровня скорости поперечной подачи.

Способ позволяет оценивать текущее состояние процесса шлифования и выбирать оптимальные режимы не только для технологических процессов, реализуемых на жестких станочных системах, но и для технологических процессов, функционирующих преимущественно в переходных режимах.

Вместе с тем, данному способу присущи недостатки:

1) оценка режущих свойств шлифовального круга и выбор на этой основе уровня черновой подачи определяют предельные возможности цикла с точки зрения силовых параметров процесса шлифования. Не учитывается взаимосвязь уровня черновой подачи и стохастических свойств объекта управления с параметрами, определяющими качественные показатели обработанной детали, в частности с конечной скоростью съема припуска;

2) параметры режима чистового шлифования выбираются только с учетом ограничения по прижогам, тогда как оптимальный цикл должен учитывать другие качественные показатели: точность размера и формы, шероховатость поверхности, а также производительность обработки.

Кроме того, оба рассмотренных способа - аналог и прототип - слабо учитывают стохастические свойства процесса шлифования как объекта управления, что практически либо сильно сужает области их применения, либо ограничивает возможности оптимизации цикла обработки по производительности.

В качестве прототипа устройства для осуществления способа авторами взято устройство по а. с. 1316800. Устройство содержит датчик текущего припуска, усилитель-преобразователь, четыре нуль-органа, блок управления приводом поперечной подачи, блок определения скорости съема припуска, задатчики припусков на чистовое шлифование и выхаживание, задатчик скорости чернового шлифования и микроЭВМ.

К недостаткам данного устройства следует отнести узкую область его применения, ограничивающуюся технологическими процессами с установившимся режимом шлифования на этапе черновой подачи. Это, как правило, связано с высокой жесткостью станочного оборудования и малой постоянной времени процесса шлифования. Устройство не учитывает также вариации начального припуска и погрешности формы заготовки детали, не компенсирует вызываемую возмущающими факторами нестабильность скорости съема припуска в цикле обработки детали.

Целью настоящего изобретения является повышение точности размера деталей, снижение уровня шероховатости и повышение стабильности обработанной поверхности, повышение производительности станочного оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что после этапа чернового шлифования производят размерное промежуточное выхаживание. Величину припуска на чистовое шлифование устанавливают в зависимости от области распределения величины скорости съема припуска и значения погрешности формы детали, определяемых на этапе чернового шлифования. Уровень чистовой подачи устанавливают в зависимости от значения дисперсии постоянной времени процесса шлифования, определяемой на этапе промежуточного выхаживания. Припуск на выхаживание устанавливают пропорциональным математическому ожиданию постоянной времени процесса шлифования.

В устройстве для осуществления предлагаемого способа поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчик текущего припуска обрабатываемой детали, соединенный своим выходом со входом усилителя-преобразователя, один из выходов которого соединен с первым входом микроЭВМ, второй - с первым входом четвертого нуль-органа, а третий с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого нуль-органов, выходы первого, второго и третьего нуль-органов соединены с соответствующими входами блока управления приводом поперечной подачи, выход которого подсоединен к суппорту поперечной подачи шлифовального станка, задатчики припуска на чистовое шлифование и выхаживание, подключенные соответственно к вторым входам первого и второго нуль-органов, задатчик скорости чернового шлифования, подключенный к входу блока управления поперечной подачи, блок определения скорости съема припуска, связанный своим входом с четвертым выходом усилителя-преобразователя, а выходом - с первым входом микроЭВМ, введены блок определения начального размера и погрешности формы детали, два электронных ключа с управляемыми входами и задатчик припуска на промежуточное выхаживание. Пятый выход усилителя-преобразователя через блок определения начального размера и погрешности формы детали подключен к второму входу микроЭВМ. Первый и второй выходы блока определения скорости съема припуска через первый и второй электронные ключи соединены с третьим и четвертым входами микроЭВМ соответственно. Первый и второй выходы микроЭВМ подключены к третьим входам первого и второго нуль-органов соответственно. Второй выход первого нуль-органа подключен к управляемому входу первого электронного ключа. Выход задатчика припуска на промежуточное выхаживание подключен к второму входу четвертого нуль-органа, выход которого соединен с управляемым входом второго электронного ключа. Третий выход микроЭВМ подключен к первому входу блока управления приводом поперечной подачи.

Авторам неизвестны способ и устройство с перечисленными выше отличительными признаками.

На фиг.1 приведены графики изменения скоростей поперечной подачи V_c1(S), V_c2(S) в функции текущего припуска и изменения скоростей съема металла V_м(S) в пределах одного рабочего цикла; на фиг.2 приведена блок-схема, реализующая предлагаемый способ. В предлагаемом способе осуществляется оптимизация алгоритма управления на основе учета стохастических свойств процесса шлифования, к числу которых в первую очередь относятся: вариации скорости съема припуска V_м, вариации постоянной времени T_oy и вариации скорости поперечной подачи V_c.

Сущность способа рассмотрим на основе анализа динамической модели процесса шлифования, описываемой линейным дифференциальным уравнением первого порядка (В.Н.Михелькевич. Автоматическое управление шлифованием. М., Машиностроение, 1975, стр. 63) в виде



где S(t), S_с(t) - координаты текущего припуска обрабатываемой детали и перемещения шлифовального суппорта соответственно.

В качестве допущения здесь принято, что коэффициент передачи объекта управления равен единице вследствие незначительного износа шлифовального круга в пределах одного цикла обработки и в условиях его затупления.

Динамику процесса шлифования можно проанализировать по фазовым траекториям V_м(S) в фазовой плоскости V_м - S (фиг.1). С этой целью из уравнения (1) исключим текущее время t



Проварьируем (2), в результате чего получим



где W = V_м; = T_oy; kV_c = V_c.

Выражения (2) и (3) описывают некоторую "среднюю" фазовую траекторию и ее вариации в пределах цикла обработки. "Средняя" траектория обозначена цифрами 1-2-3-4-5. Траектория 6-7-8-9-10 соответствует обработке детали с максимальным начальным припуском S_nmax и острорежущим кругом; траектория 11-12-13-14-15 соответствует минимальному значению начального припуска S_{н min} при обработке притупленным шлифовальным кругом. Скорость поперечной подачи в цикле обработки детали изменяется по следующему алгоритму



и соответствует для максимального значения начального припуска S_{н max} кривой 6-16-17-18-19-20-21-22 на фиг.1.

Уровень скорости черновой подачи V_с1 определяет, главным образом, производительность процесса шлифования и выбирается с учетом конструктивных и системных ограничений, например, по предельному значению упругой деформации, из условий стойкости шлифовального круга, технологических ограничений (перенесение погрешности формы детали на режущую поверхность шлифовального круга и обуславливаемые указанным явлением наследственные дефекты обрабатываемой поверхности).

Уровень чистовой подачи V_с2 определяется в каждом цикле обработки детали на основе расчета и анализа дисперсии постоянной времени D[T_oy].

Линия V⁽_мⁿ⁾(S) ограничивает область режимов, вызывающих термическую поврежденность обрабатываемой поверхности. Линия V⁽_м^u)(S) отображает максимальные системные и технологические ограничения, наложенные на управление процессом шлифования.

Задачей оптимального управления является перевод системы, описываемой уравнениями (2), (3) из области S_{н min} S S_{н max}; V_м = 0 в область S = 0, V_мк2 V_м V_мк1 за минимально возможное машинное время. Решение указанной задачи рассмотрим поэтапно. Для участка выхаживания S [S₂;0] исходная система уравнений (2) и (3) примет вид



при начальных условиях



Решение (5) для точки S = S₂ описывается уравнениями



Из (7) находится выражение для уровня чистовой подачи V_с2



где

Уравнение (8) отражает в относительных единицах зависимость уровня чистовой подачи от значения вариации постоянной времени или же, что равнозначно, от величины дисперсии постоянной времени D[T_oy].

Величина припуска на выхаживание (момент переключения с чистовой подачи на выхаживание), как следует из (7), зависит от значения математического ожидания постоянной времени процесса шлифования

S₂ = (V_м - V_мко)M[T_oy]. (9)

Уравнения (7), (8) и (9) показывают, что при заданном диапазоне вариаций конечной скорости W₀ и параметрах постоянной времени M[T_oy] и D[T_oy] существуют значения фазовых координат S₂ и V_с2, при которых вариации скорости съема припуска в точке S = S₂ не превышают значения W₂.

С позиций управления основное назначение этапа чистового шлифования состоит в уменьшении вариации скорости съема припуска, имеющее в точке S = S₁ величину W₁ до значения W₂ в точке S = S₂. Поскольку значение вариации скорости съема припуска W₂ известно из (7), то можно определить величину вариаций скорости съема припуска W₁. Решая систему уравнений (2) и (3) для этапа чистового шлифования, получим:



где u = V_м/V_с1; p = V_м1/V_с1;

Верхний индекс (2) при указывает, что вариация W₁ рассматривается как следствие вариации W₂.

С другой стороны, вариацию скорости съема припуска W₁ можно рассматривать как результат воздействия возмущающих факторов на этапе врезания и чернового шлифования при S [S_н;S₁], в первую очередь, за счет вариации начального припуска S_н и постоянной времени процесса шлифования T_oy. На данном этапе динамика процесса шлифования описывается системой уравнений



Уравнения (12) и (13) позволяют определить величину вариации скорости съема припуска в относительных единицах, как



где значение вариации начального припуска.

Наименьшее машинное время будет в том случае, если в точке S = S₁ соблюдается условие



Для этапа чернового шлифования справедливы соотношения

1-u₁ = ₁ 1, u₂-p = ₂ 1. (16)

С учетом (16) условие (15) примет вид



Можно показать, что для (17) справедливо допущение



и тогда выражение (17) упростится



На основе уравнений (12) и (19) определяется координата окончания режима чернового шлифования



где

Координата переключения S₁ может измениться, если учитывать необходимость исправления начальной погрешности формы детали в течение цикла шлифования. Погрешность формы детали в конце цикла шлифования _фк определяется выражением



где _фн - начальное значение погрешности формы;

t_ф - время, необходимое для исправления начальной погрешности формы до величины _фк.

С другой стороны, длительность цикла T_маш определяется параметрами режима обработки и может быть найдена путем решения уравнения (1)



С учетом этого значение S₁ определяется из условия

t_ф = T_маш. (23)

Приведенные аналитические выкладки и диаграммы рабочего цикла на фиг.1 позволяют описать последовательность операций цикла обработки детали по предлагаемому способу и их количественные значения.

Перед началом обработки детали измеряется ее начальный размер S_н и погрешность формы _фн. При обработке первых деталей в начале рабочей смены, когда состояние режущей способности шлифовального круга неизвестно, для расчетов параметров цикла используются априорные сведения о величине M[T_oy] и D[T_oy]. По мере накопления измерительной информации (порядка 3-х деталей) в расчетах используются рассчитанные по малым выборкам статистические параметры M[T_oy] и D[T_oy]. Определяется расчетное значение припуска S₁ по выражению (20), уровень чистовой подачи V_с2 по выражению (8) и значение припуска на выхаживание по выражению (9). Поскольку параметры цикла теперь известны, определяется машинное время (22) и сравнивается с временем, необходимым для исправления начальной погрешности формы (21).

При необходимости, в случае, если t_ф > T_маш, осуществляется перерасчет S₁ для получения условия (23).

Затупление шлифовального круга вызывает изменение статистических параметров постоянной времени T_oy, что повлечет изменение величин вариаций скорости съема припуска и необходимости выполнения условия (15), из которого последует новое значение координаты S₁. Соответственно изменяются координата S₂ и уровень чистовой подачи V_с2.

Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления рабочим циклом шлифования по каналу поперечной подачи, представлена на фиг. 2.

Устройство содержит датчик текущего припуска обрабатываемой детали 23, соединенный своим выходом со входом усилителя-преобразователя 24, один из выходов которого соединен с первым входом микроЭВМ 25, второй - с первым входом четвертого нуль-органа 26, а третий - с первыми входами первого 27, второго 28, третьего 29 нуль-органов. Выходы первого 27, второго 28 и третьего 29 нуль-органов соединены с соответствующими входами блока управления приводом поперечной подачи 30, выход которого подсоединен к суппорту поперечной подачи 31 шлифовального станка. Устройство содержит задатчики припуска на чистовое шлифование 32 и выхаживание 33, подключенные соответственно к вторым входам первого 27 и второго 28 нуль-органов, задатчик скорости чернового шлифования 34, подключенный к входу блока управления приводом поперечной подачи 30, блок определения скорости съема припуска 35, связанный своим входом с четвертым выходом усилителя-преобразователя 24. Дополнительно в устройство введены блок определения начального размера и погрешности формы детали 36, два электронных ключа с управляемыми входами 37 и 38 и задатчик припуска на промежуточное выхаживание 39. Пятый выход усилителя-преобразователя 24 через блок определения начального размера и погрешности формы детали 36 подключен к второму входу микроЭВМ 25, первый и второй выходы блока определения скорости съема припуска 35 через первый 37 и второй 38 электронные ключи соединены с третьим и четвертым входами микроЭВМ 25 соответственно. Первый и второй выходы микроЭВМ 25 подключены к третьим входам первого 27 и второго 28 нуль-органов соответственно. Второй выход первого нуль-органа 27 подключен к управляемому входу первого электронного ключа 37. Выход задатчика припуска на промежуточное выхаживание 39 подключен к второму входу четвертого нуль-органа 26, выход которого соединен с управляемым входом второго электронного ключа 38. Третий выход микроЭВМ 25 подключен к входу блока управления приводом поперечной подачи 30.

МикроЭВМ 25 имеет типовую структуру и содержит центральный процессорный элемент 40, оперативное (ОЗУ) 41 и постоянное (ПЗУ) 42 запоминающие устройства, устройство ввода-вывода данных 43 и клавиатуру 44.

Программа вычислительных операций и расчета статистических параметров М[T_oy] и D[T_oy] хранится в ПЗУ 42, куда заносятся также сведения, характеризующие показатели качества детали: величина конечной скорости съема припуска V_мко и диапазон ее вариаций W₀, значения математического ожидания M[T_oy] и дисперсии D[T_oy] . Эти данные используются в начале шлифования (в начале рабочей смены), когда отсутствует статистическая информация о параметрах распределения. ОЗУ используется для хранения текущей измерительной информации: величины снимаемого припуска S(t), начального размера детали S_н и погрешности формы _фн, скоростей съема припуска V_м, измеряемых на этапе промежуточного выхаживания, случайных значений постоянной времени T_oy и ее статистических характеристик. Ввод перечисленных данных и вывод управляющих сигналов для коррекции значений координат S₁ и S₂ переключения скоростей и изменения (перестройки) уровня чистовой подачи осуществляется через устройство ввода-вывода 43. Для оперативного управления микроЭВМ используется также клавиатура 44.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Перед началом цикла обработки с помощью датчика припуска 23 производят дискретные измерения диаметрального размера детали при ее вращении с последующим определением в микроЭВМ 25 среднего размера D_ср и начальной погрешности формы детали _фн.



где D_i - размер детали в i-м сечении;

N - число дискретных отчетов (сечений);

D_max, D_min - максимальный и минимальный размеры детали. На основе оценки D_ср определяется среднее значение начального припуска детали



которое записывается вместе с значением погрешности формы _фнц в ОЗУ 41. Затем, если обрабатываемая деталь - первая после правки или замены шлифовального круга, вызываются хранящиеся в ПЗУ 42 значения параметров M[T_oy] и D[T_oy] , которые отражают условия обработки, например, связанные с затуплением шлифовального круга.

На этапе врезания и чернового шлифования микроЭВМ 25 осуществляет расчет координат S₁ и S₂ в соответствии с выражением (9) и (20), а также расчет уровня чистовой подачи (8) и времени t_ф, необходимого для исправления начальной погрешности формы. В устройстве используются также задатчики припусков на чистовое шлифование 32 и выхаживание 33, причем их роль в устройстве вспомогательная, в основном при ручных наладках устройства или внезапных отказах микроЭВМ 25 - для осуществления временной работы станка по жесткой программе. Электрические сигналы, пропорциональные рассчитанным значениям координат переключения режимов подачи S₁ и S₂, поступают на входы первого 27 и второго 28 нуль-органов соответственно. Сигнал, пропорциональный расчетному значению уровня скорости поперечной подачи на этапе чистового шлифования V_с2, поступает на вход блока управления поперечной подачи 30.

Момент перехода с чернового шлифования на чистовое (участок припуска S [S₁;S₃] фиг. 1) используется для организации промежуточного размерного выхаживания, длительность которого порядка постоянной времени процесса шлифования.

В точке S = S₁ скорость суппорта сбрасывается до нуля (V_с = 0) за счет торможения привода поперечной подачи. Первый нуль-орган 27, который срабатывает в точке S = S₁, одновременно подает сигнал на управляемый вход первого электронного ключа 37. Значение скорости съема припуска V_м = V_м1 с выхода блока определения скорости съема припуска 35 через замкнутый электронный ключ 37 записывается в ОЗУ 41 микроЭВМ 25. При достижении текущим припуском значения S = S₃ срабатывает четвертый нуль-орган 26. Величина припуска S = S₃ на промежуточное выхаживание опытным путем устанавливается оператором с помощью задатчика 39. Срабатывание четвертого нуль-органа 26 вызывает замыкание второго электронного ключа 38 и значение скорости съема припуска переписывается в ОЗУ 41 микроЭВМ 25.

Полученные результаты измерений скорости съема припуска используются для определения постоянной времени шлифования



Вычисленное случайное значение T_oy переписывается в ОЗУ 41. После измерения случайных значений постоянной времени для выборки деталей объемом 3...5 шт. микроЭВМ 25 осуществляет расчет статистических параметров M[T_oy] и D[T_oy], которые затем используются в расчетах параметров режима обработки. В последующих циклах значения M[T_oy] и D[T_oy] периодически уточняются на основе процедуры метода скользящей средней в течение периода стойкости шлифовального круга.

Предлагаемые способ и устройство реализованы в микропроцессорной системе управления режимом шлифования ЭПЗК8724, разработанной Тольяттинским политехническим институтом и Волжским автомобильным заводом. Система предназначена для обработки деталей-валов автомобиля на круглошлифовальных станках, имеющих постоянную времени процесса обработки T_oy [2;8] сек.

Технологические процессы с такой постоянной времени протекают, как правило, в переходных режимах и влияние случайных факторов на показатели качества и производительность неавтоматизированных станков весьма значительны, что вынуждает на практике увеличивать машинное время на этапе чистового шлифования, а значит вынужденно занижать производительность станков.

Машинное время, затрачиваемое на обработку деталей по действующей технологии, в зависимости от типа деталей и требований качества находится в пределах 20...35 с.

За счет оптимизации режима обработки по предлагаемому способу машинное время удается снизить на 20...25%. При сохранении же длительности цикла обработки соответственно на такую же величину - повысить точность диаметрального размера и снизить шероховатость обработанной поверхности детали.