Афонина Наталья Александровна. Повышение виброустойчивости процесса токарной обработки на основе управляемых колебаний скорости резания : Афоніна Наталія Олександрівна. Підвищення вібростійкості процесу токарної обробки на основі керованих коливань швидкості різання

Краткое описание

Афонина Наталья Александровна. Повышение виброустойчивости процесса токарной обработки на основе управляемых колебаний скорости резания : Дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 : Тула, 2004 182 c. РГБ ОД, 61:05-5/174

На правах рукописи
АФОНИНА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА
ПОВЫШЕНИЕ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕБАНИЙ СКОРОСТИ
РЕЗАНИЯ
Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук,
доцент А.Б.ОРЛОВ
ТУЛА - 2004 г
ВВЕДЕНИЕ 4
FJ1ABA 1 Современное состояние вопроса повышения виброустой¬чивости процесса резания 8
1.1. Механизмы возникновения автоколебаний в упругой системе токарного станка 8
1.2. Анализ способов повышения виброустойчивости процес¬са резания на основе адаптивного управления 17
1.3. Выбор способов аппаратно-программной реализации автоматизированной системы повышения вибро¬устойчивости металлообрабатывающего оборудования 29
1.4. Цели и задачи исследования 36
ГЛАВА 2 Разработка алгоритмов управления колебаниями ско¬рости резания целью повышения виброустойчивости процесса обработки 38
2.1. Постановка задачи подавления автоколебаний в процессе токарной обработки на основе управления частотой вращения привода 38
2.2. Разработка модели процесса резания в условиях управля¬емых колебаний скорости резания 42
2.3. Анализ алгоритмов идентификации и прогнозирования вибрационных процессов для организации адаптивного управления колебаниями скорости резания 68
2.4. Разработка алгоритмов программного управления колеба¬ниями скорости резания 79
2.5. Выводы по второй главе .89
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование алгоритмов подавления автоколебаний в процессе токарной обработки 91
з
3.1. Описание экспериментальной установки 91
3.2. Экспериментальная оценка эффективности разработан¬ных алгоритмов подавления автоколебаний на основе адаптивного управления 103
3.3. Экспериментальная оценка эффективности адаптивного способа снижения уровня автоколебаний 111
3.4. Выводы по третьей главе 119
ГЛАВА 4 Техническая реализация адаптивной системы подавления автоколебаний на основе управления колебаниями скорости
резания 122
4.1. Программное обеспечение для управления частотой
вращения привода 122
4.2. Вариант реализации адаптивной системы подавления автоколебаний для СЧПУ типа PCNC 131
4.3. Вариант реализации адаптивной системы подавления автоколебаний на основе микроконтроллера РІС16С745 135
4.4. Выводы по четвертой главе 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 145
ПРИЛОЖЕНИЯ 157
4
*
Актуальность работы обусловлена тем, что возникновение автоколеба¬ний в упругих системах металлорежущих станков возможно при всех видах обработки материалов резанием. При интенсивных режимах обработки ам¬плитуда автоколебаний может достигать значений, при которых существен¬но снижается точность и качество обработанной поверхности, увеличиваются волнистость, наклеп, остаточные напряжения в детали, а также повышается износ режущего инструмента и станка. Это явление весьма характерно и для токарной обработки, которой подвергается значительная часть деталей, изго¬тавливаемых резанием.
Существует ряд способов борьбы с вибрациями при точении, основан¬ных на соответствующем подборе режимов резания, увеличении жесткости элементов систем, демпфировании колебаний и др. Однако в современных условиях постоянного расширения и изменения номенклатуры производства при широком использовании станков с ЧПУ способы, основанные на экспе¬риментальном подборе оптимальных режимов резания, становятся неэффек-тивными вследствие увеличения затрат времени на технологическую подго¬товку производства. Вместе с тем существуют способы гашения автоколеба¬ний, основанные на адаптивном управлении режимами резания непосредст¬венно в процессе обработки. Ряд подобных способов основан на управлении скоростью резания, которое достаточно просто реализуется технически и обеспечивает эффективное воздействие на процесс резания. Однако в на¬стоящее время такие способы применяются также в виде регулирования на основе предварительных расчетов, что ограничивает их применение, по¬скольку не позволяет учитывать многообразие причин и изменчивость усло¬вий возникновения автоколебаний при обработке резанием на токарных станках с ЧПУ. При использовании таких способов в переменных условиях резания возникает необходимость соответствующего периодического изме-
нения (колебания) режимов резания и, в первую очередь, скорости резания, которое будет способствовать гашению автоколебаний за счет недопущения равенства или кратности частоты вращения заготовки и собственной час тоты упругой системы и исключения резонансных явлений.
Кроме того, на современном этапе развития теории и практики числово¬го программного управления металлообрабатывающим оборудованием на¬шли достаточно широкое применение системы ЧПУ на базе персональных компьютеров. Использование подобных систем открывает новые перспекти¬вы для выработки управляющих воздействий, которые могут быть реализо- ваны программным способом. В связи с этим в области обработки материа¬лов резанием актуальной становится задача повышения виброустойчивости процесса токарной обработки на основе оперативного управления колеба¬ниями скорости резания на современных станках с ЧПУ.
Целью диссертационной работы является улучшение качества обра-ботанной поверхности за счет повышения виброустойчивости процесса то¬карной обработки на основе управления колебаниями скорости резания.
Поставленная цель определила следующие основные задачи работы:
1. Исследовать механизм подавления автоколебаний в условиях опера¬тивного управления скоростью резания.
2. Разработать эффективные способы управления колебаниями скоро- ^ сти резания, обеспечивающие повышения виброустойчивости.
3. Разработать эффективную модель прогнозирования и идентифика¬ции автоколебаний в процессе резания.
4. Разработать аппаратно-программное обеспечение управления приво¬дом главного движения, обеспечивающее управляемые колебания частоты вращения заготовки и скорости резания.
5. Произвести экспериментальную оценку повышения виброустойчи¬вости токарной обработки на основе управления колебаниями скорости реза-
щ ния. 
6. Разработать способы аппаратной и программной реализации пред¬ложенных способов управления на токарных станках ЧПУ.
Методы исследований. Теоретические исследования базировались на методах теории резания металлов, динамики станков, теории автоматическо¬го управления и теории распознавания образов. Экспериментальные иссле¬дования проведены на базе модернизированного токарного станка с ЧПУ и цифрового генератора FG- 32. Получение информации о процессе резания и её обработка производились с помощью цифрового осциллографа PC Scope PCS64i и компьютерной измерительной лаборатории на базе АЦП ЛА-2.
Автор защищает:
1. Математическую модель подавления автоколебаний технологиче¬ской системы токарного станка с применением различных алгоритмов управ¬ления колебаниями скорости резания.
2. Вывод о целесообразности и эффективности использования для по¬вышения виброустойчивости процесса токарной обработки способа управле¬ния колебаниями скорости резания со случайным изменением частоты и ам¬плитуды колебаний.
3. Двухуровневую систему прогнозирования и идентификации автоко¬лебаний технологической системы токарной операции на основе анализа огибающей и спектральной характеристики динамической составляющей си¬лы резания в режиме реального времени.
4. Аппаратно-программное обеспечение управления приводом главно¬го движения, обеспечивающее заданные колебания частоты вращения заго¬товки и скорости резания.
%
5. Результаты экспериментальной оценки повышения виброустойчиво¬сти процесса токарной обработки на основе управления колебаниями часто¬ты вращения заготовки и скорости резания.
6. Способы аппаратной и программной практической реализации адап¬тивной системы подавления автоколебаний на основе управляемых колеба¬ний скорости резания на станках с ЧПУ.
Научная новизна исследования заключается в теоретическом обосно¬вании и экспериментальном подтверждении повышения виброустойчивости процесса токарной обработки, при частотах вращения шпинделя ниже частот собственных колебаний системы, на основе использования управляемых ко¬лебаний скорости резания со случайным изменением их частоты и амплиту¬ды и применения двухуровневой системы прогнозирования и идентификации автоколебаний путем анализа огибающей и спектральных характеристик ди¬намической составляющей силы резания в режиме реального времени.
Практическая ценность. Предложена адаптивная система управления частотой вращения шпинделя токарного станка на основе персонального компьютера, совместимая с серийными приводами главного движения стан¬ков с ЧПУ, для подавления автоколебаний в процессе токарной обработки, обеспечивающая заданное качество обрабатываемой поверхности, и разрабо¬таны рекомендации по выбору оптимальных способов управления колеба¬ниями скорости резания.
Реализация работы. Способ подавления автоколебаний реализован на экспериментальной установке на базе токарного станка УТ16ФЗ с использо¬ванием системы ЧПУ на основе персонального компьютера в лаборатории кафедры “Автоматизированные станочные системы” Тульского государст¬венного университета. Результаты работы приняты к внедрению на произ¬водстве АО «Тулаточмаш». Отдельные результаты теоретического и экспе¬риментального исследования использованы также в учебном процессе по курсах «Теория автоматического управления» и « Точность и динамика ме¬таллорежущих станков».

Список литературы

Заключение
В диссертации разработан и реализован адаптивный способ подавления автоколебаний в технологической системе токарного станка на основе управ¬ляемой девиации параметров режима резания и двухуровневой модели про¬гнозирования и идентификации вибропроцессов. С помощью адаптивной системы на основе разработанного алгоритма управления частотой вращения шпинделя привода главного движения достигнуто существенное повышение качества обработанной поверхности.
Основные научные и практические результаты заключаются в следую¬щем:
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. На современном этапе развития механической обработки материалов
в многономенклатурном производстве с широким использованием интенсив¬ных режимов резания повышаются требования к виброустойчивости процес¬са и оборудования. При этом одним из путей повышения виброустойчивости и снижения амплитуды автоколебаний может быть использование метода адаптивной оптимизации с оперативным управлением колебаниями (девиа¬цией) скорости резания на основе изменения в режиме реального времени ее динамической составляющей.
2. Разработана математическая модель процесса резания в операторной форме, позволяющая оценить влияние различных параметров на эффектив¬ность подавления автоколебаний в технологической системе токарного стан¬ка с применением различных алгоритмов управления колебаниями скорости резания. Модель позволяет учитывать влияние неравномерности припуска под обработку и развитие автоколебаний под воздействием следа на обрабо¬танной поверхности.
3. Рассмотрены различные варианты колебаний частоты вращения за¬готовки (синусоидальные, пилообразные и др.), влекущие за собой колебания скорости резания, которое оказывает демпфирующее воздействие на процесс развития автоколебаний. Теоретический анализ этих вариантов показал, что при частотах вращения шпинделя, ниже частот собственных колебаний сис¬темы, оптимальным с точки зрения гашения вибраций является способ управления колебаниями частоты вращения и скорости резания со случай¬ным изменением частоты и амплитуды колебаний, поскольку он обеспечива¬ет нерегулярность следа на обработанной поверхности, что, в свою очередь, способствует устранению резонансных явлений и гашению вибраций. При этом величина изменения скорости резания будет зависеть от частоты уста¬новившихся колебаний, определяемых свойствами самой упругой системы, т.е. скорость должна изменяться таким образом, чтобы частота колебаний припуска на поверхности резания не была равной или кратной частоте собст-венных колебаний упругой системы.
4. Исходя из требований к организации алгоритмов программного управления колебаниями (девиацией) параметров режима резания, заклю¬чающихся в необходимости своевременного перехода в режим девиации при возникновении опасности развития автоколебаний, предложена двухуровне¬вая адаптивная модель прогнозирования и идентификации вибрационных процессов при токарной обработке. Функционирование системы основано на анализе огибающей и спектральной характеристики динамической состав¬ляющей силы резания в режиме реального времени. На первом уровне осу¬ществляется прогнозирование возникновения автоколебаний по выходному сигналу, снимаемому с датчика и проходящему через детектор. Анализирует¬ся полученная огибающая сигнала и принимается решение о включении ре¬жима девиации для подавления автоколебаний. Если гашение автоколебаний не происходит, то на втором уровне осуществляется идентификация ситуа¬ций связанных с возникновением колебаний, определяемых дефектами на-ладки станка, на основе анализа спектральной характеристики динамической составляющей силы резания.
5. Разработано аппаратно-программное обеспечение системы управле¬ния приводом главного движения, обеспечивающее управляемые колебания частоты вращения заготовки и скорости резания в соответствии с выбранным алгоритмом. Разработанные алгоритмы девиации скорости резания позволя¬ют организовать как разомкнутые, так и замкнутые системы автоматического подавления автоколебаний, из которых первые могут быть использованы при обработке изделий с повышенными требованиями по точности и качеству поверхности при постоянной девиации, а вторые - при черновых режимах обработки, когда переход в режим девиации осуществляется при опасности развития автоколебаний.
6. Проведенные экспериментальные исследования показали, что разра¬ботанные стохастические способы управления частотой вращения привода главного движения, обеспечивающие колебания скорости резания со случай¬ным изменением частоты и амплитуды, эффективно снижают уровень авто¬колебаний в технологической системе станка. При этом амплитуда автоколе¬баний может снижаться в 15...20 раз по сравнению с обработкой па постоян¬ной скорости резания в условиях развития автоколебаний. Снижение ампли¬туды автоколебаний более чем в два раза наблюдается также и при использо¬вании предложенного способа гашения вибраций в условиях существования дефектов наладки станка. Разработанные способы управления колебаниями (девиацией) скорости резания при использовании на черновых режимах об¬работки позволяют также существенно снизить припуск за счет повышения качества обработанной поверхности.
7. Результаты экспериментальной оценки повышения виброустойчиво¬сти процесса токарной обработки на основе управления колебаниями часто¬ты вращения заготовки и скорости резания подтвердили теоретические пред¬положения о том, что функционирование неисправного узла сопровождается возрастанием амплитуды в области собственных частот спектра с более вы-раженным увеличением в области, соответствующей частотам собственных
колебаний резца, резцедержателя и неисправного узла. При этом установле¬но, что амплитуда собственных колебаний увеличивается с понижением ка¬чества соединений и узлов станка, а частота их смещается в зону более низ¬ких частот.
8. Предложенная адаптивная система подавления автоколебаний на ос¬нове управления колебаниями скорости резания может быть реализована двумя способами:
- в виде специального программного модуля, встраиваемого в про¬граммное обеспечение системы ЧПУ типа PCNC, путем использования суще¬ствующих входных API-функций и аппаратно-программного блока для изме¬рения в режиме реального времени величины динамической составляющей силы резания;
*
- в виде автономного модуля на основе микроконтроллера или микро- ЭВМ, встраиваемого в серийные приводы главного движения и обладающе¬го возможностью оперативного управления частотой вращения шпинделя на основе заданного алгоритма.
Список использованной литературы
1. Ллтулов В.Н. Контроль характера стружки в условиях автоматического производства. //Типовые механизмы и технологическая оснастка. Тезисы доклада. Станки - 92. - Киев 1992. - С29 - 30.
2. Альбрехт П. Автоколебания при резании металлов // Конструирование и технология машиностроения. - М.: Мир. -1962. - №3. - с. 11 - 25.
3. Амосов И.С. Осциллографические исследования автоколебаний при реза¬нии металлов. Сборник «Точность механической обработки и пути ее по¬вышения».- М., Машгиз, 1951.
4. Ананьев И.В., Тимофеев П.Г. Колебания упругих систем а авиационных конструкциях и их демпфирование. М. Машиностроение, 1965. 525 с.
5. А.с. 1074660 СССР, В23В21/00.
6. А.с. 176.1383. СССР, МКИ3 В23В 1/100. Способ определения динамиче¬ской жесткости станка.
7. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точно¬стью обработки наМРС. М.: Машиностроение, 1988.- 136с.
8. Адаптивное управление станками. Под ред. Балакшина Б.С. // - М.: Ма¬шиностроение. 1973. 684 с.
9. Афонин А.А. Повышение виброустойчивости технологической системы станка с применением адаптивного управления приводом главного движе¬ния. Дисс. канд. тех. наук. Тула 1998. -126с.
10. Афонин А.А., Афонина Н.А., Орлов А.Б. Использование систем ЧПУ на основе перернальных компьютеров (PCNC) для управления девиацией па¬раметров режима резания.// Известия ТулГУ. Серия Технологическая сис¬темотехника 2002: сборник трудов первой международной электронной научно-технической конференции. - Тула: изд-во ТулГУ, 2003.-е 50-56.
11. Афонин А.А. Афонина Н.А., Орлов А.Б. Использование алгоритмов са-мообучения для повышения виброустойчивости технологической систе¬
мы.// Известия ТулГУ. Серия Технологическая системотехника 2002: сборник трудов первой международной электронной научно-технической конференции. - Тула: изд-во ТулГУ, 2003.-е 56-59.
12. Афонина Н.А., Орлов А.Б. Использование экономических критериев при адаптивном управлении процессом обработки лезвийным инструментом с девиацией режимов резания.// Известия ТулГУ. Серия Экономика. Управ¬ление. Финансы./ Под редакцией Л.А.Васина. Вып.З.. - Тула: изд-во Тул¬ГУ, 2003.-е 54-59.
13. Афонин А.А.; Афонина Н.А., Орлов А.Б. Исследование возможности реа¬лизации низкочастотной девиации скорости резания с помощью тиристор¬ного электропривода с двигателем постоянного тока.// Известия ТулГУ. Серия Технологическая системотехника: сборник трудов второй междуна¬родной электронной ■ научно-технической конференции. - Тула: изд-во ТулГУ, 2003.-е 247-252.
14. Афонин А.А., Афонина Н.А., Орлов А.Б. Повышение виброустойчивости технологической системы на основе управляемой девиации параметров режима резания .// «Справочник». Инженерный журнал, приложение №8. 2004- с. 29-32.
15. Бесекерский В.А. Попов Е.П. Теория систем автоматического регулиро¬вания М.: Наука, 1966. - 920с.
16. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. - М.: Машиностроение. 1975.343с.
17. Васин JI.A., Васин С.А., Бородкин Н.Н. Исследование природы повышен¬ной демпфирующей способности бетонов, применяемых в машинострое¬нии. // Технология механической обработки и сборки. Сб. научн. трудов ТГУ. 1993.
18. Васин JI. А. Комплексное проектирование безвибрационного процесса токарной обработки на основе динамических характеристик элементов технологической системы. Диссертация на соискание ученой степени док¬тора технических наук. Тула 1994
19. Вазан М. Стохастическая аппроксимация . /Пер. с англ Э.М. Вайсборда.— М.: Мир, 1972,— 295 с.
20. Вентцель Е.С. Теория вероятности. - М.: Наука, 1969. - 576с.
21. Воробьев В.А., Голованов В.Е.. Анализ сигналов акустической эмиссии. // Дефектоскопия - 1992 № 4 с 3 - 8
22. Воронов A.JI. Высокочастотные вибрации резца при точении. М., Обо- ронгиз, 1956.
23. Гаскаров Д.В., Голинкевич Г.А. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. Радио, 1974. 224с .
24. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Вибро-аккустическая диагностика машин механизмов.- М.: Машиностроение, 1987.- 288с.
25. Городничев С.В., Васин С.А. Токарный резец с элементами крепления из сплавов высокого демпфирования. // Технология механической обработки и сборки. Сборник научных трудов ТулПИ.1991. с. 58- 61.
26. Гуляев В.А., Чаплыгв В.М. Методы и средства обработки диагностиче¬ской информации в реальном времени. Киев.: Наукова думка. - 1986. 220 с.
27. Дас М. Автоколебания станков. Пер. с англ. Кушнир Э.Ф.// Автоматиче¬ские линии и металлорежущие станки. - 1982. - Вып. 17. - с 10 - 18.
28. Дроздов Н.А. К вопросу о вибрации станка при токарной обработке. //Станки и инструмент , 1937, №22.
29. Евланов Л.Г. Контроль динамических систем. М. Наука, 1979. 432с.
30. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. - Л.: Машиностроение, 1986. 179с.
31. Зорев Н.Н. Некоторые задачи науки резания металлов и механика процес¬са резания. Материалы конференции по проблемам резания металлов. М., НТОмашпром, МД1ІТП, 1963.
32. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. - М.: Машгиз, 1956. - 368 с
33. Иванов В.В. Рациональное использование СМП из твердых сплавов серии МС для токарной обработки сталей и чугунов: Метод. Рекомендации - Ту¬ла: РИСТ, 1991,- 1356с.
34. 3. 40 - 205 - 51 ГЕРМАНИЯ МКИ5 № 4020551.7. Заяв. 26 06 90.
35. 3. 31- 421-48 ЯПОНИЯ МКИ 5 № 1-277567. Заяв. 25 10 89.
36. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устра¬нения. М.- Свердловск. Машгиз, 1958.
37. Кабалдин Ю.Г. Шпилев А.М. / Трение, изнашивание и диагностика ре¬жущего инструмента. // Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях дальнего вос¬тока. Тезисы доклада международного научного симпозиума., Комсо¬мольск - на - Амуре 19 - 24 сентября 1994г - Комсомольск - на - Амуре, 1994-с 132 - 133.
38. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. -М.: Энергоатомиздат, 1987. - 304 с.: ил.
39. Каминская В.В. Приближенный расчет несущих систем станков, находя¬щихся под действием стационарных случайных возмущений. // Станки и инструмент. - 1989. № 6. - с. 10 - 14.
40. Каширин А.И. Исследование автоколебаний при резании металлов. М.- Л„ М., изд-во АН СССР, 1944.