Ульяновский политехнический институт 8 страница

Все узлы системы выполнены на цифровых микросхемах, а в качестве устройства DACH используются перемычки между источниками нулевого и единичного логических напряжений.

Устройство сравнения кодов DEA системы выполнено по комбинационной схеме [130]. Принципиальная схема DEА приведена на рис. 4.5. Его принцип действия хорошо понятен из рассмотрения, работы первого разряда устройства. Выходной сигнал. Н₁ принимает единичное значение только при L₁>G₁, т.е.

. (4.12)

В общем случае для n – разрядных кодов L_n и G_n функция неравенства H_n имеет вид

. (4.13)

Максимальное время t_ср срабатывание DEA равно

, (4.14)

где –время задержки одного логического элемента.

В настоящее время в аппаратно-реализуемых УЧПУ наиболее распространены микросхемы 155 серии, имеющие t_co = 18,5 нс [112], при выполнении на которых DEA даже в случае n=16, t_ср = 0,6 мкс,что является достаточным быстродействием.

Цифровая система ССР с АКС в главном приводе была изготовлена и внедрена в производство на Ульяновском авиационном промышленном комплексе имени Д.Ф. Устинова в комплекте с УЧПУ H22-IM и станком модели 16К20ФЗ с годовым экономическим эффектом более 12 тысяч рублей на единицу оборудования (см. приложение I). Её экспериментальные исследования и производственные испытания (см. приложение 3) показали, что система проста и надёжна в эксплуатации, обладает высокой помехозащитностыо, не требует дополнительного объёма программ и ра­ботает

Рис. 4.5.

полностью автоматически. При модернизации существующего оборудования требует минимального времени для его остановки, т. к. имеет небольшое количество стыковочных точек и позволяет провести основные операции по отладке системы без подключения её к действующему оборудованию. Необходимо также отметить, что изменение V в результате её дискретного регулирования, и в особенности в момент переключения АКС, вызывает незначительное локальное ухудшение качества обработки поверх­ности (см. приложение 3). Однако, в целом качество поверхности улучшается по сравнению с отсутствием режима ССР.

В соответствии с алгоритмом (4.10) может быть построена и цифро-аналоговая система ССР [58], её функциональная схема изображена на рис. 4.6. В этой системе код радиуса обработки, поступающий с блока АЕ на арифметическое устройство ACL2, преобразуется с помощью ЦАП UZУ1 в напряжение, которое после логарифмирования преобразователем ACV подводится к вычитающему входу суммирующего устройства AW На суммирующие входа AW в соответствии с (4.10) прикладываются напряжения, пропорциональные А_к (4,11), от источника опорного напряжения АСН и от ЦАП UZУ2, преобразующего в напряжение код задания частоты вращения шпинделя, поступающий от УЧПУ ACL1 и использующийся в. качестве Vз. При этом на выходе AW формируется напряжение, соответствующее ступеням скорости АКС в режиме ССР, из которого с помощью АЦП и UУZ формируется код m, управляющий переключением АКС У.

Все узлы рассмотренной системы ССР имеют простую конструкцию и малый, аппаратурный состав, т.к. стабилизация скорости резания осуществляется с большой дискретностью, что не предъявляет высоких требований к точности работы отдельных узлов системы. При этом в системе могут быть использованы в качестве ЦАПов резистивные матрицы [79], а функционального преобразователя ACV - конструктивно простой диодный преобразователь [104.]

Рис. 4.6.

Рассмотренные системы ССР с АКС в главном приводе имеют приблизительно равную техническую сложность, их работа полностью автоматизирована, поэтому конкретное применение каждой из них определяется унифицированностью блоков систем и УЧПУ. Однако при реализации режима ССР в универсальных токарных станках с АКС наиболее просто это выполнить с помощью цифро–аналоговой системы и потенциометрического датчика радиуса.

4.3. Регуляторы соотношения скоростей

Регуляторы соотношения скоростей (РСС) в системах ССР Обеспечивают постоянное соотношение скоростей шпинделя и подач, что обеспечивает в режиме ССР уменьшение машинного времени обработки (см. § I.I) [2,69,134]

В универсальных токарных станках роль РСС выполняют различного рода реакторы, приводящие в перемещение от двигателя главного движения суппорт станка. В том случае, если в станке иcпользуются раздельные приводы подач и шпинделя, то при точном позиционировании в качестве сигнала задания приводов подач также, используется сигнал фактической скорости вращения шпинделя.

В аппаратно-реализуемых УЧПУ функции РСС ограничиваются фактически, режимом резьбонарезания, когда синхронизируются и скорость продольной подачи, причём в силу своего специфического назначения этот режим работы не может быть использован при других видах токарной обработки. В таких УЧПУ соотношение скоростей поперечной S_R и продольной S_Z подач в кадре устанавливается интерполятором, а их фактическое значение задаётся входным кодом блока задания скоростей (БЗС) и определяется частотой f_s его выходных импульсов, регламентирующих скорость работы интерполятора [ 92,95,114 ]. Таким образом, в системе ССР необходим дополнительный РСС, синхронизирующий и S_R, S_Z с автоматической настройкой на их заданные соотношения. При этом РСС наиболее целесообразно располагать либо до, либо после БЗС.

На рис.4.7изображена функциональная схема РСС с управлением по входному коду БЗС.

В большинстве аппаратных УЧПУ f_s определяется двумя кодами, малоразрядным N_K - изменяющим f_s в целое число раз, например, в УЧПУ «Луч-2Т» [127] в 10 раз, и многоразрядным N_s, т.е.

(4.15)

Перед началом кадра заданные значения этих кодов N_k3 и N_s3через мультиплексоры DD1 и DD3, переключенные соответствующим образом сигналом (импульсов) НК, формируемым в УЧПУ (мультиплексор DDЗ переключается c помощью схемы управления DD2 ), поступают на входы регистров DS3 DS2. Куда и записываются сигналом НК, прошедшим на регистры через элементы ИЛИ-И DD5 и DD4. Одновременно импульсом НК, поступившим через элемент ИЛИ DW2 на триггер DS5, последний устанавливается в единичное состояние. На время пусковых процессов в системе ССР (см. рис, 4.1 время Т_nn) в РСС действует импульс Т_nn, который поступает через элемент ИЛИ DW3 на счётчики DS4,DS6 и устанавливает их в нулевое состояние. По окончании импульса Т_nn счётчик DS6 начинает заполняться импульсами СИ с постоянной частотой следования, а счётчик DS4 – импульсами датчика BRC, имеющими частоту повторения f_BR, пропорциональную скорости вращения шпинделя. Код счётчика DS4 возрастает до значения N_s3, в этот момент схема сравнения DЕА1 формирует ипульс, поступающий через открытый потенциалом триггера DS5 элемент И DX2 на регистр DS7, что обеспечивает запись в него достигнутого к этому моменту времени кода DS6. Затем, задержавшись на схеме DT2, этот импульс устанавливает DS5 и, пройдя элемент ИЛИ DW3, счётчики DS4, DS6 в нулевое состояние. Отсюда, обозначив через T_с время заполнения DS4 и DS6, получим

. (4.16)

Рис. 4.7.

Таким образом, Т_с пропорционально заданному соотношению скоростей шпинделя и подач, т.к. шпиндель во время настройки на Т_с вращался с заданной по программе скоростью. Из (4.16) также следует, что для.синхронизации этих скоростей при изменении необходимо формировать код N_s в соответствии с (4.16). Это происходит следующим образом. Формирование импульсов, ограничивающих интервал времени Т_с, осуществляется на схеме сравнения DEA2, на которую поступает код c DS7 и текущий код счётчика DS6. С выхода DEA2 импульс проходит через элемент И DX1, ИЛИ-И DD4 на регистр DS2, куда и записывается код счётчика DS4, достигнутый к этому моменту времени и поступающий на DS2 через DD3. После задержки на схеме DT2 и прохождения через элемент ИЛИ DW3, выходной импульс DEA2 устанавливает DS4 и DS6 в ноль, после чего процесс повторяется.

В результате работы системы ССР при уменьшении радиуса обработки возрастает и N_s и при достижении последним своего максимального значения в РСС срабатывает дешифратор DH2, работу которого разрешает сигнал-движение к центру шпинделя (КЦ). Выходной импульс DH2 увеличивает на единицу код N_k3 реверсивного счётчика DS1, который был записан в него сигналом НК с регистра DS3. С выхода DS1 код N_k3+1 поступает через DD1 на вход DS3. Одновременно импульс DH2 поступает на DD3, а через элемент ИЛИ DW1 на DD2 и устанавливает на выходе DD3 код N_s, обесценивающий при N_k3+1 такие же скорости подач, как и при N_k3. Новые значения кодов записываются в регистры DS2, DS3 импульсом DH2, поступившим на них соответственно через элементы ИЛИ DW1, ИЛИ-И DD4 и ИЛИ- DD5. После этого выходной импульс DW1, задержавшись на схеме DT1, поступает через элемент ИЛИ DW2 на вход триггера DS5, переводя его в состояние, обеспечивающее настройку РСС на новый код N_s регистра DS2.

В случае, когда радиус обработки возрастает, переход на значение кода N_k3-1 происходит аналогичным образом. Отличие состоит лишь в том, что работает дешифратор DH1 по сигналу-движение от центра шпинделя (ОЦ) и обеспечивает переход на максимальное значение при N_k3-1. Это позволяет снизить дискретность в поддержании постоянным соотношение скоростей.

Если в результате регулирования N_s и N_k достигнут одновременно максимального или минимального значения, то в РСС сработает дешифратор DНЗ и заблокирует своим сигналом работу элементов ИЛИ-И DD4 DD5, при этом изменение кодов N_s, N_k прекращается.

Функционирование узлов описанного РСС хорошо понятно из описания его работы, дополнительных пояснений требует лишь узел, состоящий из схемы управления DD2 и мультиплексора DD3. Их работа поясняется принципиальными схемами DD2 и одного разряда DD3, приведёнными на рис. 4.8. При их рассмотрении необходимо лишь учесть, что сигнал НК подаётся единичным потенциалом, а сигнал с выхода DW10 – нулевым.

Рассмотренный РСС может использоваться практически в любых УЧПУ, его конструкция позволяет легко производить модернизацию существующего оборудования. Поскольку регулятор производит поддержание соотношения скоростей достаточно точно и во всём возможном их диапазоне (это подтверждается его испытаниями совместно с системой ССР, изображённой на рис. 4.1, см. приложение 3), то этот РСС наиболее целесообразно использовать в составе ССР непрерывного типа.

В системах ССР дискретного типа не предъявляется высоких требований к точности синхронизации скоростей шпинделя и. подач, что даёт возможность организовать работу РСС не по фактическому, а по заданному значению скорости вращения шпинделя,.это упрощает конструкцию регуляторов.

К такому типу РСС и относится регулятор [42,58], функциональная схема которого приведена на рис. 4.9. Этот регулятор предназначен для работы с УЧПУ, в которых частота выходных импульсов БЗС определяется частотой импульсов опорного генератора G, регулируемой напряжением (например, для УЧПУ H22-IM). В регулятор непрерывно поступает код m скорости , в случае системы. с АКС этот код управляет переключением последней. В начале кадра заданное значение этого кода m₃ по сигналу НК запоминается в регистре DS, а

Рис.4.8.

Рис.4.9.

затем с помощью вычитающего устройства DW вычисляется абсолютное значение между m₃ и его текущим значением, т.е.

.

Код преобразуется ЦАП UZУ в напряжение U_pn, которое при движении к центру шпинделя (при уменьшении R) проходит через открытый сигналом КЦ ключ ASF1 и суммирующее устройство AW на вход G, увеличивая частоту его генерации. При движении от центра шпинделя напряжение U_рп инвертируется с помощью инвертора AU, проходит через открытый сигналом ОЦ ключ ASF2 и сумматор AW навход G, уменьшает частоту его импульсов пропорционально . В том случае, если код m управляет АКС, преобразователь UZУ в соответствии с (4.8) формирует напряжение

,

что обеспечивает одинаковое изменение скоростей подач. В этом случае ЦАП UZУ выполняется на цифро-управляемых сопротивлениях [106].

Поскольку БЗС в начале кадра обработки был настроен на заданное соотношение скоростей шпинделя и подач, то, изменяя. напряжение опорного генератора от исходного значения, обеспечим автоматическую настройку на их заданное соотношение и выполним условие их синхронизации.

Лабораторные и производственные испытания рассмотренного регулятора в составе цифровой системы ССP с АКС (см. рис. 4.4) показали высокую надёжность и хорошую работоспособность РСС, а также достаточную в этом случае точность его работы.

4.4. Режим стабилизации скорости

резания в микропроцессорных системах числового

программного управления

Возможность высокой степени унификации аппаратурных средств УЧПУ с микропроцессорным управлением, более гибкий процесс подготовки программ и внесение в них корректировки непосредственно у станка при обработке первой детали приводит к всё большему внедрению УЧПУ на базе микро-ЭВМ [111,107].

Особенности построения УЧПУ на микро-ЭВМ состоят в том, что различные режимы работы устройства реализуются совокупностью управляющих программ, работа которых координируется организующими программами. Совокупность управляющих и организующих программ- составляет функциональное математическое обеспечение (ФМО). Программы, входящие в ФМО, заносятся в перепрограммируемое запоминающее устройство. Для обеспечения функциональной гибкости ФМО и экономии памяти они строятся по модульному принципу. Кроме того, принцип модульности позволяют создать библиотеку стандартных программ ФМО УЧПУ, которая насчитывает большое количество функциональных модулей различного уровня. Наиболее крупные из них реализуют базовые функции УЧПУ – управление скоростью, круговая и линейная интерполяции и т.п. Эти базовые функциональные модули включают в себя более мелкие модули, реализующие часто повторяющиеся алгоритмические действия – умножение, присвоение знака, вычисление коэффициентов интерполяции и другие [8,25]. Всё это, наряду с возможностью обращения к подпрограмме (мелкому модулю ФМО), накладывают свои особенности на системы ССР для станков с УЧПУ на базе микро-ЭВМ [13,91].

Анализ работы УЧПУ на микро-ЭВМ показывает, что возможно несколько способов построения систем ССР, входящих в их состав [67].

Программный способ реализует режим ССР путём введения соответствующих алгоритмов функционирования в мелкие модули ФМО с использованием информации самого УЧПУ. Как показывает анализ различных вариантов построения систем ССР (см. § 1.4, § 2.3), в данном случае наиболее приемлемым алгоритмом работы системы непрерывного типа является алгоритм функционирования ПДС системы ССР с различными параметрами в пусковом режиме (см. рис. 2.5), требующий для своей работы только информации о радиусе обработки. Эта система обладает также лучшими из всех рассмотренных вариантов показателями качества работы как в установившихся, так и в динамических режимах работы. Пол­ностью учитывает технологические особенности процесса токарной обработки и имеет простой алгоритм работы, содержащий только, арифметические операции. Последнее обстоятельство является весьма важным, т.к. вычисление логарифмических и других сложных функций, а также выполнение операций дифференцирования или интегрирования усложняют и увеличивают программу, проводят к возрастанию времени её выполнения.

Таким образом, при реализации режима ССР программным способом можно полностью использовать алгоритм работы системы ССР с датчиком периода вращения шпинделя (см. рис. 4.1 и § 4.1). В этом случае алгоритм режима ССР закладывается в виде подпрограммы в один из модулей ФМО, который на время пускового режима останавливает подачи по координатам станка и устанавливает необходимое значение K_pv. По окончании пускового режима обеспечивает включение подач, установку требуемого значения K_pv и вычисление сигнала задания на привод главного движения, т.е. выполняет деление двух кодов, пропорциональных V₃ и R. Охват главного привода дополнительной обратной связью по угловой скорости (см. рис. 2.5) здесь наиболее просто выполнить в самом приводе. Определение кода радиуса обработки R в УЧПУ с малым количеством управляемых координат можно осуществить с помощью накапливающего регистра [138,140], работа которого в принципе не отличается от работы блока определения текущего радиуса обработки (см. рис. 4.1).

При наличии накапливающего регистра наиболее просто выполнить стабилизацию скорости резания программным способом для станков с АКС в главном приводе. Определение кода m, управляющего переключением АКС, производится по алгоритму (4.10), граф-схема которого приведена на рис. 4.10. Обращение к подпрограмме стабилизации скорости резания производится по признаку изменения кода радиуса обработки N_R, значение которого, последовательно сравнивается с кодами границ поддиапазонов N_m радиуса, т.е.

Рис. 4.10.

с кодами точек а, b,..., i, h (см. рис. 4.3). Этот алгоритм закладывается в один из мелких модулей ФМО в виде подпрограммы, исходной информацией для выполнения которой служат значения кодов N_m, а также, код равный , и код N_R.

Аналогичным образом может осуществляться режим ССР и для станков с регулируемым главным приводом, при этом код mимеет большее количество значений и определяется в соответствии с соотношением (I.I).

Гибкость структуры УЧПУ, выполненных на базе микро-ЭВМ, и их вычислительные возможности позволяют в ряде случаев, особенно при малокоординатной интерполяции, осуществить программным способом синхронизацию скоростей шпинделя и подач. Поэтому в этих случаях надобность в регуляторе соотношения скоростей отпадает.

В настоящее время стоимость математического обеспечения становится преобладающей в общей стоимости нового проекта оборудования. Так, по некоторым данным [139] стоимость одного отлаженного слова математического обеспечения превышает сегодня стоимость микропроцессора. Эта тенденция ещё более усиливается при многокоординатной интерполяции [142,143,146-148], при которой, кроме всего прочего, усложняется возможность организации программным способом накапливающего регистра. В связи с этим естественным способом повышения уровня функциональных возможностей микропроцессорных УЧПУ является увеличение числа процессоров и построение распределённой вычислительной системы, в которой функции управления децентрализованы [141].

Таким образом, и в станках с микропроцессорным управлением не теряет своей актуальности аппаратный способ реализации режима ССР. В этом случае работа отдельных блоков системы ССР не отличается в принципе от рассмотренной выше. Как и ранее, здесь целесообразно выделить систему ССР функционально в отдельный блок, обеспечивающий синхронное изменение скоростей шпинделя и подач при изменении радиуса обработки.

Определённое упрощение системы ССР за счёт уменьшения аппаратурного состава может быть достигнуто при комбинированном cпособе выполнения системы ССР. Когда отдельные специфичные операции или операции, не допускающие прерывания выполнения программы, реализуются с помощью аппаратных узлов системы. Эпизодические же операции, как например, определение V₃ выполняются программным способом устройствами, общими для всего УЧПУ.

Вcе рассмотренные в этой главе системы и регуляторы соотношения скоростей обеспечивают стабилизацию скорости резания при сохранении соотношения скоростей шпинделя и подач при-любых видах токарной обработки, т.е. торцовой, конической, сферической и фасонной поверхностей обработки изделий. Работа их происходит полностью автоматически без вмешательства оператора и не требует увеличения или усложнения программ обработки. В большинстве случаев разработанные принципы позволяют легко модернизировать существующее оборудование, дополняя его функции режимом ССР.

4.6. Выводы

1. В систему ССР можно выделить три функционально-законченных устройства, реализующих операции контроля текущего радиуса обработки R, определения в соответствии с заданным алгоритмом сигнала управления приводом главного движения и поддержание на заданном уровне соотношения скоростей шпинделя и подач, причём эти устройства должны автоматически настраиваться на заданные или начальные значения этих параметров.

2. Контроль R наиболее рационально осуществлять, формируя двоичный код, подсчётом импульсов на выходе поперечной координаты интерполятора (в станках с УЧПУ) или соответствующего датчика (в универсальных станках), корректируя его при смене инструмента.

3. Построение систем ССР в соответствии с разработанными принципами, т.е.

- настройка на скорость резания при использовании фактической угловой скорости со шпинделя, что обеспечивает улучшение динамических процессов в непрерывных системах и определение по сигналу датчика угловых перемещений шпинделя в станках с УЧПУ;

- ограничение диапазона измерения R. снизу, что при дис­кретном характере его измерения позволяет уменьшить аппаратурный состав систем ССР;

- совмещение функций измерения R и определения в АПР непрерывной системе ССР;

- построение системы ССР для станков с АКС в соответствии с разработанным алгоритмом;

- реализация режима ССР в станках с микропроцессорным управлением по предложенному алгоритму;

- поддержание постоянным соотношения скоростей шпинделя и подач при построении РСС в соответствии с предложенными рекомендациями, позволяет создать системы ССР практически для всех типов токарных станков, обладающих малым аппаратурным составом, высокой надёжностью и универсальностью, хорошими показателями качества работы, функционирующих полностью автоматически и не усложняющих обслуживание станков, УЧПУ и программирования, а также не увеличивающих объёма программ и дающих возможность реализовать режим ССР программным способом в станках с микропроцессорным управлением.

4. Лабораторные и производственные испытания систем ССР подтвердили основные теоретические положения работы, рекомендации по построению и применению этих систем, а также технико-экономическую целесообразность их использования.

Система ССР для станка модели 16К20ФЗ с АКС в главном приводе и УЧПУ Н22-IM была внедрена в производство с экономическим эффектом более 12 тысяч рублей на единицу оборудования при плане внедрения на 11 станков.

Система ССР с интегральным параметрическим регулятором для универсального токарного станка особо высокой точности модели 250ИТА, имеющего регулируемый привод главного движения, внедрена в производство с экономическим эффектом 2,3 тысячи рублей на один станок и будет изготовлена серийно в двенадцатой пятилетке в количестве 40 штук.

Подготовлена и запланирована к внедрению в производство система ССР параметрического типа с дополнительной обратной связью и различным значением параметров в пусковом режиме.для станков с регулируемым приводом главного движения и УЧПУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы и рекомендации, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в работе, заключаются в следующем.

1. Существующие системы ССР не обладают достаточно высокими показателями качества работы, поскольку при их построении не учитываются в полной мере особенности работы этих систем, в частности, действие возмущающего воздействия, обусловленного усилием резания.

2. Анализ режимов работы различных систем ССР, проведённый на основе математической модели процесса резания совместно с системой управления показал, что в непрерывных системах ССР

- ошибка по скорости резания в установившихся режимах работы в системах статического типа, которые имеют важное значение для реализации режима ССР программным способом в станках с микропроцессорным управлением, зависит от значения радиуса обработки и от структурного построения самой системы управления;

- динамические процессы в системах ССР в пусковых режимах значительно зависят как от структуры самих систем, так и от технологических параметров процесса резания. В общем случае качественные показатели динамических процессов в этих; системах имеют тенденцию к ухудшению при комбинации технологических параметров, приводящих к увеличению скорости изменения радиуса обработки;

- максимальное перерегулирование по скорости резания в системах ССР при действии усилия резания тем больше, чем больше тормозящий момент на шпинделе станка, обусловленный этим усилием и другими технологическими параметрами, чем меньше скорость резания и больше радиус обработки. Это перерегулирование различно для различных систем ССР и при прочих равных условиях имеет наименьшее значение в статических системах, особенно в cистеме ССР параметрического типа с дополнительной обратной связью;

- в системах ССР с.дискретным измерением радиуса обработки зависимость динамических процессов от технологических параметров процесса резания в пусковом режиме и в динамических режимах, обусловленных дискретизацией радиуса, имеет гораздо меньшее значение, чем в непрерывных системах. Дискретность измерения радиуса в этих системах при увеличении последнего следует увеличивать, что позволит дополнительно упростить системы за счёт уменьшения аппаратурного состава при сохранении заданной погрешности стабилизации скорости резания.

3. Разработанная методика исследования систем ССР в установившихся режимах и полученные аналитические выражения, описывающие изменение координат систем в этом режиме во времени, и в зависимости от радиуса обработки, дают возможность производить анализ и синтез этих систем ССР с учётом технологических параметров процесса резания при управляющих и возмущающих воздействиях, непрерывном и дискретном измерении радиуса обработки.

4. Проведена линеаризация нелинейных дифференциальных уравнений систем ССР с параметрическими регуляторами скорости резания, выполняемая при некоторых допущениях, накладываемых на линейную часть системы. На основе линеаризованных уравнений можно производить не только всесторонний анализ, но и синтез указанных систем ССР с помощью любых методов линейной теории управления с учётом влияния технологических параметров процесса резания при управляющих и возмущающих воздействиях. При этом погрешность определения переходных функций этих систем для большинства комбинаций технологических параметров не превышает 1,5-2,5 % и лишь в отдельных случаях достигает 20%.

Дата добавления: 2015-10-21