УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ ПОПЕРЕЧНОЙ ПОДАЧИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ Российский патент 2009 года по МПК B24B51/00 

Изобретение относится к области машиностроения и станкостроения и может быть применено для автоматизации круглошлифовальных, внутришлифовальных и желобошлифовальных станков в массовом и крупносерийном производстве.

Известен способ управления режимом шлифования на основе двухконтурных систем, при котором переключение скоростей подачи V_c шлифовального суппорта осуществляется основным контуром в функции припуска S обрабатываемой детали

Обратная связь организована с помощью дополнительного контура, который выполняет контроль размера обработанной детали в ручном или автоматическом режимах. При отклонении размера детали от установленного значения на величину ΔL выполняется коррекция, как правило, величины припуска на выхаживание ΔS_B

Таким образом, двухконтурная система реализует адаптивный алгоритм управления вида V_c=f(S,П), где роль параметра адаптации П играет отклонение от номинальных значений размера обрабатываемой детали. Использование указанного алгоритма и двухконтурной структуры системы управления связано, как правило, с наличием возмущающего фактора, имеющего случайный функциональный характер. Примером такого фактора может служить затупление шлифовального круга, когда режущая способность круга уменьшается в течение периода стойкости, что вызывает соответствующее возрастание постоянной времени Т_оу объекта управления и как следствие изменение передаточной функции

где V_м(Р) - скорость снятия припуска во время обработки детали; К_с≈1 - коэффициент передачи объекта управления.

Вариации постоянной времени под действием возмущающего фактора вызывают соответствующие вариации скорости снятия припуска и, что особенно важно, вариации конечной скорости снятия припуска, определяющие показатель качества обработанной детали.

В условиях воздействия случайного возмущающего фактора адаптивный алгоритм управления может быть усовершенствован на основе введения статистической обработки результатов контроля размеров деталей в дополнительном контуре

Выражение (4) реализуется в двухконтурных системах управления, где в качестве дополнительного контура используются приборы послеоперационного контроля со статистической обработкой измерительной информации (Решетов А.Г. Самонастраивающаяся комбинированная система активного контроля с электронным статистическим компаратором во втором круге. В сб.: Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок. Куйбышев, КуАИ, 1984 г.).

Как известно, статистическая обработка измерительной информации в таких системах выполняется по малой выборке деталей размером n=3…5 шт.

Прибор послеоперационного контроля, выполняющий операцию размерного контроля и статистической обработки, используется, как правило, в ручном режиме, а моменты взятия выборок определяются на этапе статистического исследования технологического процесса, в течение которого устанавливаются возмущающие факторы и характер их воздействия. Результаты статистического обследования технологического процесса могут быть представлены двумя типовыми ситуациями.

Первая ситуация.

Суммарное действие всех возмущающих факторов приводит к колебаниям размеров деталей, свидетельствующих о наличии случайной функциональной составляющей с периодическим характером воздействия.

В качестве примеров возмущающих факторов с периодическим характером действия можно привести технологический процесс шлифования деталей с износом или затуплением круга, с тепловыми или силовыми деформациями, с износом измерительных наконечников. Во всех указанных случаях в суммарном воздействии различных возмущающих факторов должен доминировать один из факторов, который сообщает точечной диаграмме периодический характер изменения размеров деталей. В случае, если период указанной случайной функции достаточно большой (Т≥1 час) и сопоставим с эмпирическим периодом проверки оператором состояния технологического процесса, период отбора выборок выполняется в соответствии с теоремой В.А.Котельникова, т.е. не менее двух раз за период случайной функции.

Вторая ситуация.

Характерна для стабильных и оптимальных технологических процессов, когда отсутствуют функциональные составляющие или их действие малозаметно, незначительно в течение времени наблюдения. Ситуация имеет место в производственной практике после окончания различного рода переходных процессов, связанных с тепловыми и силовыми деформациями, а также с компенсацией влияния других факторов, например износа щупов путем использования алмазных материалов, контактируемых с обрабатываемой деталью.

В этом случае появление особой причины, уводящей технологический процесс в сторону разладки, заранее непредсказуемо и периодичность отбора «проб» определяется опытным путем. При этом оценивается как вероятность появления такого фактора, так и экономические, и технические возможности его обнаружения во время периодического отбора проб.

Для обеих ситуаций актуальной является задача обнаружения особой причины на начальной стадии ее формирования, чтобы затем статистическим методом рассчитать величину компенсирующего воздействия и момент его применения. Статистический контроль и, в частности, метод средних значений и размахов (карта - R) не обладают необходимой чувствительностью и вследствие необходимости числовой обработки определенного объема информации требуют значительных трудовых и временных затрат.

Обнаружение момента разладки технологического процесса может быть выполнено на основе анализа высокочастотных составляющих, входящих в исходный информационный сигнал. Такими сигналами могут быть при механообработке шероховатость обработанной поверхности и (или) погрешность формы детали (см. М.С.Невельсон. «Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках» Л., Машиностроение, 1982, стр.18).

Шероховатость, а затем и погрешность формы первыми реагируют на изменение условий обработки детали, что позволяет использовать их как оперативное средство для обнаружения момента появления особой причины в контролируемом технологическом процессе в соответствии с выражением

где R_aдоп. - предельно-допустимое значение шероховатости в статистически подконтрольном технологическом процессе.

С момента обнаружения разладки контроль технологического процесса осуществляется методом средних значений и размахов (-R) по малой выборке, характеристики которой сравниваются с границами статистического регулирования. Указанные операции осуществляются в дополнительном контуре двухконтурной системы, возможности которой рассчитаны на оперативную обработку измерительной информации небольшого объема. Более сложные вычисления и обработка больших массивов информации за длительный период производятся компьютером верхнего уровня, в качестве которого может быть использована персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ). Аналогичная информация поступает в ПЭВМ также с других станков, выполняющих однотипные шлифовальные операции и, таким образом, статистический контроль и статистическое регулирование выполняются в масштабах локальной сети производственного участка. Локальная сеть позволяет на новом уровне организовать планомерную работу по улучшению всех сторон технологического процесса за счет анализа измерительной информации за длительный промежуток времени проведения регрессионного и дисперсионного анализа, факторных экспериментов и др. Предусматривается также автоматическая корректировка границ статистического регулирования, подача оператору станка информационных сигналов о состоянии технологического процесса.

Способ управления рабочим циклом легко уяснить с помощью графиков фиг.1 и фиг.2.

Обработка детали на станке ведется, как это показано на фиг.1, по наиболее распространенному в производственной практике трехинтервальному алгоритму 1 вида V_c(S). Указанный алгоритм реализуется в основном контуре 2 системы, представленном на фиг.3, например, микропроцессорным прибором 3. Примем на начальном этапе, например, после правки круга, что действие возмущающего фактора (затупление) отсутствует или незначительно, а обработка детали ведется по траектории 4 (S_н - V_м1 - V_м2 - V_{мк opt}). Значение V_мк=V_{мк opt} будем считать оптимальным для разрешенного диапазона конечных скоростей, обозначенных как V_{мк max} и V_{мк min}, которые в свою очередь однозначно определяют диапазон вариаций размеров обработанных деталей ΔL и шероховатости ΔR_a от номинальных значений.

На последующих этапах работы действие возмущающего фактора будет нарастать и для его компенсации необходимо будет изменить припуск на выхаживание с S_в1 на S_в2. Фазовая траектория 5 при этом пройдет через точки S_н - V_м3 - V_м4 - V_{мк opt} и положение конечной точки фазовой траектории сохранит свое значение V_мк=V_{мк opt}.

Значение припуска на выхаживание S_в2 определяется на основе выражения (4) в дополнительном контуре 6 системы управления на основе прибора послеоперационного контроля 7, со статистической обработкой результатов контроля отклонений размеров обработанных деталей , как это представлено на фиг.2, б. Адаптивные системы активного контроля, имеющие указанную структуру, представлены, например, в работе (Решетов А.Г. «Автоматизация шлифования и размерного контроля детали в производстве» Изд-во "Политехник", С-Петербург, 2003 г., стр.155). Обнаружение разладки и введение управляющего воздействия определяется оператором станка (или автоматически) в момент достижения функциональной составляющей границ регулирования 21 или 22.

Обнаружение разладки технологического процесса на основе анализа высокочастотных составляющих сигнала измерительной информации, полученного при послеоперационном контроле микрогеометрии поверхности, осуществляется в дополнительном контуре 6 с помощью прибора контроля шероховатости 8. Контроль шероховатости поверхности производится в те же моменты времени, которые были определены на предыдущем этапе для обычного статистического контроля, и выполняется по одной детали, что значительно снижает трудоемкость контроля. Для массового производства контроль шероховатости не представляет трудности и может быть выполнен с помощью устройства контроля шероховатости (Патент №2172471, Бюл. №23, 2001). Контроль шероховатости в этом случае играет роль тестового сигнала для обнаружения начала действия особой причины - функциональной составляющей в технологическом процессе. При выполнении условия (5) прибор послеоперационного контроля шероховатости подает оператору станка сигнал и с этого момента времени контроль технологического процесса осуществляется сравнением ΔL(n) с границами регулирования 21 и 22 (фиг.2, б) с помощью прибора послеоперационного контроля 7 до момента введения управляющего воздействия. Более глубокий статистический анализ по всей совокупности проконтролированных деталей, как для отклонений размеров ΔL, так и для шероховатости R_a или погрешности формы выполняется на центральной ПЭВМ 14 локальной сети. На основе такого анализа производится уточнение статистических границ регулирования, моментов изъятия проб и размера выборок.

Блок-схема устройства, реализующего способ управления рабочим циклом шлифования, представлен на фиг.3.

Устройство содержит основной 2 и дополнительный 6 контуры управления. Основной контур содержит датчик текущего припуска 9, который подключен к прибору активного контроля 3. Выход прибора активного контроля 3 подключен к шлифовальному суппорту 10 и к локальной компьютерной сети 11.

Дополнительный контур 6 содержит датчик контроля размера детали 12, подключенный к выходу прибора послеоперационного контроля размеров детали 7. Выход прибора послеоперационного контроля размеров детали подключен к локальной компьютерной сети 11. В дополнительный контур введен датчик контроля шероховатости 13, подключенный к прибору послеоперационного контроля шероховатости 8. Выход прибора послеоперационного контроля шероховатости 8 подключен к локальной компьютерной сети 11, соединенной с ПЭВМ 14.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Обработка детали ведется в основном контуре активного контроля 2, который управляет режимом работы шлифовального суппорта 10. Управление режимом осуществляется в функции текущего припуска обрабатываемой детали Д₁, контролируемого датчиком 9.

Обработанная деталь поступает в позицию контроля Д₂ контура послеоперационного контроля 6.

При 100% контроле обработанных деталей, который производится только на этапе статистического исследования технологического процесса или приемки оборудования, полученные отклонения размеров ΔL(n) образуют точечную диаграмму 15, представленную на фиг.2, а. Как следует из диаграммы, размеры обработанных деталей лежат внутри поля допуска, обозначенного верхней 16 и нижней 17 границами.

На практике послеоперационному контролю подвергаются только малые выборки размером от 3 до 5 деталей. В качестве примера на фиг.2, б выборки деталей, обозначенные как 18, 19, 20, содержат по три детали, соответственно (n₁, n₂, n_3,), (n₉, n₁₀, n₁₁) и (n₁₇, n₁₈, n₁₉). В качестве статистических оценок выборок 18, 19, 20 на графике фиг.2, б представлены средние значения, соответственно, , и . Указанные значения оценок вместе с верхней 21 и нижней 22 границами регулирования образуют карту средних значений контролируемого технологического процесса. Как следует из графика, значение подходит к верхней границе регулирования 21 и процесс требует введения управляющего воздействия.

Выявление особой причины, приводящей к разрегулированию технологического процесса, на более ранней стадии выполняется с помощью контроля шероховатости R_a (кривая 23 фиг.2, в) в позиции Д₂ (фиг.3). Контроль шероховатости осуществляется прибором послеоперационного контроля 8 и датчиком 13. При этом размер выборки равен N=1 шт., а отбор проб 24, 25 и т.д. (фиг.2, в) производится в те же моменты времени, что и проб 18, 19, и т.д. (фиг.2, б). На практике деталь для измерения шероховатости может быть взята из обычной выборки, например деталь n₂ в выборке 18. Для уменьшения трудоемкости контроля и при отсутствии особых причин выполняется только контроль шероховатости. При обнаружении особой причины, например, как это показано в позиции 25 (R_a≥R_адоп.), прибор 8 дает сигнал об обнаружении особой причины и с этого момента времени осуществляется статистический контроль размеров деталей прибором 7 и датчиком 12 с помощью выборок 26, 27 и т.д. Статистические оценки выборок 26, 27 и т.д., например средние значения (кривая 28, фиг.2, в), теперь сравниваются с границами статистического регулирования 29 и 30 и при необходимости выполняются операции регулирования технологического процесса.

Практическая реализация заявленной системы выполнена на основе приборов, разработанных в совместной научно-производственной лаборатории «Автоматические системы контроля» Тольяттинского государственного университета и ОАО АВТОВАЗ.

Основной контур системы выполнен на основе приборов модели АСК 2474. Дополнительный контур содержит прибор контроля размеров детали ИСЛ 2331 и прибор контроля шероховатости модели ИСЛ 9831 M1.

Краткие технические сведения по указанным приборам прилагаются.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при автоматизации операций финишного шлифования. Осуществляют управление режимом шлифования путем переключения поперечной подачи в функции текущего припуска, контролируемого основным контуром системы управления. Определяют припуск на выхаживание детали на этапе послеоперационного контроля, осуществляемого на основе статистических оценок среднего значения размера детали и размаха малой выборки деталей, контролируемых дополнительным контуром системы. На этапе послеоперационного контроля вводят контроль шероховатости поверхности детали, по отклонению значения которой от заданного определяют момент разладки процесса шлифования и момент начала статистической оценки среднего значения размера детали. Датчик текущего припуска основного контура подключен к входу прибора активного контроля, выход которого подключен к шлифовальному суппорту и к локальной компьютерной сети. Датчик контроля размера детали дополнительного контура подключен к входу прибора послеоперационного контроля размеров детали, выход которого подключен к локальной компьютерной сети. В дополнительный контур введен датчик контроля шероховатости, подключенный к входу прибора послеоперационного контроля шероховатости, выход которого подключен к локальной компьютерной сети, соединенной с компьютером. В результате обеспечивается оптимизация управления шлифованием по критериям производительности и качества обработки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления шлифованием, включающий переключение подачи шлифовального суппорта в функции текущего припуска, контролируемого основным контуром системы управления шлифованием, и определение припуска на выхаживание детали на этапе послеоперационного контроля, осуществляемого на основе статистических оценок среднего значения размера детали и размаха малой выборки деталей, контролируемых дополнительным контуром системы управления, входящим в локальную вычислительную сеть, отличающийся тем, что на этапе послеоперационного контроля осуществляют контроль шероховатости поверхности детали, по отклонению значения которой от заданного определяют момент разладки процесса шлифования и момент начала статистической оценки среднего значения размера детали, осуществляемой по малой выборке путем сравнения с верхними и нижними границами статистического регулирования.

2. Устройство управления режимом шлифования, содержащее основной контур управления, имеющий датчик текущего припуска, подключенный к входу прибора активного контроля, выход которого подключен к шлифовальному суппорту и к локальной компьютерной сети, и дополнительный контур управления, имеющий датчик контроля размера детали, подключенный к входу прибора послеоперационного контроля размеров детали, выход которого подключен к локальной компьютерной сети, отличающееся тем, что в дополнительный контур управления введен датчик контроля шероховатости, подключенный к входу прибора послеоперационного контроля шероховатости, выход которого подключен к локальной компьютерной сети, соединенной с компьютером.