Способ автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки Советский патент 1983 года по МПК B23B25/06 B23Q15/00 

Изобретение относится к автоматическому уп(уавлению процессом механической обработки, в частности к самонастраивающимся системам, управлёния и системам иамеренТш стойкостных параметров режущего инструмента. Известен способ В1ыбора оптимальны режимов резания на о снове анализа акустической.эмиссии, который заключается в регистрации спектра акусти ческой эмиссии ( АЭ и формировании сигнала управления скоростного резания в функции изменения интенсивности сигнала АЭ пропорционально суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных {оптимальных с точки зрения технологических требований -заданного качест ва формообразования поверхности) подаче и глубине резания tl. В известном способе анализируется истинная акустическая эмиссия, обусловленная развитием трещин, передвижением дислокаций м другими факторами в диапазоне частот от 200 кГц и выше, далеко лежащим за пределами полосы пропускания упругой системы СПИД. Информативность и разрешающая способность такого сигнала не вызыва ет сомнения и подтверждается получен ными экспериментальными данными. Однако при работе в цеховых условиях это приводит к тому, что наряду с по лезными сигналами, возникающими в зоне резания, регистрируются посторонние шумы, существенно затрудняющие обработку получаемой информации. Низкая точность оценки обрабатываемости управления скоростного резания обусловлена тем, что энергетические уровни АЭ находятся также на уровне электромагнитных импульсных промышленных, помех, а оценку обрабатываемости производят путем сравнения относительной акустической энергии, выделяющейся на единице пути резания на основе управляющего сигнала, пропорционального произЕ1едению максимальной амплитуды АЭ на число акустических импульсов в единицу времени или пути резания. Кроме того, в законе изменения интенсивности акустического сигнала, в указанном диапазон анализа при увеличении скорости р езания наблюдается несколько экстремальных значений, что затрудняет автоматический выбор оптимального режима обработки. При этом требуется набор и обрабЪтка . статистических данных, полученных на .основе пробных оСработок материалов. Задача формирования управляющего сиг нала усложняется и тем, что энергетические уровни акустической эмиссии . увеличиваются ( видоизменяются с повышением не только скорости резания, но и величины износа, твердости обрабатываемого материала, температурных факторов, которые, в свою очередь, также зависят от скорости резания. Целью изобретения является повышение точности и эффективности управления за счет получение дополнительной информации о параметрах и состоянии процесса резания. Указанная цель достигается тем, что по способу автоматического выбора и поддержания оптимальных режимов обработки путем регистрации спектра виброакустической эмиссии СВАЭ и формирования сигнала управления скоростью обработки в функции изменения интенсивностисигнала , пропорционального суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки зрения заданного качества формообразования поверхности) подаче и глу бине резания, дополнительно регистрируют спектр колебаний сил резания, автоматически отдельно выделяют из спектра сил и ВАЭ основную частотную составляющую, коррелированную с частотой основных периодичностей процесса стружкообразования, автоматически следят за ее изменением при вариации скорости резания, регистрируют изменение величины нелинейных искажений ( формы основной частотной составляющей, выделенной в спектре ВАЭ, и в функции их изменения с приращением величины износа формируют сигнал об износе режущего инструмента, дифференцируют его по пути, пройденному инструментом, и опс деляют скорость развития износа (интенсивность и изнашиваемость) , затем нормируют спектр сил и ВАЭ в функции изменения износа, берут произвёг дение амплитудных значений избран ных частотных составляющих спектра сил и ВАЭ и определяют переменную составляющую энергии ( мощности ) разрушения обрабатываемого материала, а в функции приращения сигнала произведения увеличивают скорость резания до перехода сигналу.равного произведению, через максимум ( экстремум) , при этом ограничение повышения скорости резания для некоторы материалов осуществляют по заданном допустимому значению интенсивности изнашивания инструмента, определяемой в процессе контрольной обработ ки. Сущность изобретения базируется на особенностях динамики процесса резания, изученных на основе анализа спектра колебательных сил и движ ний по трем координатам измерения в широком частотном диапазоне. При этом для формирования сигнала, пропорционального составляющей мощности процесса резания, выделялись и анализировались композиционные составляющие колебательных сил и скоростей движений, связанных с пер одичностями процесса стружкообразог вания и релаксационными процессами трения по передней и задней поверхности режущего инструмента для случая чистового и чернового точения при вариации режимов обработки.При чистовом точении с увеличением скорости резания (при глубине резания меньше 2 мм и постоянной оптимальной подаче с точки зрения качества формообразования поверхности наблюдается увеличение составляющей мощности резания, равной произведению интегрального значения силы н скорость резания, в то время как пе0еменная составляющая мощности резания носит экстремальный характер. Последняя определялась на основе произведения переменной соста ляющей силы резания на скорость колебательных движений основных пе риодичностей процесса стружкообразования и условия KOHtaKTHoro взаимодействия инструмент-деталь. Причем экстремум (перегиб кривой динамической составляющей мощности резания) наступает несколько раньше, чем ускоренное развитие интенсивности изнашивания режущего инструмента. Последующее уменьшение переменн составляющей мощности резания (сиг нала произведения переменной составляющей силы резания на колебательную скорость) при дальнейшем увеличении скорости обусловлено влиянием температурных факторов на.релаксационные процессы трения по передней и .задней поверхности режущего инструмента и процесса стружкообразования. Указанная особенность и легла в основу предложенного способа автоматического выбора и поддержания оптимальной скорости резания при чистовом точении На чертеже представлена блок-схема устройства, .реализующего способ. Устройство содержит преобразователь 1, предварительный усилитель 2, полосоюй фильтр 3 фазовый детектор k, усилитель-преобразователь 5 генератор 6, систему 7 начальной настройки блоков, ключевой полосовой усилитель 8, блок 9 усреднения . масштабный усилитель 10, блок 11 дифференцирования, схему 12 сов-падения, систему 13 автоматической настройки задатчика, задатчик k, многовходовой регистратор 15, блок 16 интегрирования)- синхронный детектор 17-, усилитель 18, блок 9 умножения, преобразователь 20, предварительный усилитель 21, масштабны усилитель 22, синхронный детектор 23, масштабный усилитель 2, блок 25 интегрирования, схему 26 сравнения , бхюк 27 задания напряжения и блок 28 управления. Устройство работает следующим образом.. Спектр ВАЗ регистрируют преобра- зователем 1, установленным ( например, при чистовом точении) в направлении действия отжимающей составляющей силы резания Р , выходной сигнал которого усиливают предварительным усилителем 2 с переменным коэффициентом усиления и через полосовой фильтр 3 подают на фазовый детектор 7, образующий с перестраиваемым генератором 6 и системой 7 начальной настройки блоков кольцо фазовой автоматической подстройки частоты ( ФАПЧ7. При этом интегральный уровень сигнала на выходе полосового фильтра 3 под- держивают автоматически постоянным за счет введения обратной связи, образованной усилителем-преобразователем 5 переменного сигнала в постоянный с последующим интегрированием, включенным между выходом полосового фильтра 3 и регулируемым элементом коэффициента усиления предварительного усилителя 2. Это вызвано тем, что при вариаций (увеличении) скороети резания изменяется частота и пер распределение энергетических уровне основных периодичностей процесса, стружкообразования и р и1аксационног процесса трения по передней и задней гранях режущего инструмента, лежащих в пределах полосы пропускан . полосового фильтра 3 выбранного ис ходя из информативности сигнала. Для автоматического вы/|еления и еле женйя за основными информативными периодичностями процесса резания (стружкообразования прежде всего формируют опорный сигнал постоянной амплитуды с частотой.равной основно избранной частоте периодичностей с помощью сдвоенного кольца ФАПЧ, образованного фазовым детектором 4, перестраиваемым генератором 6 и бло ком 7 первоначального «ивтоматическо го поиска и настройки генератора 6 по максимальному значению выходного сигнала фазового детектора k, работа которого заключается в следую чем. Так как на сигнальный вход фазового детектора подается сигнал с выхода полосового фильтра 3, интегра по площади которого в заданном диапазоне поиска информативной частоты постоянен, а на -его второй вход пода ется опорное напряжение; от перестра иваемого генератора 6 также в.задан ном диапазоне анализа, то в первона чальный момент времени в процессе контрольной обработки включают систему 7 автоматической настройки генератора 6 на поиск наиболее информативной частоты по максимальному значеж но выходного сигнала с фазового детектора . В дальнейшем при вариации режимов в процессе обработки выходное напряжение фазового детектора автоматически изменяет, подстраивает частоту генератора 6, поддерживая ее равной основной час тоте релаксации процесса трения и стружкообразования, меняющейся с изменением скорости резания, так как включается в работу ФАПЧ. Таким образом, выходное напряжение постоянной амплитуды на выходе генератора 6 с частотой, paBHoti частоте .основных периодичностей процесса стружкообразования, в дальнейшем i используется как опорный сигнал для выделения наиболее информатив т ных частот из спектр а сил и движения/для формирования сигнала о переменной составляющей мощ 4ости резания, а также для формирования полезного сигнала об износе инструг мента и скорости его развития. Учитывая то, что с вариацией режимовобработки корости резания) видоизменяются, пepepacпpeдeляюtcя энергетические уровни всего спектра. а следовательно, и уровни информативных частот, коррелированных с изнЬсом, возникает задача поиска нового метода формирбвания полезного сигнала рб износе,скорости его развития или интенсивности изнашивания. Задача усложняется еще и тем, что уровни основных периодичностей релаксационного процесса трения и стружкообразования изменяются не только при увеличении скорости резания, при изменении условия контакта в зоне резания, связанного с прираще нием (увеличением величины, износа режущего инструмента как по задней грани ( размерного износа, так и износа типа лунка в месте схода стружки по передней грани. .Эта задача в предлагаемом,способе решается путем формирования сигнала об износе на основе анализа изменения (нелинейных искажений) основ/ных периодичностей процесса трения и стружкообразования, связанных главным образом с развитием износа, для чего сигнал с выхода предварительного усилителя 2 подают на вход ключевого полосового усилителя 8, на управляющий (ключевой) вход которого подают опорный сигнал с выхода перестраиваемого генератора 6 с частотой, равной частоте основных избранных периодичностей процесса стружкообразования. Таким образом, производят прямое преобразование широкополосного сигнала с . выхода усилителя 2 посредством включения и выключения управляемого ключа ключевого усилителя 8 через каждую половину периода опорного сигнала, снимаемого с выхода генератора 6. Затем для выделения постоянной составляющей сигнала,пропорциональной величине несимметричных нелинейных искажений, а следовательно, величине износа, сигнал с выхода ключевого усилителя 8 подают на вход блока9 усреднения или интегратор с последующей подачей его на один из выходов .многовходового регистратора 15 как полезный выходнойсигнал об износе.

В свою очередь, для исключения влияния приращения величины износа на энергетические уровни частот основных периодичностей сигнал, пропорциональный приращению величины износа, через.масштабный усилитель 10 подают на второй управляющий вход предварительного усилит еля 2 нор мирования в функции его приращения.

Затем ((юрмируют выходной полезный сигнал о скорости.развития износа инструмента (или интенсивности его изнашивания ), несущий такую важную дополнительную информацию а процессе резания, как обрабатываемость материала.

Для этого выходной сигнал об износе с выхода блока 9 программно дифференцируют блоком 11 по времени или пути, пройденному инструментом, а через схему 12 сравнения подают на второй вход многовходового регистратора 15Величину допустимого значения ин тенсивности изнашивания определяют и запоминают автоматически в процессе контрольной обработки с помощью системы 13 автоматической настройки задатчика I регистрации допустимой величины контролируемого параметра. Затем его подают для сравнения на второй вход схемы 12 с текущим значе нием скорости приращения величин.й износа, регистрируемого в процессе последующей обработки при выборе оптимальных,скоростей резания.

Для формирования управляющего сигнала скорости обработки в функции переменной составляющей мощности резания, связанной ,с релаксацией энергии разрушения обрабатываемых материалов, выходной сигнал предварительного усилителя 2 в дополнительном канале интегрируют блоком 16 для регистрации колебательных скоростей, так как акселерометром 1 (преобразователем виброакусткческой эмиссии) регистрируют кблебательные ускорения. Затем подают его на синхронный детектор 17 для выделения основных периодических процессов стружкообразования, .на второй вход которого приложейо ранее сформированное опорное на- . пряжение с выхода генератора 6,

равное частоте основных периодич- ностей процесса стружкообразрвания и релаксаций процесса трения.

В свою очередь, выходное напряжение синхронного детектора 17, пропорциональное колебательной скорости периодичностей стружкообразования, через усилитель 18 nor дак)т на блок 19 умножения, на

0 второй вход которого подают сигнал, пропорциональный величине переменной составляющей силы резания с частотой, равной основным периодичностям процесса стружкообразоваНйя. Послед5ний формируют путем регистрации спектра колебательных силв направлении действия PU , регистрируемого преобразователем 20. Затем аналогично выделению колебательной ско0зости смещений инструмента с частотой основных периодичностей процесса стружкообразования усиливают предва-, рительным усилителем 21, нормируют выходной сигнал его в функции измене5ния износа путем изменения коэффициента усиления усилителя 21 сигналом, пропорциональным износу, подаBaeNBiiM на управляющий вход усилителя 21 с выхода блока 9 через мас0штабный усилитель 22.

После предварительного усиления и нормирования сигнала спектра сил выделяют из него основную периодическую составляющую, равную .частоте процесса, стружкбобразования, с по5мощью синхронного детектора,23л .на. второй вход jicoToporo также подают опорное напряжение с блока 6. Выделенный сигнал, пропорциональный

0 величине переменной составляющей силе резания через масштабный усилитель 2k, также подают на второй вход блока 19 умножения, выходной сигнал которого пропорционален ак5тивной переменной составляющей мощ ности резания, интегрируют ( усредняют) блоком 25, сравнивают схемой | 26 с заданном напряжением блока 27/ соответствующим установленной априорно начальной скорости резания,

0 и в функции суммарного знамения си1- нала управляют скоростью резания.

При этом быбор и поддержание оптимальной скорости резания осуществляет5ся автоматически в сторону повышения скорости резания в функции прираще- . ния сигнала, пропорционального активной переменной составляющей мощности

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА И ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ путем регистрации спектра ; виброакустической эмиссии (ВАЗ) и формирования сигнала управления скоРО.СТЫО обработки в функциии изменения интенсивности сиУнэла, пропорционального суммарной энергии разрушения обрабатываемого материала при постоянных (оптимальных с точки заданного качества -формообразования поверхности) г рдаче и глубине резания, о т л и ч a ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и эффективности управления за счет получения дополнительной информации о параметрах и состоянии п|х}цесса, дополнительно регистрируют спектр колебаний сил резания, автоматически отделыю вцделяют из спектра сил и ВАЗ основную частотную составляю|цую, коррелированную с частотой основных периодичностей процесса стружкообразования, автоматически с ледят за ее изменением при,вариации скорости резания, регистрируют изменение величины нелинейных искажений (формы) основной частотной составляющей, выделенной в спектре ВАЗ, и в функции их изменения с приращением величины износа формируют сигнал об износе режущего инструмента, дифференцируют его по пути, пройденному инструментом, и определяют ;коррсть развития износа (интенсивность и изнашиваемость), затем, нормируют спектр сил и ВАЗ в функции изменения (приращения ) износа, формируют сигнал, пропорциональный переменной составляющей мощности резания, характеризующей разрушение Материала, и в функции приращения этого сигнала увеличивают скорость резания до перехода через экстремум сигнала, при этом ог0аничение повышения скорости обработки для некоторых материалов осуществляют тго заданному допусти мому значению скорости развития изiHoca, определяемого автоматически в процессе контрольной обработки.