4.5.4. Технологическая задача чпу

[9, с. 78-86]

ТхЗ ЧПУ состоит в достижении требуемого качества деталей с наименьшими затратами. Главным показателем качества деталей является их точность. Под точностью детали понимается степень их приближения к геометрически правильному прототипу, включая учет макрогеометрии, а также волнистость и шероховатость. К другим показателям качества относятся, например, состояние поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Рассмотрим механизм образования заданной точности обработки в связи с особенностями начальной установки, статической и динамической настроек детали.

При размещении детали в рабочем пространстве станка (то есть при включении детали в кинематические и размерные цепи станочной системы) необходимо обеспечить начальную установку, то есть управление точностью начального положения относительно баз станка или приспособления. Заготовку закрепляют на столе станка или в приспособлении. Комплект технологических баз, определяющих положение детали в процессе ее обработки, образует координатную систему детали. Поверхности стола или приспособления, или других компонентов, с помощью которых деталь координируют в рабочем пространстве, составляют комплект баз станка, формирующих его координатную систему.

Погрешность установки детали, как правило, не может быть определена расчетным путем. Поэтому после установки обследуют поверхности детали с помощью измерительных головок в рамках специальных измерительных циклов. По результатам измерений погрешности установки детали вводятся в память устройства ЧПУ. Таким образом координатные системы станка и детали оказываются согласованными, а управляющая программа ЧПУ в системе координат детали – пригодной для своего воспроизведения в координатной системе станка.

Статическая настройка детали - есть процесс управления первоначальным установлением точности относительного движения и положения (без резания) инструмента, оборудования и приспособления, то есть статическая настройка состоит в согласовании на уровне управления уже трех координатных систем: станка, детали и инструмента. Параметры согласования обычно хранят в виде корректур инструмента в памяти устройства ЧПУ, где под корректурами понимают координаты исполнительных поверхностей инструмента в системе координат станка.

Установленная первоначальная точность относительного движения и положения снижается при обработке вследствие различного рода погрешностей, носящих систематический или случайный характер. Примером систематической погрешности может служить переменная в координатах рабочего пространства станка, погрешность шариковой пары винт-гайка. Примером случайной погрешности может служить размерное изнашивание многократно используемого в различных операциях инструмента.

Размерная поднастройка (как компонент статической настройки) – это управление восстановлением (при обработке точности относительного движения и положения инструмента, оборудования и приспособления) для продолжения рабочего процесса с заданным качеством. Размерную поднастройку с целью компенсации систематических погрешностей осуществляют путем периодического обращения к таблицам коррекции, соответствующих погрешностей, хранимых в памяти устройства ЧПУ. Случайные погрешности могут компенсироваться путем периодического обновления соответствующих таблиц коррекции, хранимых в памяти устройства ЧПУ на основе эпизодических измерительных циклов.

Для осуществления статической настройки на станке с ЧПУ используются три метода:

- метод, связанный с установлением координат инструмента в системе координат детали (метод пробных переходов);

- метод, связанный с установлением координат инструмента в системе координат станка (абсолютный метод);

- метод, связанный с установлением координат инструмента в промежуточной системе координат, положение которой относительно координатной системы станка известно (относительный метод). В станках с ЧПУ получили распространение два последних метода, которые обычно реализуются с помощью измерительных головок.

Динамическая настройка представляет собой этап управления точностью обработки непосредственно в условиях резания, когда искажению точности способствуют деформационные, тепловые и динамические процессы. В основе указанных процессов лежат различные физические эффекты:

- упругие и контактные деформации;

- температурные деформации;

- трение, изнашивание;

- вынужденные колебания и автоколебания.

Влияние любых факторов на точность обработки проявляется, в конечном счете, через размерные связи станочной системы. Под действием этих факторов происходят изменения размеров и относительных поворотов поверхностей, в результате чего возникают отклонения от заданной при статической настройке точности относительного положения и движения инструмента, баз станка и обрабатываемой заготовки. Эти отклонения носят переменный характер и изменяются случайно или по определенному закону в функции времени и функции координат.

Так как размеры детали являются функциями начальной установки, статической и динамической настроек, то достижение повышенной точности возможно путем автоматического управления в рамках начальной установки, статической и динамической настроек и одновременного привлечения нескольких видов управления. Управление какого-то одного вида может устранить как собственные погрешности, так и погрешности управлений других видов. Таким образом, качество обработки (то есть точность) становится управляемым показателем технологического процесса, а достижение качества – компонентом ТхЗ ЧПУ.

Схема способа решения ТхЗ ЧПУ, связанной с управлением качеством обработки, приведена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Схема решения технологической задачи ЧПУ

Управляющая программа имеет в своем составе кадры с описанием измерительных циклов, которые формируют массивы коррекции разнообразного назначения, что и обеспечивает, в конечном счете, статическую настройку. В процессе резания измеряют параметры динамической настройки с помощью датчиков силовых параметров резания (силы резания, вращающего момента на шпинделе); датчиков температур, вибраций, виброакустического спектра; датчиков деформаций и смещений и т. д. Подобная информация позволяет при соответствующей ее обработке управлять динамической настройкой. Поскольку управление точностью осуществляется через приводы подачи, то ТхЗ ЧПУ на каком-то этапе своего выполнения сливается с ГЗ ЧПУ.

Другая часть ТхЗ ЧПУ связана с управлением эффективности обработки. Под экономическим режимом резания понимают такой период стойкости и соответствующие ему параметры режима резания (при заданной стоимости единиц машинного времени, вспомогательного времени, накладных расходов), при которых стоимость операции будет наименьшей. Критерии оптимальности основаны на известных зависимостях между скоростью резания, подачей, глубиной и периодом стойкости.

Для чистовых операций период стойкости менее важен, чем точность размера и чистоты поверхности, а для черновых операций необходимо снимать наибольшее коли­чество материала в единицу времени. Поэтому проблема управления с целью уста­новления экономических режимов актуальна только для черновых режимов. Математически эту задачу можно сформулировать так:

- оптимизация процесса резания путем максимизации отношения объема сни­­маемого металла к износу инструмента;

- оптимизация процесса резания путем минимизации отношения затрат к объему снимаемого металла за период стойкости инструмента и т. д.

В тоже время, в любом критерии оптимизации рассматривается сумма затрат, связанных с машинным временем, временем на смену режущего инструмента, с эксплуатацией инструмента.

Проблема оптимизации чаще всего сводится к определению оптимальных режимов резания (скорости резания и подачи). Однако, подобные методы могут быть привлечены и к оптимизации переходных процессов, допусков, последовательности переходов. Поэтому задачу оптимизации можно сформулировать так: для конкретного варианта технологического оборудования необходимо определить такие значения искомых технологических параметров, которые обеспечили бы наибольшую эффективность процесса при соблюдении ограничений по качеству обработки, расходу оборотных средств, техническим, технологическим и организационно-техническим возможностям станка.

Системы управления станками, обеспечивающие поиск и поддержание технологических параметров рабочего процесса, удовлетворяющих критерию оптимальности и действующим ограничениям, называются адаптивными.

Обобщенная структурная схема адаптивного управления приведена на рис. 4.10. Блок (модуль) адаптивного управления может быть частью устройства ЧПУ, а может быть и автономным устройством. Только адаптивное управление способно снизить отрицательное влияние действующих на технологический процесс возмущений, а также отрицательные последствия несовершенной управляющей программы ЧПУ.

Измеряемые параметры зависят от технологических, и измеряют обычно силу резания, мощность, износ инструмента. К параметрам настройки относятся коэффициенты уравнений математической модели. Ограничения составляют систему неравенств, каждое из которых устанавливает пределы варьирования измеряемых и искомых параметров. Математическая модель связывает критерий оптимальности с искомыми технологическими и измеряемыми параметрами. Блок оптимизации в соответствии с заданным алгоритмом, находит такие значения технологических параметров, которые обеспечивают критерию оптимальности максимум или минимум.

Рис. 10