Sterowanie układem dynamicznym obróbki części osiowosymetrycznych o małej sztywności / PAR 2/2009 / 2009 / Archiwum / Strona główna | PAR Pomiary - Automatyka - Robotyka

Pełen tekst

(1)Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. doc. dr in. Aleksandr Draczow Pastwowy Uniwersytet Techniczny w Togliatti, Rosja doc. dr in. Georgij Taranenko Narodowy Uniwersytet Techniczny w Sewastopolu, Ukraina prof. dr hab. in. Wiktor Taranenko dr hab. in. Antoni wi, prof. nazw. Politechnika Lubelska mgr in. Witold Haas Pastwowa Wysza Szkoa Zawodowa w Chemie. STEROWANIE UKADEM DYNAMICZNYM OBRÓBKI CZCI OSIOWOSYMETRYCZNYCH O MAEJ SZTYWNOCI Uzasadniono i sprawdzono dostrojenie ukadu dynamicznego umoliwiajce zwikszenie dokadnoci i wydajnoci obróbki. Analizowany jest ukad sterowania automatycznego procesami dynamicznymi ukadu technologicznego z obwodem (konturem) dodatkowym.. CONTROLLING THE DYNAMIC SYSTEM OF MACHINING AXIAL SYMMETRIC LOW RIGID ELEMENTS The metal-cutting technological system update by the tangent control circuit for the precision and productivity increasing is substantiated and approved. The automatic control system for the operating this technological system is observed. Zwikszenie dokadnoci obróbki waów o maej sztywnoci nie jest moliwe bez sterowania procesami dynamicznymi toczenia. Na charakterystyki dynamiczne procesu obróbki wpywaj rónorodne, zmienne w czasie, czynniki technologiczne. Naley, wic zagwarantowa stao charakterystyk dynamicznych procesu skrawania drog sterowania drganiami ukadu technologicznego [1]. Procesy dynamiczne ukadu sprystego obrabiarki uwarunkowane s oddziaywaniami siowymi na ukad w procesie skrawania. Z uwzgldnieniem przemieszcze podukadu technologicznego (narzdzia lub pófabrykatu) w paszczy nie skrawania stycznej do powierzchni obrabianej, równania opisujce zachowanie ukadu z uwzgldnieniem opó nienia siy od przemieszcze [2, 3] maj posta: T1Y 2 ycc T2Y yc y. gY Fy ,. T3Z 2 zcc T4 Z zc z. g Z FZ ,. FZ TZ F 'Z FY TY FY f K z,. mZ y nZ f h1zc, mY y nY f h2 zc,. (1). gdzie: h1, h2 - wspóczynniki tumienia wzgldem osi z i drga stycznych, odpowiednio dla stycznej FZ i promieniowej FY skadowej siy skrawania; TZ, TY - opó nienia stae skadowych siy skrawania spowodowane zmian parametrów przekroju warstwy; 1,2,Y, 1,2, Z - staa czasowa inercyjna oraz staa czasowa tumienia obwodów normalnego i stycznego; , z - przemieszczenia wzgldem odpowiednich osi;. automation 2009. 125.

(2) Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. mZ, nZ, mY, nY - wspóczynniki wzmocnienia procesu skrawania odnonie przyrostu szerokoci i gruboci warstwy skrawanej odpowiednio dla skadowych siy skrawania FZ i FY; KK - wspóczynnik przeksztacenia przemieszcze stycznych we wzdune; f - zmiana gruboci warstwy skrawanej; gY , g Z - podatnoci obwodów normalnego i stycznego. Wartoci wspóczynników do oblicze siy skrawania przyjto z literatury [1, 2, 3]. Do okrelenia staych opó nienia siy skrawania spowodowanego zmian gruboci warstwy skrawanej, dugo drogi skrawania dla skadowej stycznej przyjto równ 0,12 mm, dla skadowej normalnej 0,51 mm. Staa opó nienia dla skadowej siy skrawania FZ dla rónych materiaów pófabrykatu jest mniejsza od 2 do 5 razy od FY. W przypadku elementów ukadu technologicznego o dodatkowym stopniu swobody zakócenie odksztace pocztkowo ma miejsce w paszczy nie stycznej do powierzchni skrawania, a nastpnie w normalnej. Wpyw przemieszczenia na dokadno w kierunku stycznej siy skrawania jest o rzd mniejszy, ni w kierunku promieniowej. Generowanie drga w kierunku promieniowym sprzyja redystrybucji energii zakóce i jej rozpraszaniu przy drganiach. Dlatego przy okrelaniu si skrawania naley uwzgldnia tumienie, chocia drgania przy skrawaniu generowane s w zakresie od 150 Hz do 500 Hz. Do oblicze staych czasowych ukadu technologicznego zastosowano dane eksperymentalne (wspóczynniki tumienia, sztywnoci, masa zredukowana), uzyskane przy pomiarze drga swobodnych gasncych. Sztywno ukadu dynamicznego w kierunku stycznym przy wprowadzeniu przeksztatnika zmniejszya si od 2 do 4 razy. Z ukadu równa (1) otrzymano transmitancje ukadu dynamicznego:. G1( s ). y Fy. gY 2 2. T1Y s T2Y s 1. , G2 ( s ). z FZ. gZ 2 2. T3Z s T4 Z s 1. ,. G3 ( s ). FZ y. mZ , G4 ( s ) 1 TZ s. FZ f. nZ , G5 ( s ) 1 TZ s. FZ z. h1s , 1 TZ s. G6 ( s ). FY y. mY , G7 ( s ) 1 TY s. FY f. nY , G8 ( s ) 1 TY s. FY z. h2 s , 1 TY s. G9 ( s ). f z. (2). KK ,. gdzie s – operator Laplace’a. W oparciu o transmitancje operatorowe opracowano schemat strukturalny ukadu dynamicznego z obwodem stycznym (rys. 1).. 126. automation 2009.

(3) Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. Rys. 1. Schemat strukturalny ukadu dynamicznego z obwodem stycznym Procesy przejciowe i amplitudowa charakterystyka fazowo- czstotliwociowa (ACHFC) dla otwartego ukadu dynamicznego, ze stycznym obwodem i bez, przedstawiono na rys. 2.. ). b) Rys. 2. Procesy przejciowe ( ) i ACHFC (b) ukadów dynamicznych bez (____) i z obwodem stycznym (_ _ _ ) Jak wida wprowadzenie dodatkowego stopnia swobody prowadzi do zwikszenia sztywnoci statycznej i dynamicznej w kierunku promieniowym a take zmniejszenia czasu niezbdnego do zanikania procesów przejciowych w ukadzie technologicznym przy dziaaniu zakóce. automation 2009. 127.

(4) Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. Dane eksperymentalne otrzymane przy toczeniu oraz roztaczaniu czci o maej sztywnoci pokazay, e wprowadzenie obwodu stycznego zwiksza dokadno obróbki i zmniejsza chropowato powierzchni. Przy toczeniu zastosowano urzdzenia do generowania drga, zarówno w podukadach ksztatowania czci „pófabrykat- podpory”, jak i „nó- suport”. We wszystkich przypadkach obserwowano zwikszenie dokadnoci wymiarów, lecz szczególnie naley odnotowa znaczce zmniejszenie bdów pooenia i ksztatu obrobionej powierzchni. Mikrozarys powierzchni by przy tym nierównomierny w zakresie dugoci czci z powodu zmiennych warunków obróbki. Jednak w odrónieniu od obróbki w takich samych warunkach przy zastosowaniu standardowego wyposaenia powierzchnia nie ma wklsoci. Do generowania drga w podukadzie „pófabrykat - podpory” przy toczeniu zastosowano przemiennik falowodowy jako wicy element midzy pófabrykatem i uchwytem. Przemiennik falowodowy wykonany jest w postaci prta z przelotowym rowkiem rubowym do wytworzenia drga kompleksowych. W podukadzie „nó - suport” zastosowano nó z rowkami klinowymi, w które wstawiono kliny z moliwoci regulowania siy ich zacisku. Do roztaczania równie zastosowano przemiennik falowodowy umieszczony w koniku, wypeniajcy ponadto funkcje wytaczada dla mocowania gowic wytaczarskich. Opracowano ukad sterowania do stabilizacji parametrów procesu obróbki wibracyjnej, wykorzystujcy sprysty przemiennik falowodowy generujcy róne drgania (rys. 3).. Rys. 3. Ukad technologiczny z przemiennikiem falowodowym bróbka jest wykonywana w nastpujcy sposób. Pófabrykat 1 ustawiany jest w przyrzdzie 2 z elementem sprystym 3, majcym rowki rubowe 4. Pófabrykat wprawiany jest w ruch obrotowy Dv, a narzdzie 5 realizuje ruch posuwowy Df wzdu pófabrykatu 1. Przy wcinaniu si narzdzia 5 w pófabrykat 1 ma miejsce jego skrcania oraz odksztacenie wzdune. W wyniku okresowych procesów relaksacyjnych, zwizanych z podziaem wiórów w strefie ich powstawania w elemencie sprystym 3, od pófabrykatu 1 podpartego kem osadzonym na sprynie 7 generowane s kompleksowe drgania skrtne - wzdune

(5) wz.. 128. automation 2009.

(6) Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. Rys. 4. Schemat ukadu automatycznego sterowania procesem toczenia Obwód sterowania (rys. 4) zawiera czujniki 1 i 2 emisji wibroakustycznej stycznej i wzdunej (EWA), które przez wzmacniacze 3 i 4, przetworniki 5 i 6 poczone s z sumatorami 7 i 8, do których podczone s zadajniki wzdunej i stycznej skadowych wibracji 9 i 10. Obwody poprzez przetworniki 11 i 12, podczone s do przecznika 13 poczonego z napdami posuwów 14, prdkoci 15 i napdem 16 nacigu cigna 17 elementu sprystego 18. W trakcie obróbki wibracyjnej prowadzona jest diagnostyka procesu skrawania- wykonywany jest pomiar EWA w kierunkach osiowym i stycznym, co umoliwia okrelenie amplitudy i czstotliwoci drga wzgldnych w tych kierunkach a przez to ksztatu drga. Poniewa proces powstawania wióra okrelajcy drgania zaley od staych skadowych siy skrawania, jest ona stabilizowana poprzez sterowanie posuwem. Uzyskanie wysokiej efektywnoci skrawania wymaga utrzymywania w okrelonym zakresie czstotliwoci drga elementu ukadu technologicznego, generujcego drgania kompleksowe a przez to odpowiedniego ksztatu i amplitudy drga. W tym celu dla rónych operacji naley zastosowa róne nastawienia ukadu technologicznego z uwzgldnieniem ksztatu amplitudowej charakterystyki czstotliwociowej (ACHCZ) podukadu nieliniowego „pófabrykat - element sprysty”. Ksztat drga przemiennika falowodowego lub noa zastosowanych do wytworzenia drga okrelany jest w funkcji czstotliwoci wzbudzenia i czstotliwoci wasnej drga podukadu „pófabrykat - element sprysty” (w zalenoci od niego generowane s gównie drgania wzdune, skrcajce lub kompleksowe). Toczenie zgrubne naley wykonywa na wznoszcej si (dorezonansowej) gazi ACHCZ podukadu nieliniowego „element sprysty- pófabrykat). Do toczenia dokadnego wykorzystywana jest ga zarezonansowa ACHCZ. Czstotliwo i amplituda drga s okrelane parametrami nastawienia technologicznego: charakterystykami elementu sprystego - przemiennika falowodowego (stopniem jego cinicia, skokiem i gbokoci rowków rubowych) oraz parametrami skrawania. Przy zastosowaniu ukadu sterowania regulowanie czstotliwoci drga wykonywane jest zgodnie z zalenoci: automation 2009. 129.

(7) Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. f. 1000vc , 60k Ll. (3). gdzie: vc - prdko skrawania; L - wspóczynnik spczenia wióra; l - dugo segmentu wióra. Sterowanie prdkoci skrawania stabilizuje czstotliwo powstawania wióra. Rezonans na skadowej skrcajcej ma miejsce przy niszych czstotliwociach, ni na skadowej wzdunej. Sterujc wielkoci nacigu elementu sprystego, okrela si wymagane drgania dla rónych rodzajów obróbki (zgrubnej lub wykaczajcej). Obróbka wykaczajca realizowana jest przy wikszej prdkoci skrawania, co wie si z wysz czstotliwoci powstawania wióra i odpowiednio wysz czstotliwoci drga, wymuszonych. Wstpnie naley, wic ustawi sztywno sprystego przetwornika dla uzyskania rezonansu na skadowej skrcajcej. Czstotliwo wasna elementu sprystego powinna by wiksza (w wyniku wikszej jego sztywnoci). Obróbka zgrubna przy rezonansie drga wzdunych umoliwia stabilne rozdrabnianie wióra i zwikszenie dokadnoci ksztatu. Przy rezonansie na skadowej skrcajcej drga przy odpowiedniej czstotliwoci drga, uzyskiwana jest maksymalna dokadno ksztatu w przekroju poprzecznym. W porównaniu z obróbk przy zastosowaniu standardowego wyposaenia technologicznego zastosowanie ukadu technologicznego z obwodem stycznym zwiksza dokadno od 2 do 4 razy, a ukad sterowania umoliwia stabilizacj parametrów dokadnoci i mikroprofilu w kierunku wzdunym. Obróbka pófabrykatów o maej sztywnoci ze sterowaniem charakterystykami dynamicznymi procesu skrawania jest moliwa po dokonaniu minimalnej modernizacji urzdze produkcyjnych. Umoliwia to zwikszenie dokadnoci w porównaniu z technologi tradycyjn.. LITERATURA:. 1. 2. 3.. 130. . . . - !.: ! ", 1970.350 . #$%& !. ., *+ .

(8) ., / <.

(9) . /= & =>" ?+ = . / / , 1983, B4.- /. 3-7. I /. /. I$ $$QVX . !., ! ", 1978. – 199 .. automation 2009.

(10) Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009. O AUTORACH DRACZOW Aleksandr - doc. dr in., Katedra Technologii Maszyn Uniwersytetu Technicznego w Togliatti, ul. Belorusskaja. 12, 445021 Togliatti, Rosja, O.Drachev@tltsi.ru TARANENKO Georgij - doc. dr in., prodziekan Sewastopolskiego Narodowego Uniwersytetu Technicznego (SewNTU), ul. Uniwersytecka, 33, 99053, &. Sewastopol, Ukraina, e-mail: ernoteh@mail.ru TARANENKO Wiktor - prof. dr hab. in., kierownik Zakadu Elastycznych Systemów Wytwarzania w Instytucie Technologicznych Systemów Informacyjnych Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, e-mail: w.taranenko@pollub.pl WI Antoni - dr hab. in., prof. PL, dyrektor Instytutu Technologicznych Systemów Informacyjnych Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, e-mail: a.swic@pollub.pl HAAS Witold - mgr in., asystent w Instytucie Nauk Technicznych Pastwowej Wyszej Szkoy Zawodowej w Chemie, ul Pocztowa 54, 22-100 Chem, e-mail: whalas@pwsz.chelm.pl. automation 2009. 131.

(11)