Способ и устройство управления термоэлементом
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF THERMOELEMENT

Изобретение относится к области высокоскоростной обработки деталей на оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ), в частности к устройствам повышения производительности при механической обработке за счет управления охлаждения режущего инструмента.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство управления охлаждением резца [Патент РФ №2586189, кл. B23Q 11/14, 2006 (аналог)].
Недостатком данного устройства являются отсутствие блока преобразования тока в напряжение и то, что нечеткая модель имеет треугольные функции принадлежности у выходной переменной, что увеличивает число выполняемых арифметических операций при дефаззифкации и снижает быстродействие устройства.
Известно устройство охлаждения режущего инструмента для повышения точности при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ [Патент РФ №2486992, кл. В23В 1/00, 2006 (прототип)].
Недостатком данного устройства является конструкционная особенность, заключающаяся в том, что на выходе устройства формируется напряжение, в то время как управляемое устройство регулируется силой тока, т.е. в нем не представлена схема преобразования тока в напряжение.
Известен способ охлаждения режущей части инструмента [Патент РФ №1255384, кл. B23Q 11/10, 2006 (аналог)].
Недостатком данного способа является применение инструмента сложной конструкции с внутренними полостями для смазочной жидкости.
Известен способ охлаждения режущего инструмента для повышения точности при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ [Патента РФ №2486992, кл. В23В 1/00, 2006 (прототип)].
Недостатком данного способа является то, что в нем не предусмотрено преобразование сигнала силы тока в напряжение, передаваемого к генератору постоянного тока.
Технической задачей изобретения является повышение быстродействия процесса управления термоэлементом и увеличение скорости обработки деталей на станках с ЧПУ.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, включающее термоэлемент Пельтье, державку, режущую пластину, деталь, переднюю бабку и заднюю бабку, компьютер, датчик скорости подачи изделия, датчик скорости резания, введены короб со сплавом Розе, источник питания, датчик температуры в зоне резания, программируемая логическая интегральная схема, содержащая блок расчета силы тока и блок преобразования тока в напряжение, генератор постоянного тока, содержащий резистор, биполярный транзистор, операционный усилитель, потенциометр.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема устройства формирования управляющих сигналов для управления термоэлементом, на фиг. 2-4 изображены входные функции принадлежности, имеющие по три терма, на фиг. 5 изображена выходная функция принадлежности, состоящая из 11 синглтонных функций.
Устройство управления термоэлементом содержит датчик температуры в зоне резания 1, датчик скорости подачи изделия 2, датчик скорости резания 3, деталь 4, заднюю бабку 5, переднюю бабку 6, режущую пластину 7, короб со сплавом Розе 8, термоэлемент Пельтье 9, державка 10, источник питания 11, генератор постоянного тока 12, содержащий резистор 13, биполярный транзистор 14, операционный усилитель 15, потенциометр 16, программируемую логическую интегральную схему 17, состоящую из блока преобразования тока в напряжение 18 и блока расчета силы тока 19, компьютер 20.
Связи в устройстве управления термоэлементом расположены следующим образом: датчик температуры в зоне резания 1 соединен с первым входом блока расчета силы тока 19, датчик скорости подачи изделия 2 соединен со вторым входом блока расчета силы тока 19, датчик скорости резания 3 соединен с третьим входом блока расчета силы тока 19, выход блока расчета силы тока 19 соединен с входом блоком преобразования тока в напряжение 18, выход блока преобразования тока в напряжение соединен с первым выводом потенциометра 16, второй вывод потенциометра 16 соединен с общим проводом, третий вывод потенциометра 16 соединен с неинвентирующим входом операционного усилителя 15, выход операционного усилителя соединен с базой биполярного транзистора 14, эммитер биполярного транзистора 14 соединен с первым выводом резистора 13 и положительным полюсом источника питания 11, второй вывод резистора 13 соединен с инвентирующим входом операционного усилителя 15, коллектор биполярного транзистора 14 соединен с первым выводом термоэлемента Пельтье 9, второй вывод термоэлемента Пельтье 9 соединен с отрицательным полюсом источника питания 11, термоэлемент Пельтье 9 установлен на коробе со сплавом Розе 8, короб со сплавом Розе 8 закреплен в державке 10, режущая пластина 7 установлена в державке 10, деталь 4 закреплена в передней бабке 6 и задней бабке 5, компьютер 20 соединен с программируемой логической интегральной схемой 17.
Устройство управления термоэлементом работает следующим образом. При вращении детали 4, установленной в передней бабке 6 и задней бабке 5, и прохождении по поверхности детали режущей пластины 7 в зоне резания происходит нагрев режущей части режущей пластины 7 и поверхности детали 4, вследствие чего происходят температурные деформации, которые приводят к износу режущей части режущей пластины 7.
Для устранения температурных деформаций предлагается устройство управления термоэлементом, основанное на применении термоэлектрического эффекта Пельтье. До начала работы с компьютера 20 в ПЛИС 17 задаются значения, описывающие входные функции принадлежности. В реальном времени блок расчета силы тока 19 получает данные с датчика температуры в зоне резания 1, датчика скорости подачи изделия 2 и датчика скорости резания 3. Затем, на основе нечетких правил управления, формирует значение тока на выходе блока расчета силы тока 19 по способу, изложенному ниже. При изменении данных с датчиков 1, 2, 3 блок расчета силы тока 19 изменяет рассчитанное значение силы тока. Далее значение силы тока подается на вход блока преобразования тока в напряжение 18, который преобразует значение тока в выходное напряжение в зависимости от нечетких правил. Рассчитанное значение напряжения подается на генератор постоянного тока 12, который преобразует напряжение в ток и подает его на термоэлемент Пельтье 9. Значение тока, переданное с генератора постоянного тока 12 на термоэлемент Пельтье 9, изменяет интенсивность охлаждения холодной стороны термоэлемента Пельтье 9, который соединен с коробом со сплавом Розе 8. Чем больше термоэлемент Пельтье 9 охлаждает короб со сплавом Розе 8, тем быстрее отводится тепло из зоны резания через короб со сплавом Розе и тем быстрее охлаждается режущая пластина 7. В дальнейшем, если данные с датчиков 1, 2, 3 изменяются, то вышеописанный процесс циклически повторяется.
Способ управления термоэлементом реализует расчет силы тока в блоке расчета силы тока 19, подаваемого на термоэлемент Пельтье 9.
Сила тока рассчитывается согласно способу из прототипа [Патент РФ №2486992, кл. В23В 1/00, 2006 (прототип)], но в отличии от предложенного способа в прототипе, в предлагаемом способе выходные функции принадлежности расчета силы тока представляют собой синглтонные функции, что повышает скорость расчета, а следовательно и быстродействие устройства.
Первым шагом способа является формирование функций принадлежности для входных переменных. Функции принадлежности входных переменных представляют собой треугольные функции принадлежности, состоящие из трех термов, и изображены на фигурах 2-4.
где t - численные значения температуры режущей части резца 16;
i - число функций принадлежности;
1
μ(t) → [0,1] - соответствующие величинам температуры значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1);
S - численные значения подачи режущего инструмента;
1
μ(S) → [0,1] - соответствующие величинам подачи режущего инструмента значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1);
v - численные значения скорости резания;
1
μ(v) - соответствующие величинам скорости резания значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1).
Вторым шагом способа является этап фаззификации. В зависимости от текущего параметра t, полученного от датчика температуры в зоне резания 1, текущего значения параметра S, полученные от датчика скорости подачи изделия 2, текущего значения скорости резания v, полученные от датчика скорости резания 3, формируется фаззифицированный вектор значений для каждого терма функции принадлежности t', S' и v' где текущее значение t является аргументом μ(t), а текущее значение скорости подачи изделия S является аргументом μ(S), а текущее значение скорости обработки изделия v является аргументом μ(v), позволяя найти количественное значение из интервала [0,1] для t'=μ(t); S'=μ(S) и v'=μ(v). Этап фаззификации считается законченным, когда найдутся t', S' и v' для трех термов функций принадлежности входных величин Т, S и V:
t
Параметр t' рассчитывается по следующей формуле:
i
где t' - текущее значение параметра температуры;
а, b, с - точки, описывающие треугольную функцию принадлежности.
i
i
Параметры S' и v' рассчитываются аналогично.
Третьим шагом способа является расчет степени предпосылок нечетких правил и их степеней активации, причем нечеткие правила задаются видом:
1
1
1
1
НП1: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
1
1
2
2
НП2: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
1
1
3
3
НП3: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
1
2
1
2
НП4: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
1
2
2
3
НП3: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
1
2
3
4
НП6: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
1
3
1
5
НП7: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
1
3
2
4
НП8: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
1
3
3
5
НП9: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
2
1
1
4
НП10: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
2
1
2
5
НП11: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
2
1
3
6
НП12: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
2
2
1
5
НП13: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
2
2
2
6
НП14: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
2
2
3
7
НП15: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
2
3
1
6
НП16: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
2
3
2
7
НП17: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
2
3
3
8
НП18: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
3
1
1
7
НП19: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
3
1
2
8
НП20: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
3
1
3
9
НП21: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
3
2
1
8
НП22: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
3
2
2
9
НП23: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
3
2
3
10
НП24: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть 1;
3
3
1
9
НП25: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
3
3
2
10
НП26: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I;
3
3
3
11
НП27: Если t есть t, v есть v, S есть S, то I есть I,
где t - температура (°С): значение, полученное от датчика температуры в зоне резания 1 (значение по оси абсцисс фиг. 2);
1
1
t - первая функция принадлежности (первый треугольник t, фиг. 2);
2
2
t - вторая функция принадлежности (второй треугольник t, фиг. 2);
3
3
t - третья функция принадлежности (третий треугольник t, фиг. 2);
v - скорость резания (об/мин): значение, полученное от датчика скорости подачи изделия 3 (значение по оси абсцисс фиг. 3);
1
1
v - первая функция принадлежности (первый треугольник v, фиг. 3);
2
2
v - вторая функция принадлежности (второй треугольник v, фиг. 3);
3
5
v - третья функция принадлежности (третий треугольник v, фиг. 3);
S - скорость подачи изделия (мм/об): значение, полученное от датчика скорости подачи изделия 2 (значение по оси абсцисс фиг. 4);
1
1
S - первая функция принадлежности (первый треугольник S, фиг. 4);
2
2
S - вторая функция принадлежности (второй треугольник S, фиг. 4);
3
3
S - третья функция принадлежности (третий треугольник S, фиг. 4);
I - значение выходной переменной в заключениях нечеткого вывода.
В устройстве управления термоэлементом включены двадцать семь нечетких правил, которые сведены в таблицу 1.
С учетом таблицы 1 рассчитываются степени предпосылок нечетких правил по формулам:
После расчета степеней предпосылок нечетких правил вычисляются их степени активации по формуле 5:
На четвертом шаге способа производится расчет тока в блоке расчета силы тока 19, передаваемого на термоэлемент Пельтье 9 посредством генератора постоянного тока 12:
i
где M - метки функций принадлежности (значение по оси абсцисс, фиг. 5), при этом t=1…n, n=11 - число выходных синглтонных функций принадлежности.
f
f
f
f
На пятом шаге способа в блоке преобразования тока в напряжение 18 осуществляется преобразование величины тока I, полученной в блоке расчета силы тока 19 и рассчитанной по формуле 6, в напряжение U, подаваемое на генератор постоянного тока 12. Преобразование полученного результата величины тока I в сигнал напряжения U осуществляется по формуле:
f
где U - сигнал напряжения, передаваемый на потенциометр 16 (В);
min
U - минимальное значение напряжения (В);
max
U - максимальное значение напряжения (В) (данные значения находятся в руководстве пользователя по эксплуатации конкретной ПЛИС);
max
I - максимальное значение тока (мА);
min
min
1
max
11
I - минимальное значение тока (мА) (I=M, I=М).
В качестве примера разберем управление температурным режимом в зоне резания, то есть расчет напряжения, подаваемого от блока 19 на генератор постоянного тока 12 в зависимости от данных с датчиков 1, 2, 3 с целью охлаждения короба со плавом Розе 8 и отвода температуры от режущей пластины 7.
Шаг 1. На первом шаге формируются входные и выходная функция принадлежности. Графики функций принадлежности представлены на фигурах 2-5.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Пусть входные функции принадлежности с помощью компьютера 20 в программируемую логическую интегральную схему 17 заданы следующим образом. Термы функции принадлежности температуры в зоне резания (фиг. 2) представлены в виде треугольника и равны t=[400, 420, 440], t=[420, 440, 460], t=[440, 460, 480], данные указаны в градусах Цельсия. Термы функции принадлежности скорости резания в зоне резания (фиг. 3) представлены в виде треугольника и равны v=[300, 350, 400], v=[350, 400, 450], v=[400, 450, 500], данные указаны в оборотах в минуту. Термы функции принадлежности скорости подачи изделия в зоне резания (фиг. 4) представлены в виде треугольника и равны S=[0.2, 0.25, 0.3], S=[0.25, 0.3, 0.35], S=[0.3, 0.35, 0.4], данные указаны в миллиметрах на оборот.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Выходная функция принадлежности представлена в виде синглтонной функции, состоящей из 11 меток. Предположим, что метки заданы следующим образом M=0.01, М=0.04, М=0.07, М=0.1, М=0.13, М=0.16, М=0.19, М=0.21, М=0.24, М=0.27, М=0.3.
Шаг 2. При поступлении данных текущей температуры в зоне резания детали 4 получаемой с датчика температуры в зоне резания t, текущей скорости резания в зоне резания v с датчика скорости резания 3, текущей скорости подачи детали в зоне резания S с датчика скорости подачи изделия 2 производится расчет управляющего воздействия согласно нечетким правилам управления. Например, если t=415°С, v=475 об/мин, S=0.32 мм/об, то вектор фаззификации значения терма для каждой входной функции принадлежности t', S' и v', рассчитанных по формулам 2 и 3, будут иметь значения:
Значения равные нулю далее в расчетах не участвуют.
Шаг 3. На основе нечетких правил рассчитываются степени предпосылок нечетких правил. С помощью операции «И» нечеткой логики выбирается минимальное значение из термов входных переменных по формуле 4:
После расчета степеней предпосылок нечетких правил производится расчет их степеней активации по формуле 5:
Шаг 4. Производится расчет значения тока в блоке 19, передаваемого на термоэлемент Пельтье 9 посредством генератора постоянного тока 12 по формуле 6:
f
f
min
max
max
min
Шаг 5. В блоке преобразования тока в напряжение 18 по формуле 7 осуществляется преобразование величины тока I, полученной в блоке расчета силы тока 19 и рассчитанной по формуле 6, в напряжение U, подаваемое на генератор постоянного тока 12. I=0 мА, I=330 мА, основываясь на характеристиках используемого термоэлемента Пельтье 9. U=2.9 В, U=0,4 В, эти значения находятся в руководстве пользователя по эксплуатации ПЛИС [стр. 77-78, табл. 10.2, столбцы 6 и 7, https://www.xilinx.com/support/documentation/boards_and_kits/ug230.pdf]. В устройстве управления термоэлементом используется ПЛИС Spartan-3E.
Предложенный способ в зависимости от нечетких правил осуществляет расчет напряжения, преобразуемое генератором тока 12 в силу тока для управления интенсивностью охлаждения термоэлемента 9 с целью отвода тепла от режущей пластины 7 через короб со сплавом Розе 8.