СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ РЕЗАНИЯ НА ТОКАРНОМ ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ
NC LATHE CUTTING SPEED CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области высокоточного станкостроения, а в частности к автоматизированным системам управления токарным оборудованием с ЧПУ в режиме реального времени. То есть в процессе токарной обработки деталей на оборудовании с ЧПУ под воздействием различных случайных факторов, например под действием температурных деформаций, происходит удлинение режущего инструмента, что приводит к колебанию сил резания, а в результате смещения осей шпинделей передней и задней бабок относительно оси детали может появиться бочкообразность, седлообразность или конусность детали. Управление этими погрешностями позволит в режиме реального времени стабилизировать процесс обработки деталей на токарном оборудовании с ЧПУ.
Известно устройство управления высокоточной обработки деталей на оборудовании с ЧПУ [Патент РФ №2309034, кл. B23Q 11/02, 2007 (аналог)].
Недостаток этого устройства заключается в том, что с помощью датчика силы резания фиксируется только момент времени, когда действующее значение силы резания превышает допустимое значение. Чтобы реагировать на колебания силы резания (поддерживать постоянным значение силы резания), необходима обратная связь, которая позволит путем перерасчета параметров режима резания обеспечить постоянство силы резания и тем самым увеличить точность обрабатываемых деталей.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство управления точностью обработки деталей, содержащее деталь, резец, резцедержатель, силометрический датчик, исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ [Патент РФ №2379169, кл. B23Q 15/00, 2010 (прототип)].
Недостатком этого устройства является снижение точности обработки поверхностей деталей за счет отсутствия контроля колебания размера диаметра вдоль обрабатываемой поверхности детали, другой недостаток заключается в сложной конструкции устройства.
Известен способ определения оптимальной скорости резания [Патент РФ №2374038, кл. В23В 1/00, 2009 (аналог)]. Недостатком данного способа является то, что для определения оптимальной скорости резания необходим предварительный нагрев твердосплавного инструмента, при котором в его структуре в наибольшей степени проявляется эндотермический эффект, что увеличивает время настройки оборудования с ЧПУ на обработку заготовок.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, используемый для нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью для управления технологическими процессами [Патент РФ №2309443, кл. G05B 13/02, G05B 11/01, 2007 (прототип)]. Однако недостаток данного способа заключается в том, что в качестве входной величины может использоваться только один параметр, например сила резания. Что снижает функциональные возможности данного способа.
Технической задачей изобретения является стабилизация силы резания и/или колебания диаметра вдоль обрабатываемой поверхности детали в результате действия возмущающих воздействий на заготовку в зоне резания.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ, включающем определение значения силы резания
p
p
n
y
x
Р=10C·V·S·t·K,
р
р
где С - общий коэффициент, зависящий от рода обрабатываемого материала, от вида обработки, инструментального материала и других общих параметров; t, S, V - параметры режима резания: глубина, подача и скорость резания, соответственно; х, у, n - показатели степени при параметрах режимов резания; К - поправочный коэффициент;
и диаметра обрабатываемой детали
где n - скорость вращения детали;
и сравнение полученных результатов с текущим значением силы резания, поступающим от силометрического датчика и диаметра обрабатываемой детали, полученного от оптического датчика, при несовпадении текущего и расчетного значения силы резания и диаметра обрабатываемой детали осуществляется перерасчет силы резания в зависимости от нечетких правил управления
1
1
9
1. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
1
2
8
2. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
1
3
7
3. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
1
4
6
4. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
1
5
5
5. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
2
1
8
6. Если «р=p» И «d=d» To «v=v»;
2
2
7
7. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
2
3
6
8. Если «р=p» И «d=d» То «v=v»;
2
4
5
9. Если «p=p» И «d=d» То «v=v»;
2
5
4
10. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
1
7
11. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
2
6
12. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
3
5
13. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
4
4
14. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
5
3
15. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
1
6
16. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
2
5
17. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
3
4
18. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
4
4
3
19. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
5
2
20. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
5
1
5
21. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
5
2
4
22. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
5
3
3
23. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
5
4
2
24. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
5
5
1
25. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»,
по формуле
1…9
1…9
где v - численные значения скорости резания (от минимального до максимального значения); µ'(v) - новые значения выходной величины скорости резания в виде новых термов функций принадлежности.
Устройство для управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ содержит деталь, резец, резцедержатель, силометрический датчик, исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим датчиком, передней и задней бабками и нечетким контроллером, содержащим блок формирования функций принадлежности, блок фаззификации, блок агрегации, блок композиции, блок аккумуляции и блок дефаззификации, соединенные последовательно между собой, позволяющий в режиме реального времени вырабатывать управляющие сигналы в зависимости от изменения силы резания и диаметра обрабатываемой детали и взаимодействовать посредством исполнительных механизмов на изменение скорости резания с целью повышения точности обрабатываемых поверхностей.
На фиг.1 приведена схема устройства управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ.
Устройство управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ содержит деталь 1, резец 2, резцедержательный блок 3, силометрический датчик 4, переднюю бабку 5, заднюю бабку 6, оптический датчик 7, нечеткий контроллер 8, включающий блок формирования функций принадлежностей 9, блок фаззификации 10, блок агрегации 11, блок композиции 12, блок аккумуляции 13, блок дефаззификации 14; блок усиления сигнала 15 и исполнительные механизмы 16.
Связи в устройстве управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ расположены в следующем порядке: обрабатываемая деталь 1 устанавливается в центрах передней 5 и задней 6 бабок. На резцедержательном блоке 3 устанавливается резец 2 и силометрический датчик 4, выход которого подключен к первому входу блока фаззификации 10, ко второму входу блока фаззификации 10 подсоединен оптический датчик 7, третий вход блока, фаззификации 10 соединен с выходом блока формирования функций принадлежностей 9. Выход блока фаззификации 10 соединен с входом блока агрегации 11, выход которого подключен к входу блока композиции 12. Выход блока композиции 12 подсоединен к входу блока аккумуляции 13, выход которого подключен к входу блока деффазификации 14. Выходным сигналом нечеткого контроллера 8 является сигнал с выхода блока дефаззификации 14, который подключен к входу блока усиления сигнала 15. Выход блока усиления сигнала 15 соединен с входом исполнительных механизмов 16. Использование этих связей в устройстве позволит управлять скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ при обработке деталей в реальном времени с целью повышения точности обрабатываемых поверхностей.
Устройство управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ работает следующим образом. С момента включения вращения детали 1 в центрах передней 5 и задней 6 бабок станка с ЧПУ при прохождении резца 2, установленного в резцедержательном блоке 3, по ее поверхности под действием температурных деформаций происходит удлинение режущего инструмента, что приводит к колебанию сил резания, а в результате смещения осей шпинделей передней и задней бабок относительно оси детали может появиться бочкообразность, седлообразность или конусность детали. Вследствие этого происходит снижение точности обрабатываемой поверхности детали.
Силометрический датчик 4 постоянно контролирует значение силы резания в зоне резания. При этом сигнал текущего значения силы резания р с силометрического датчика 4 поступает на первый вход блока фаззификации 10 входящего в структуру нечеткого контроллера 8. Оптический датчик 7 постоянно контролирует значение диаметра обрабатываемой детали в зоне резания. При этом сигнал текущего значения диаметра d с оптического датчика 7 поступает на второй вход блока фаззификации 10.
В нечетком контроллере 8 в зависимости от текущего значения силы резания и диаметра обрабатываемой детали по способу, рассмотренному ниже, происходит перерасчет управляющего сигнала - скорости резания, который через блок усиления сигнала 15 передается на исполнительные механизмы 16 с целью изменения скорости резания перемещения резца 2. При этом происходит перемещение резцедержательного блока 3 вдоль обрабатываемой поверхности детали 1. Если текущее значения силы резания р и диаметра обрабатываемой поверхности d детали меньше расчетной, то резец 2 должен перемещаться с большой скоростью резания, в противном случае резец 2 будет перемещаться с меньшей скоростью резания. Следовательно, в режиме реального времени происходит управление скоростью резания. Таким образом, осуществляется автоматизированное управление скоростью резания при токарной обработки деталей на оборудовании с ЧПУ.
Способ управления скоростью резания на токарном оборудовании с ЧПУ осуществляется следующим образом.
Перед началом токарной обработки на оборудовании с ЧПУ для деталей, как известно [стр.271, Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985, 496 с.], определятся сила резания:
р
р
где С - общий коэффициент, зависящий от рода обрабатываемого материала, от вида обработки, инструментального материала и других общих параметров; t, S, V - параметры режима резания: глубина, подача и скорость резания, соответственно; х, у, n - показатели степени при параметрах режимов резания; К - поправочный коэффициент.
А также, как известно [стр.280, Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985, 496 с.], диаметр обрабатываемой детали
где n - скорость вращения детали.
В блоке формирования функций принадлежностей 9, входящего в состав нечеткого контроллера 8, формируются функции принадлежностей термов входных переменных: сила резания - P; диаметра - D, а также выходной переменной: скорость резания - U:
где р - численные значения силы резания; µ(p)→[0, 1] - соответствующие величинам силы резания значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1); d - численные значения диаметра обрабатываемой детали; µ(d)→[0, 1] - соответствующие величинам диаметра обрабатываемой детали значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1); v - численные значения скорости резания; µ(v)→[0, 1] - соответствующие величинам скорости резания значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1).
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Функции принадлежностей входных переменных Р и D состоят из пяти термов. Для силы резания Р=(р, р, р, р, p), для диаметра D=(d, d, d, d, d). Функция принадлежности для выходной переменной V состоит из девяти термов - скорость резания V=(v, v, v, v, v, v, v, v, v).
В блок фаззификации 10 из блока формирования функций принадлежностей 9 передаются значения функций принадлежностей и в зависимости от текущего значения силы резания р, полученного от силометрического датчика 4, и диаметра обрабатываемой детали d, полученного от оптического датчика 7, формируется фаззифицированный вектор значений для каждого терма функции принадлежности р' и d', где текущее значение силы резания р является аргументом µ(p), а текущее значение диаметра обрабатываемой детали d является аргументом µ(d), позволяя найти количественное значение из интервала [0, 1] для p'=µ(p) и d'=µ(d). Этап фаззификации считается законченным, когда будут найдены значения р' и d' для пяти термов функций принадлежностей входных величин Р и В:
Данные из блока фаззификации 10 передаются в блок агрегации 11 в котором с помощью операции нечеткой логики «И» выбирается минимальное значение из термов входных переменных:
где
В блоке композиции 12 введена система нечетких правил управления, состоящая из 25 нечетких правил управления и имеющая следующий вид:
1
1
9
1. Если «р=р» и «d=d» То «v=v»;
1
2
8
2. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
1
3
7
3. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
1
4
6
4. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
1
5
5
5. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
2
1
8
6. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
2
2
7
7. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
2
3
6
8. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
2
4
5
9. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
2
5
4
10. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
1
7
11. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
2
6
12. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
3
5
13. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»; (6)
3
4
4
14. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
3
5
3
15. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
1
6
16. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
2
5
17. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
3
4
18. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
4
3
19. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
4
5
2
20. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
5
1
5
21. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
5
2
4
22. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
5
3
3
23. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
5
4
2
24. Если «p=p» И «d=d» To «v=v»;
5
5
1
25. Если «р=р» И «d=d» To «v=v».
При этом система нечетких правил управления построена таким образом, что в любой момент времени условная часть истинна только в одном нечетком правиле управления и ложна во всех остальных правилах этой системы. Вследствие этого в каждом цикле сканирования системы нечетких правил управления обрабатывается не вся система, а только та ее часть, которая имеет в формуле (5) значения весовых коэффициентов  отличные от нуля.
1
2
n
1
2
25
Также в блоке композиции 12 каждому правилу присваивается весовые коэффициенты: F=(f, f, …, f), где n - количество нечетких правил управления (n=25). Численные значения весовых коэффициентов назначает эксперт. Если они не заданы, то по умолчанию эти коэффициенты равные единице, то есть f, f, …, f=1.
Далее в блоке композиций 12 производится алгебраическое произведение величин фаззифицированного вектора значений для каждого терма функции принадлежности А' на значения соответствующих весовых коэффициентов F:
После этого методом нечеткой композиции по формуле:
1
25
1
µ'(v)=min{max(b); µ(v)},
2
20
24
2
µ'(v)=min{max(b,b); µ(v)},
3
15
19
23
3
µ'(v)=min{max(b,b,b); µ(v)},
4
10
14
18
22
4
µ'(v)=min{max(b,b,b,b); µ(v)},
5
5
9
13
17
21
5
µ'(v)=min{max(b,b,b,b,b); µ(v)}, (8)
6
4
8
12
16
6
µ'(v)=min{max(b,b,b,b); µ(v)},
7
3
7
11
7
µ'(v)=min{mах(b,b,b); µ(v)},
8
2
6
8
µ'(v)=min{max(b,b); µ(v)},
9
1
9
µ'(v)=min{max(b); µ(v)},
вычисляются новые значения выходной величины скорости резания в виде новых термов функций принадлежности.
В блоке аккумуляции 13 производится логическое объединение новых термов функции принадлежностей, полученных по (8) формуле, и формируется нечеткий вектор функций принадлежностей V':
В блоке дефаззификации 14 нечеткий вектор функций принадлежностей V' преобразуется в единственное четкое значение по методу центра тяжести:
Таким образом, выбор нового значения для выходного параметра скорости резания для ее управления при токарной обработке на оборудовании с ЧПУ производится по формулам (1÷10).
В качестве примера разберем управление скоростью резания при чистовом проходе в ходе токарной обработки детали 1 в зависимости от текущего значения силы резания p, полученного от силометрического датчика 4, и диаметра обрабатываемой поверхности детали d, полученного от оптического датчика 7.
Шаг 1. По формулам (1÷2) необходимо рассчитать значение силы резания и диаметра обрабатываемой поверхности детали и передать его в блок формирования функций принадлежностей 9. Например, в ходе выполнения расчета, получили, что сила резания Р=100 Н, а диаметр D=20 мм.
1
2
1
5
1
5
2
3
4
2
3
4
Шаг 2. В блоке формирования функций принадлежностей 9 строим по формуле 3 термы функций принадлежностей для входных и выходной величин. Графики функций принадлежностей приведены на фиг.2. На фиг.2, а представлен график для входной величины - сила резания. При этом крайние точки на графике равны: Р=Р-20=100-20=80, Н; P=Р+20=100+20=120, Н. Середина графика соответствует рассчитанному значению силы резания по формуле 1, то есть 100, Н. Термы p и p представлены в виде трапеции и равны: p=[80, 80, 82, 95], p=[105, 118, 120, 120]. Термы р, р и р представлены в виде треугольников и равны: р=[80, 90, 100], р=[90, 100, 110] и р=[100, 110, 120]. Данные указаны в Ньютонах.
1
2
1
5
1
5
2
3
4
2
3
4
На фиг.2, б представлен график для входной величины - диаметр обрабатываемой детали. При этом крайние точки на графике равны: D=D-0,1=20-0,02=19.98, мм; D=D+0,02=20+0,02=20.02, мм. Середина графика соответствует рассчитанному значению диаметра по формуле 2, то есть 20, мм. Термы d и d представлены в виде трапеции и равны: d=[19.98, 19.98, 19.982, 19.995], d=[20.005, 20.018, 20.02, 20.02]. Термы d, d и d представлены в виде треугольников и равны: d=[19.98, 19.99, 20], d=[19.99, 20, 20.01] и d=[20, 20.01, 20.02]. Данные указаны в миллиметрах.
1
2
1
9
1
9
2
3
4
5
6
7
8
2
3
4
5
6
7
8
На фиг.2, в представлен график для выходной величины - скорость резания. При этом крайние точки на графике равны: V=V-20=150-20=130, м/мин; V=V+20=150+20=170, м/мин. Середина графика соответствует заданному значению скорости резания, то есть 150, м/мин. Термы v и v представлены в виде трапеции и равны: v=[130, 130, 131, 135], v=[165, 169, 170, 170]. Термы v, v, v, v, v, v и v представлены в виде треугольников и равны: v=[130, 136, 142], v=[136, 142, 148], v=[142, 148, 154], v=[144, 150, 156], v=[146, 152, 158], v=[152, 158, 164] и v=[158, 164, 170]. Данные указаны в метрах/минуту.
Шаг 3. Значения функций принадлежностей из блока 9 поступают в блок фаззификации 10. Также в блок фаззификации передается в режиме реального времени от силометрического датчика 4 текущее значение силы резания и от оптического датчика 7 текущее значение диаметра обрабатываемой детали. Пусть силометрический датчик 4 определил, что сила резания - 88 Н, данная величина не равна расчетной, то есть 88≠100 Н. Пусть оптический датчик определил значение диаметра обрабатываемой детали - 19,994 мм, данная величина не равна расчетной, то есть 19,994≠20 мм. Поэтому необходим перерасчет.
В блоке фаззификации 10 находится фаззифицированный вектор значений для каждого терма входной функции принадлежности р' и d' (фиг.3, а и 3, б):
Для входного параметра сила резания - третий, четвертый и пятый термы имеют нулевой результат, а для входного параметра диаметр обрабатываемой детали - четвертый и пятый термы имеют нулевой результат, поэтому в дальнейших расчетах эти термы использоваться не будут. Полученные данные передается в блок агрегации 11.
Шаг 4. В блоке агрегации по формуле (5) находится вектор значение А':
А'=(0.007, 0.54, 0.4, 0, 0, 0.007, 0.6, 0.4, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0),
где
Полученный вектор передается в блок композиции 12.
Шаг 5. В блоке композиции 12 отбираются нечеткие правила управления, которые имеют пересечение. Это нечеткие правила с номерами 1, 2, 3, 6, 7 и 8:
1
1
9
1. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
1
2
8
2. Если «р=р» И «d=d» To «v=v»;
1
3
7
3. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
2
1
8
6. Если «р=р» И «d=d» То «v=v»;
2
2
7
7. Если «p=p» И «d=d» То «v=v»;
2
3
6
8. Если «р=р» И «d=d» To «v=v».
Далее по формуле (7) производится алгебраическое произведение величин вектора значений А' на значения соответствующих весовых коэффициентов F:
1
2
3
6
7
8
1
2
3
6
7
8
B=(<0.007·1>,<0.54·1>,<0.4·1>,<0.007·1>,<0.6·1>,<0.4·1>)=(<0.007>,<0.54>,<0.4>,<0.007>,<0.6>,<0.4>)
Затем по формуле (8) нечеткой композиции определяется
1
2
3
4
5
µ'(v)=0, µ'(v)=0, µ'(v)=0, µ'(v)=0, µ'(v)=0,
6
6
6
µ'(v)=min{max(0; 0.4; 0; 0); µ(v)}=min{0.4; µ(v)},
7
7
7
µ'(v)=min{max(0.4; 0.6; 0); µ(v)}=min{0.6; µ(v)},
8
8
8
µ'(v)=min{max(0.54; 0.007); µ(v)}=min{0.54; µ(v)},
9
9
9
µ'(v)=min{max(0.007); µ(v)}=min {0.007; µ(v)}.
Результат нечеткой композиции приведен на фиг.4. Далее данные поступают в блок аккумуляции 13.
Шаг 6. В блоке аккумуляции 13 по формуле (9) производится логическое объединение всех новых термов и формируется нечеткий вектор функций принадлежностей V'. Результат операции графически показан на фиг.5.
Шаг 7. В блоке дефаззификации 14 согласно формуле (10) вектор функций принадлежностей V' преобразуется в единственное четкое значение (фиг.6), с целью упрощения вычислительной процедуры для расчета ограничимся семью точками, для более точного вычисления количество точек нужно увеличить:
С помощью предложенного способа осуществляется расчет нового значения скорости резания и управления точностью токарной обработки на оборудовании с ЧПУ.
Таким образом, предлагаемый способ и реализующее его устройство позволят в режиме реального времени осуществлять управление скоростью резания при токарной обработке детали на оборудовании с ЧПУ в режиме реального времени, путем перерасчета скорости резания с целью ее изменения в случае неравенства заданного значения силы резания и диаметра обрабатываемой детали, полученные с помощью силометрического и оптического датчиков.