д.т.н. Малыгин В.И.

к.т.н. Черепенин Ф.В.

к.т.н. Сковпень С.М.

аспирантУльяничев Д.А.

Институт судостроения и морской арктической техники, Россия

Повышение эффективности токарно-карусельных станков с одним главным электроприводом

Аннотация

В статье рассматривается модернизация токарно-карусельного копировального станка с одним асинхронным приводом для подач по двум осям, с использованием современного УЧПУ, цифровых моделей профиля детали и разработанных способов управления с автоматическим слежением за профилем.

Ключевые слова

Модернизация, одноприводные станки, цифровая модель, элементарный отрезок, цифровое управление, траектория движения.

I Введение

Постоянно возрастающие требования к срокам и качеству выпускаемой продукции требуют от современного производства повышения технического уровня технологического оборудования. Быстрые изменения ситуации на мировом рынке станков требуют от производства соответствующего реагирования и перестройки своей работы. С каждым годом на отечественных предприятиях растёт доля новых станков с ЧПУ, которые приходят на смену морально и физически устаревшему оборудованию. Однако, процесс обновления станочного парка российских предприятий идёт достаточно медленно, что связано с большими финансовыми затратами и последствиями мирового финансового кризиса.

Наиболее приемлемым путем решения указанной проблемы является инновация существующих технологических комплексов [1], предполагающая глубокую модернизацию станочного парка для расширения функциональных и технологических возможностей морально устаревших комплексов с целью повышения точности, надежности и продления срока их службы.

Одной из таких задач является модернизация копировальных токарно-карусельных станков, например модели 1525, имеющих один главный электропривод и механическое копировальное устройство с электрощупом.

В таком оборудовании слежение за профилем обрабатываемой детали выполняется с помощью электромеханических копировальных устройств, имеющих подвижный шток и несколько пар механических контактов. В зависимости от степени нажатия штока, движущегося по поверхности копира, эти контакты замыкаются или размыкаются и управляют электромагнитными муфтами (ЭМ). Эти муфты обеспечивают соответствующие переключения редуктора и, тем самым, при постоянной частоте вращения главного привода, управляют скоростью и направлением подачи рабочего органа станка по горизонтальной (X) и вертикальной (Z) осям.

Данный принцип обработки деталей не позволяет использовать современные информационные технологии и имеет ряд существенных недостатков, связанных с большой трудоёмкостью подготовки производства и настройки жёстких копиров, а также низкой точностью обработки.

В этой ситуации можно предложить, по меньшей мере, три пути решения указанной проблемы, а именно:

1) полная замена старого технологического оборудования на новое;

2) замена одного главного электропривода совместно с редуктором на современные следящие электроприводы по каждой оси с соответствующими типами УЧПУ;

3) замена жестких копиров на цифровые и механических копировальных устройств на современные микропроцессорные системы управления.

Первое и второе направления требуют значительных капиталовложений, весьма трудоёмки и требуют длительного вывода станка из технологического процесса. Учитывая немалую долю копировального оборудования, в частности, в судовом машиностроении, производственники ставят задачу разработать методы и технические средства программного управления копировальными станками без замены используемого электропривода и основного оборудования станка. Кроме этого станок в процессе модернизации не должен выводиться на длительное время из технологического процесса. Решение этой задачи и являлось целью данной работы.

II Постановка задачи

Основными этапами решения указанной задачи являются:

1) разработка методики создания цифровой модели профиля, обрабатываемой детали;

2) схемотехническая реализация цифровой системы управления станком;

3) разработка программного обеспечения.

III Результаты

Методика создания цифровой модели профиля обрабатываемой детали заключалась в математическом описании элементов сложнопрофильных контуров и разработке алгоритма слежения за ними с учётом особенностей работы электропривода движения по осям [2]. В качестве примера на рис. 1 показан исходный профиль обрабатываемой детали и его математическое описание в виде участков из линейных отрезков и дуг окружностей.

Исходный (теоретический профиль) создаётся в современных CAD-системах, таких как AutoCAD, T-FLEX, КОМПАС, ГЕММА и т.п. В результате получается непрерывная кривая, которая описывается отрезками прямых и дугами окружностей. Отрезки задаются двумя точками – начальной P_k = x_kz_k и конечной P_k+1 = x_k+1 z_k+1, а дуги – как элементы окружностей C_l = I_lJ_lr_l с центром в точке I_l, J_l и радиусом r_l. Такое описание полностью соответствует требованиям задания контура в УЧПУ. Однако, учитывая особенности неуправляемого главного электропривода, для реализации слежения возникает необходимость аппроксимации полученного контура большим числом линейных отрезков [3] Один из простейших вариантов кусочно-линейной аппроксимации исходного профиля приведён на рис. 1.

Рис. 1. Пример кусочно-линейной аппроксимации теоретического профиля

Структурная схема ЦСУ, реализованная на базе сравнительно недорогой УЧПУ NC-201М [3], показана на рис. 2. При этом штатная система управления станком была оставлена без изменений. Переключение между штатной и новой системой управления производится с подвесного пульта управления станка.

В качестве датчиков обратной связи (ДОС), контролирующих положение резца по осям X и Z, применены оптоэлектронные преобразователи линейных перемещений ЛИР-8 с разрешающей способностью 1 мкм. ДОС передают в УЧПУ информацию о фактическом положении резца, на основании которой определяется величина отклонения от заданного контура, и формируются сигналы управления подачами по осям X и Z, поступающие через модуль выходов на блок электромагнитных муфт. Сигналы о состоянии управляемого оборудования ЦСУ и аварийные сигналы поступают в УЧПУ через модуль входов.

0

Рис. 2. Структурная схема ЦСУ

Схема размещения оборудования ЦСУ на копировальном станке показана на рис. 3. УЧПУ крепится непосредственно к ППУ на штатном подвесном устройстве. Модули входов и релейных выходов ЦСУ размещаются на верхней части станка в главной распределительной коробке (ГРК). Информационные трассы от ДЛП и ДУНС прокладываются по металлоконструкциям левого суппорта и, проходя через соединительную коробку СК1-3, поступают в ГРК, после чего через трубу подвеса ППУ подходят к УЧПУ.

Для подготовки УЧПУ к работе в конкретной системе необходимо выполнить установку параметров и характеристик управляемого оборудования, а также аппаратных и программных модулей компьютера, т.е. выполнить его характеризацию [4].

После завершения процедуры характеризации разрабатывается программа управления вспомогательными механизмами станка, которая называется программой логики (ПЛ) управляемого оборудования [5]. Эта программа обеспечивает адаптацию управляемого оборудования станка к техническим возможностям УЧПУ.

Профиль обрабатываемой детали, представленный цифровой моделью в виде координат большого числа элементарных отрезков, вносится в память цифровой системы управления (ЦСУ), затем в процессе обработки на каждом элементарном участке дополнительно осуществляется автоматическое

Рис. 3. Схема размещения оборудования ЦСУ на копировальном станке

слежение траектории движения рабочего органа станка (резца) за положением линии отрезка.

При этом, по результатам измерения перемещений резца, определяются отклонения положения резца от теоретических координат линии обрабатываемого отрезка и, в зависимости от величины отклонения, от скорости подачи, от угла наклона текущего элементарного отрезка и заданной ширины зоны слежения, ЦСУ генерирует сигналы управления, поступающие на электромагнитные муфты следящей подачи, которые в нужные моменты времени включают и выключают подачу и, тем самым, обеспечивают автоматическое слежение в заданной зоне за положением линии отрезка.

С учетом указанных возможностей управления суппортом станка при его работе в режиме автоматического копирования можно реализовать несколько способов и вариантов слежения за профилем [6,7]. Пример одного из способов, реализованного при модернизации станка 1525 показан на рис.4.

Суть предложенного способа заключается в следующем:

Перед началом обработки оператор задаёт скорость рабочей подачи «v_з,», глубину резания «s» и ширину зоны слежения «d»,величина которой может быть достаточно малой (1…100 мкм). Затем даётся команда «Пуск» и в соответствии с управляющей программой выполняется последовательная обработка всех элементарных отрезков цифровой модели профиля.

В одноприводных станках с электромагнитными муфтами управления осями применение интерполяторов невозможно, так как скорость подачи по обеим осям будет одинаковой и зависит только от скорости вращения главного привода. Поэтому траектория движения резца может быть только двух видов, либо отдельно по каждой оси при раздельном управлении осями (рис. 4 а), либо под углом 45^о при совместном (б) управлении осями. Такой способ управления не приемлем, так как не позволяет получать хорошее качество обрабатываемой поверхности и требует разбивать профиль на очень большее число отрезков.

Поэтому целесообразно при движении резца внутри каждого отрезка ввести дополнительно автоматическое слежение за положением линии отрезка в плоскости резания XZ. При этом также возможны два варианта траектории движения резца при раздельном и совместном управлении осями, которые показаны на рис. 4, где также изображены временные диаграммы напряжения управления u_у, поступающего на соответствующие электромагнитные муфты управления осями.

Рассмотрим особенности траектории движения резца от начальной точки a к конечной точке b вдоль линии отрезка с углом наклона при раздельном управлении осями (рис. 3,а). Как видно из рисунка при раздельном управлении осями система управления формирует поочерёдно для каждой оси импульсы u_у определённой длительности t_и = f(v_з, a_i, d, t_эм), зависящей от заданной скорости подачи v_з, от угла наклона отрезка , от ширины трубки слежения d, величины выбега привода по осям X и Z и т.д.

Рисунок 4 Варианты траектории движения резца

Основными недостатками рассмотренного метода слежения с раздельным управлением осями являются:

1) сравнительно высокая шероховатость обрабатываемой поверхности, которая в основном определяется величинами a_i и d;

2) ухудшается динамика работы приводов подач по осям X и Z, так как происходит периодическое включение и отключение электромагнитных муфт управления осями, при этом частота переключения зависит от v_з, a_i и d;

3) вследствие инерционности приводов осей и наличия выбега после отключения подачи затруднено точное попадание в расчётные точки 1, 2, 3 и т.д. (см. рис. 4а). Поэтому возможны перебеги при больших значениях скорости v_з и, как следствие, пропуски отдельных циклов слежения, что негативно сказывается на качестве обработанной поверхности.

При использовании совместного управления осями X и Z (см. рис. 4,б) влияние указанных недостатков проявляется в меньшей степени, и повышается качество обработанной поверхности. В этом случае целесообразно ввести понятия «ведущая» подача (ВП) и «следящая» подача (СП), которые однозначно определяются углом наклона отрезка a_i. При a_i < 45^о ведущей является подача по оси X (ВП_X), а следящей – подача по оси Z (СП_Z). При a_i > 45^о наоборот – ведущей будет подача по оси Z (ВП_Z), а следящей – подача оси X (СП_X). Чередование ВП и СП происходит во всех 8-ми секторах обработки. При a_i = 45^о, 135^о, 225^о или 315^о подачи по обеим осям работают одновременно с одинаковой скоростью и резец перемещается в плоскости резания под углом кратным 45^о.

Основная особенность данного метода состоит в том, что ВП работает непрерывно, при этом на электромагнитную муфту управления этой осью продаётся постоянное напряжение U_п = 24 В, и резец перемещается с постоянной заданной скоростью v_з. СП включается и выключается периодически в расчётных точках 1, 2, 3 и т.д. При этом на электромагнитную муфту управления осью СП подаются импульсы напряжения u_у(СП) длительностью t_и . Координаты расчётных точек определяются как точки пересечения линии движения резца с исходной линией обрабатываемого отрезка (точки 1, 3, 5 и т.д.) и с линией зоны слежения (точки 2, 4, 6 и т.д.), которая проходит параллельно исходной линии на расстоянии заданной ширины зоны слежения d.

Как видно из рис. 4б импульсный метод управления СП обеспечивает более плавную траекторию движения резца вдоль линии обрабатываемого отрезка (здесь угол перехода от точки к точке около 135^о, вместо 90^о в предыдущем варианте) и, как следствие, улучшается качество обрабатываемой поверхности. Увеличивается также длительность работы СП t_и(СП) по сравнению с предыдущим методом, что улучшает динамику работы привода по осям X, Z.

Длительность формируемых импульсов управления t_и в общем случае зависит от многих факторов: от заданной оператором скорости подачи v_з, от угла наклона отрезка a_i, от ширины трубки слежения d, от электромагнитной постоянной привода СП t_эм и т.д.

Функциональная связь t_и от указанных факторов подробно рассмотрена в [6].

IV Выводы

По результатам опытной эксплуатации системы можно сделать следующие выводы:

1) ЦСУ позволяет существенно расширить функциональные возможности станка и номенклатура обрабатываемых деталей;

2) трудоёмкость обработки деталей снижается за счёт исключения операций изготовления жёстких копиров (шаблонов профиля) и точной настройки копировальных устройств;

3) повышается качество обработки деталей, и появляется возможность применения современных информационных технологий при подготовке производства в целом.

Литература

1. Емельянов С.А. Модернизация станков с ЧПУ: семь практических советов // Современные технологии автоматизации, 2005, № 2, с. 76-83

2. Малыгин В.И., Черепенин Ф.В., Сковпень С.М., Ульяничев Д.А. Применение цифровых моделей тел вращения при обработке на копировальных станках // СТИН, 2013, № 7, с. 26-29.

3. Малыгин В.И., Черепенин Ф.В., Сковпень С.М., Лобанов Н.В., Ульяничев Д.А. Методы программного управления станками с одним главным приводом и автоматической коробкой подач. // СТИН, 2013, № 8, с. 2-7.

4. Устройство числового программного управления NC-201M. Руководство по эксплуатации и руководство оператора. – СПб.: Балт-Систем, 2008.

5. Устройство числового программного управления NC-201M. Руководство по характеризации. – СПб.: Балт-Систем, 2008.

6. Устройство числового программного управления NC-201M. Программирование интерфейса PLC. – СПб.: Балт-Систем, 2008.

7. Малыгин В.И., Черепенин Ф.В., Сковпень С.М., Лобанов Н.В., Харитоненко В.Т., Ульяничев Д.А. Способ автоматизированного управления копировальным токарным станком.// Положительное решение о патенте по заявке на изобретение RU 2012116175/02 от 24.02.2012. Опубл. 27.10.2013.