STEROWANIE UK ADEM DYNAMICZNYM OBRÓBKI CZ CI OSIOWOSYMETRYCZNYCH O MA EJ SZTYWNO CI

Transkrypt

1 Pomiary Automatyka Robotyka /009 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 awodowa w Chemie STEROWANIE UKADEM DNAMICNM OBRÓBKI CCI OSIOWOSMETRCNCH O MAEJ STWNOCI 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 DNAMIC SSTEM OF MACHINING AXIAL SMMETRIC 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. wikszenie 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. uwzgldnieniem przemieszcze podukadu technologicznego (narzdzia lub pófabrykatu) w paszczynie skrawania stycznej do powierzchni obrabianej, równania opisujce zachowanie ukadu z uwzgldnieniem opónienia siy od przemieszcze [, 3] maj posta: T1 y T y y g Fy, T3 z T4 z z g F, ' F T F m y n f h1 z, (1) F T F m y n f h z, f K z, gdzie: h 1, h - wspóczynniki tumienia wzgldem osi z i drga stycznych, odpowiednio dla stycznej F i promieniowej F skadowej siy skrawania; T, T - opónienia stae skadowych siy skrawania spowodowane zmian parametrów przekroju warstwy; 1,,, 1,, - staa czasowa inercyjna oraz staa czasowa tumienia obwodów normalnego i stycznego;, z - przemieszczenia wzgldem odpowiednich osi; automation

2 Pomiary Automatyka Robotyka /009 m, n, m, n - wspóczynniki wzmocnienia procesu skrawania odnonie przyrostu szerokoci i gruboci warstwy skrawanej odpowiednio dla skadowych siy skrawania F i F ; K K - wspóczynnik przeksztacenia przemieszcze stycznych we wzdune; f - zmiana gruboci warstwy skrawanej; g g, - podatnoci obwodów normalnego i stycznego. Wartoci wspóczynników do oblicze siy skrawania przyjto z literatury [1,, 3]. Do okrelenia staych opónienia siy skrawania spowodowanego zmian gruboci warstwy skrawanej, dugo drogi skrawania dla skadowej stycznej przyjto równ 0,1 mm, dla skadowej normalnej 0,51 mm. Staa opónienia dla skadowej siy skrawania F dla rónych materiaów pófabrykatu jest mniejsza od do 5 razy od F. W przypadku elementów ukadu technologicznego o dodatkowym stopniu swobody zakócenie odksztace pocztkowo ma miejsce w paszczynie 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 do 4 razy. ukadu równa (1) otrzymano transmitancje ukadu dynamicznego: G ( 1 y F y T 1 s g T, G s 1 ( z F T 3 s g T 4, s 1 F m G3( F n, G4( F h, ) 1s G5( s, () y 1 T s f 1 T s z 1 T s F m G6( F n, G7( F h, ) s G8( s, y 1 T s f 1 T s z 1 T s gdzie s operator Laplace a. G f z 9 ( K K, W oparciu o transmitancje operatorowe opracowano schemat strukturalny ukadu dynamicznego z obwodem stycznym (rys. 1). 16 automation 009

3 Pomiary Automatyka Robotyka /009 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.. ) b) Rys.. 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

4 Pomiary Automatyka Robotyka /009 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 z elementem sprystym 3, majcym rowki rubowe 4. Pófabrykat wprawiany jest w ruch obrotowy D v, a narzdzie 5 realizuje ruch posuwowy D f 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 wz. 18 automation 009

5 Pomiary Automatyka Robotyka /009 Rys. 4. Schemat ukadu automatycznego sterowania procesem toczenia Obwód sterowania (rys. 4) zawiera czujniki 1 i 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 1, 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 (ACHC) 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 ACHC podukadu nieliniowego element sprysty- pófabrykat). Do toczenia dokadnego wykorzystywana jest ga zarezonansowa ACHC. 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

6 Pomiary Automatyka Robotyka /009 gdzie: v c L l - prdko skrawania; - wspóczynnik spczenia wióra; - dugo segmentu wióra. 1000v f c, (3) 60k l L 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 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: :, ,..,... /, 1983, ,, automation 009

7 Pomiary Automatyka Robotyka /009 O AUTORACH DRACOW Aleksandr - doc. dr in., Katedra Technologii Maszyn Uniwersytetu Technicznego w Togliatti, ul. Belorusskaja. 1, Togliatti, Rosja, O.Drachev@tltsi.ru TARANENKO Georgij - doc. dr in., prodziekan Sewastopolskiego Narodowego Uniwersytetu Technicznego (SewNTU), ul. Uniwersytecka, 33, 99053,. Sewastopol, Ukraina, ernoteh@mail.ru TARANENKO Wiktor - prof. dr hab. in., kierownik akadu Elastycznych Systemów Wytwarzania w Instytucie Technologicznych Systemów Informacyjnych Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, w.taranenko@pollub.pl WI Antoni - dr hab. in., prof. PL, dyrektor Instytutu Technologicznych Systemów Informacyjnych Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, a.swic@pollub.pl HAAS Witold - mgr in., asystent w Instytucie Nauk Technicznych Pastwowej Wyszej Szkoy awodowej w Chemie, ul Pocztowa 54, -100 Chem, whalas@pwsz.chelm.pl automation