Разработка метода автоматизированного выбора и коррекции скорости резания при оптимизации режимов обработки на токарных станках с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Таубе, Андрей Олегович

• Таубе, Андрей Олегович
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Таубе, Андрей Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ

1.1 Основные цели и задачи оптимизации режимов обработки.

1.2 Обзор и классификация методов оптимизации режимов резания.

1.2.1 Модели линейного программирования.

1.2.2 Модели нелинейного программирования.

1.2.3 Стохастические модели.

1.2.4 Обзор критериев оптимальности процесса обработки.

1.3 Проблемы автоматизированного выбора оптимальных параметров обработки.

1.3.1 Анализ причин отклонения действительного периода стойкости инструмента от заданного.

1.3.2 Анализ причин отклонения действительного значения составляющих силы резания от расчетного.

1.4 Современные направления и подходы к проблеме выбора оптимальных режимов обработки.

1.5 Метод оценки взаимодействия режущего инструмента и детали на основе сигнала термоЭДС пробного прохода.

1.6 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Экспериментальная установка, инструментальные и обрабатываемые материалы.

2.2 методика проведения стойкостных испытаний.

2.2.1 Методика измерения величины термоЭДС в паре инструмент - деталь.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ.

3.1 Вывод уравнений технологических ограничений, накладываемых на процесс обработки.

3.1.1 Неравенства, характеризующие кинематику станка.

3.1.2 Неравенства, характеризующие кинематику процесса резания.

3.1.3 Неравенства, характеризующие механику процесса резания.

3.1.4 Неравенство, характеризующее производительность станка.

3.1.5 Ограничение по чистоте обрабатываемой поверхности.

3.2 линеаризация уравнений технологических ограничений и целевой функции.

3.3 Исследование полученной математической модели процесса токарной обработки.

3.3.1 Гоафическое представление математической модели.

3.3.2 Анализ возможных причин несовместности системы технологических ограничений.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА ОБРАБОТКИ НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ.

4.1 Разработка алгоритма поиска экстремума функции производительности.

4.2 Разработка автоматизированного способа коррекции режимов резания.

4.2.1 Правило пропорциональности термоэлектродвижущих сил естественных термопар.

4.2.2 Физическое обоснование метода пропорциональности термоэлектродвижущих сил естественных термопар.

4.2.3 Обоснование возможности применения методики автоматизированной коррекции скорости резания.

4.3 Алгоритм расчета и коррекции оптимальных режимов обработки.

4.4 Разработка программы для расчета оптимального режима резания.

4.5 Экспериментальная проверка разработанной методики оптимизации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода автоматизированного выбора и коррекции скорости резания при оптимизации режимов обработки на токарных станках с ЧПУ»

Развитие и совершенствование прогрессивных приемов металлообработки в современном машиностроении связано с применением автоматизированных станочных комплексов, основу которых составляют станки с числовым программным управлением. Для применяемых при точении станков характерна чрезвычайно высокая степень автоматизации и высокая стоимость станкочаса их работы.

При этом выбранные режимы резания, определяющие машинное (основное) время обработки оказывают значительное влияние на переменную величину себестоимости обработки и уровень производительности процесса резания.

Однако, несмотря на высокое техническое оснащение, вопросы назначения и оптимизации режимов резания для станков с ЧПУ до сих пор решаются вне рабочего места. В последнее время для этих целей используется опыт подготовки технологической информации на ЭВМ.

Каждое новое поколение отечественных и зарубежных металлообрабатывающих станков и систем ЧПУ отличается более высоким уровнем автоматизации, но ни одно из них пока не имеет программного обеспечения и технических средств, способствующих надежному выбору оптимального режима резания. Так, при высокой степени автоматизации в подготовке геометрической информации в современных отечественных системах ЧПУ, технологическая информация, касающаяся выбора режимов обработки, в большинстве случаев готовится "вручную". Для этого используются методики расчета элементов режима резания, разработанные применительно к универсальным станкам.

По мере увеличения степени автоматизации станков с ЧПУ идет перераспределение баланса времени между основным (машинным) и подготовительно-заключительным, вспомогательным временем и временем организационно-технического обслуживания. Если для универсальных станков основное время составляет 25-30%, то для станков с ЧПУ 48-50% [101] и в пер5 спективе для этого вида оборудования оно может быть доведено до 90% [83] от времени, затрачиваемого на операцию. Необходимость повышения производительности автоматизированного станочного оборудования за счет сокращения машинного (основного) времени диктует необходимость выполнения операций расчета оптимальных режимов обработки непосредственно системой ЧПУ.

Машинное время, как известно, определяется скоростью резания, величиной подачи и глубиной резания. Глубина резания назначается в зависимости от квалитета детали и квалитета заготовки, т. е. определяется припуском на обработку и количеством переходов. Поэтому при подготовке УП для станков с ЧПУ стоит задача с учетом технических требований к детали, при известной глубине резания, известных обрабатываемом и инструментальном материалах выбрать оптимальные значения величины допустимой подачи, обеспечивающей заданную точность и значение скорости резания, обеспечивающее заданную стойкость инструмента. При этом выбору подачи предшествует операция расчета составляющих силы резания.

Под оптимальными параметрами режима резания понимаются такие значения величины скорости резания и подачи, при которых процесс обработки был бы максимально эффективен с точки зрения экономичности и производительности, и при этом выполнялись бы все технологические требования, предъявляемые к обрабатываемой детали. На необходимость автоматизированного расчета оптимальных значений параметров режима резания указывалось еще в середине прошлого века [19], [29], [43], [74], [75], [76] но полностью эта задача до сих пор не решена и актуальность ее продолжает повышаться с развитием тенденции многостаночного обслуживания и созданием автоматизированных станочных комплексов для обработки металлов резанием.

Различным аспектам решения проблемы оптимизации процесса обработки посвящены работы ведущих отечественных ученых: Л. А. Брахмана, Б. С. Балакшина, В. Ф. Безъязычного, В. Ф. Боброва, С. А. Васина, А. Л. Гиль-мана, С. Ф. Глебова, Г. К. Горанского, В. Л. Заковоротного, Ю. Г. Кабалдина,

А. М. Корытина, Г. Г. Иноземцева, Т. Н. Лоладзе, А. Д. Макарова, В. И. Новожилова, Н. И Пасько, В. Н. Подураева, С. С. Силина, Ю. М. Соломенцева, В. К. Старкова, Н. В. Талантова, Ф. Я. Якубова и многих других, заложивших основы фундаментальных исследований в данной области.

За рубежом этому вопросу уделено внимание в работах Г. Ю. Якоб-са , Е. М. Трента, М. Козинези [95], [101], [103].

На данный момент существуют математические модели и методы оптимизации технологических операций на различных уровнях: от самого высокого (производственного), до низшего (физического) [9], [36], [40], [77], [88]. На производственном уровне объектом рассмотрения является технологический процесс изготовления детали, а целями оптимизации являются структура технологической операции и ее параметры. На промежуточном технологическом уровне объектом является технологическая система рабочего места и решаются задачи технико-экономического и качественного характера.

На физическом уровне рассмотрения объектом является система «инструмент-заготовка» с учетом активности внешней среды. Именно на этом уровне решается задача определения области значений параметров режима резания, и именно он является основой для более высоких ступеней оптимизации технологического процесса.

При всем многообразии математических моделей и методов, решение задачи оптимизации на физическом уровне, то есть оптимизации режимов отдельной токарной операции, во многом остается задачей чисто теоретической. Практика современного машиностроения показывает, что применение методов оптимизации крайне ограниченно и всегда выполняется вне рабочего места, без учета реальных условий в зоне резания, с использованием априорной информации о свойствах обрабатываемых и инструментальных материалов.

В настоящее время определение оптимальных режимов резания осуществляется по математическим моделям с использованием ряда поправочных коэффициентов, учитывающих переменные факторы процесса обработки (свойства инструментального и обрабатываемого материалов, геометрию инструмента, наличие охлаждения и др.). Следует отметить, что существующие методы расчета оптимальных величин элементов процесса резания учитывают переменные факторы процесса резания с помощью усредненных поправочных коэффициентов, следствием чего является значительный разброс расчетной и действительной стойкости инструмента, определяющей надежность его работы, а также разброс составляющих силы резания, призванной обеспечивать точность обработки. Это, в свою очередь, является следствием допускаемого ТУ разброса свойств инструментального и обрабатываемого материалов и несовершенством методик расчета.

При определении режима резания по существующим математическим моделям не удается установить связь между основными переменными факторами, влияющими на процесс резания (вибрация, неоднородность инструментального и обрабатываемого материалов, наличие или отсутствие охлаждения и т.д.). Режимы резания, выбираемые по существующим математическим моделям, в этом случае могут быть оптимальными лишь для условий, в которых они были получены [7], [72], и только для тех конкретных резцов и стальных заготовок из партий поставок, которые участвовали в предварительных испытаниях.

В работе [101] подчеркивается, что "используемые в настоящее время справочные данные для выбора скорости резания, подачи и глубины резания, взятые из различных источников для идентичных условий резания, сильно отличаются друг от друга и не позволяют обоснованно назначать способ обработки.".

Попытки уточнить эмпирические зависимости "скорость резания -стойкость инструмента" путем применения более сложных математических выражений, учитывающих большее количество факторов, не разрешили проблему выбора оптимальных режимов резания расчетным путем [10], [34].

В ряде случаев идут на значительное (до 60-70%) снижение уровня режимов резания относительно нормативных [88] в предположении, что более низкие режимы резания обеспечат более стабильную работу инструмента и, в итоге, повысят общую производительность обработки. При этом, при заданном периоде стойкости инструмента, выявляется значительный статистический разброс значений стойкости - до 200%. Следствием снижения интенсивности обработки является еще большее увеличение статистического разброса значений стойкости инструмента, недоиспользование инструмента и оборудования, что в совокупности отрицательно сказывается на технико-экономической эффективности автоматизированного оборудования. Очевидно, что при таком подходе применение методик оптимизации режимов резания нецелесообразно.

Одно из направлений решения проблемы заключается в том, чтобы согласовывать ранее назначенные режимы обработки с мастером, обслуживающим станок. Поколение вновь создаваемых систем ЧПУ отечественного и зарубежного производства ориентировано на диалоговую автоматизированную подготовку управляющих программ непосредственно на рабочем месте [81], [82], [83]. В диалоговых системах ЧПУ предпринята попытка автоматизировать процесс выбора режимов резания. Так в устройстве ЧПУ для токарной обработки "Fanuc System 3T-Model F" японской фирмы "Фанук" содержится алгоритм расчета режимов резания, с результатами которого оператор либо соглашается, либо предлагает свои варианты. То есть окончательное решение о величине скорости резания и подачи (при бесспорном варианте выбора глубины резания - она определяется величиной припуска) принимает оператор на основе своего опыта.

В алгоритме автоматизированного расчета режимов резания в этом случае также заложены эмпирические зависимости, которые, как указано в работах [39], [46], [74], [88], [91], страдают серьезным недостатком - низкой надежностью определения заданных параметров, в результате чего возможность решения задачи выбора оптимальных режимов обработки становится маловероятной.

Если оператор управляет работой одного станка с ЧПУ, у него имеется возможность корректировать рассчитанные режимы резания на основе визуального наблюдения, используя личный опыт работы, обеспечивая тем самым приемлемые величины стойкости инструмента, производительности, точности и качества обработки. При многостаночном обслуживании или при работе станков в составе ГПС физической возможности одновременного контроля за ходом процесса обработки на нескольких станках у него нет. Следует также отметить, что опыт и интуиция оператора не поддаются алгоритмизации, а принятые решения носят субъективный характер. Такой подход приводит к сдерживанию дальнейшего развития автоматизации процесса выбора оптимальных условий лезвийной обработки.

Таким образом, на данный момент в практике машиностроения сложилась противоречивая ситуация. С одной стороны, существующие системы ЧПУ, созданные на микропроцессорной архитектуре, способны выполнять сколь угодно сложные вычисления и вести расчет оптимальных режимов обработки непосредственно на рабочем месте в ходе технологического процесса. С другой стороны, основные расчетные зависимости, которые традиционно кладутся в основу алгоритмов расчета оптимальных режимов резания, страдают значительными неточностями, что делает нецелесообразным применение алгоритмов расчета и оптимизации режимов обработки.

Одним из путей решения проблемы является отказ от построения математических моделей оптимизации на основе усредненных математических зависимостей, экстраполируемых на весь диапазон используемых скоростей резания и на марочный состав применяемых инструментальных и обрабатываемых материалов, и введение оперативного контроля индивидуальных свойства каждой пары инструмент-деталь. Концепция индивидуальной оценки свойств инструмента и стальной заготовки изложена в работе В. К. Старкова [88], однако практические рекомендации для ее воплощения отсутствуют.

Очевидно, что расчет и оптимизация режимов обработки в автоматическом режиме целесообразны только если в их основу положены физически обоснованные математические зависимости, учитывающие условия, возникающие в зоне резания для каждой конкретной операции резания.

Из всего вышесказанного следует, что проблема построения математической модели и алгоритма расчета оптимальных режимов резания, выполняемого непосредственно на ЧПУ станка и основанного на оперативной информации, получаемой из зоны резания, является важной и актуальной задачей.

В данной работе обосновывается возможность разработки и реализации способа автоматизированного расчета и коррекции оптимальных значений элементов режима резания применительно к токарным станкам с ЧПУ. В качестве основы информационного обеспечения создаваемого способа принята величина термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) естественной термопары инструмент-изделие, фиксируемая в условиях "контрольных" режимов резания (У=100м/мин; S=0,1mm/o6; t= 1мм) [12], [13], [14], [24], [30], [61]. Отличительной особенностью использования величины термоЭДС является то, что в данном методе она используется не как традиционная информация о температуре в зоне резания, а как датчик свойств контактируемых пар инструмент - изделие. Все результаты исследований относятся к условиям чистового и получистового точения углеродистых конструкционных и легированных сталей твердосплавными инструментами марок ВК, ТК, ТТК и ТН.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. В порядке расположения глав в диссертационной работе решались следующие задачи.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Таубе, Андрей Олегович

Результаты исследования величины термоЭДС как интегрального критерия оперативной оценки режущих свойств инструментального материала, обрабатываемости заготовок и условий резания позволяют ввести этот аналоговый сигнал в расчетные формулы для определения режимов резания. Сигнал о величине термоЭДС без дополнительного преобразования может быть использован как для определения исходных, так и для коррекции принятых режимов резания [63], [66], [67], [68].

Методика включает в себя пробный проход по детали, замер величины термоЭДС и расчет режимов резания с помощью станочной ЭВМ (системы ЧПУ). Применение в системе ЧПУ микропроцессоров позволяет без потерь производительности усложнить математический аппарат решаемой задачи, ввести в методику назначения режимов резания оптимизацию по одному или нескольким технико-экономическим параметрам. В связи с этим требуется построение научно обоснованной оптимизационной модели, включающей в себя уточненные расчетные зависимости для определения скорости и сил резания (1.17) - (1.20).

1.6 Постановка задачи исследования

Суммируя вышесказанное можно сделать следующие выводы:

1. Существующие методики выбора оптимальных режимов резания для автоматического станочного оборудования не обеспечивает получения точного значения принятой стойкости инструмента и скорости резания, призванной обеспечить заданный период стойкости, так как не учитывает значительного разброса свойств инструментального и обрабатываемого материалов.

2. Существующие методики ориентированы на расчет и оптимизацию режимной части управляющей программы вне системы ЧПУ станка, на этапе предварительной разработки техпроцесса, что не позволяет в должной мере учитывать влияние случайных факторов, присущих процессу обработки конкретной детали.

3. С целью повышения надежности работы автоматизированного оборудования необходима разработка более точной математической модели процесса резания, которая позволяла бы учитывать изменяющиеся условия в зоне обработки и вести автоматическую подналадку параметров резания с целью достижения наилучшего значения выбранного критерия оптимальности в каждом отдельно взятом случае.

4. Метод оптимизации обработки, построенный на основе уточненной математической модели процесса резания, должен быть ориентирован на выполнение непосредственно на ЧПУ станка, иметь достаточно простой математический аппарат и при этом обеспечивать необходимую надежность процесса в части соблюдения расчетного периода стойкости инструмента. Он также должен включать в себя функцию управления процессом, т. е. возможность оперативной подналадки режимной части в соответствии с изменяющимися условиями резания.

С учетом приведенных выше критических замечаний о недостатках существующих методик, а также анализа возможных путей повышения точности расчетных зависимостей, становится актуальной проблема создания математической модели назначения оптимального режима обработки, в основе которой лежат достоверные зависимости и оперативная информация из зоны резания. Диалог оператора с системой ЧПУ нового поколения должен состоять в задании ей вводной информации с минимумом задаваемых параметров: например, величины стойкости инструмента, глубины резания - остальные расчетные и поправочные величины система ЧПУ должна получать оперативным путем из зоны резания. Именно на основе оперативной информации, а не на основе данных из справочников, она должна определять режимы резания.

Изложенное выше позволяет следующим образом сформулировать задачу: разработать принципиально новую математическую модель оптимизации режимов резания на станках с программным управлением с привлечением оперативной информации о свойствах контактируемых пар (детали и инструмента) и условиях резания, которая устранила бы неточности существующих методик расчета, ориентированных на осредненные справочные показатели, и позволила бы автоматизировать процесс выбора оптимальных режимов резания, используя возможности микропроцессорных систем ЧПУ.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка методики оптимизации режимов токарной обработки на станках с ЧПУ на основе оперативной информации, получаемой из зоны резания, для чего должны быть решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели процесса токарной обработки, построенной на основе уточненных математических зависимостей для силы и скорости резания.

2. Исследование полученной математической модели в условиях чистовой и получистовой обработки для широкого класса марок твердосплавного режущего инструмента и обрабатываемых сталей.

3. Разработка способа автоматизированного определения оптимальных параметров процесса резания на токарных станках с ЧПУ, основанного на получении оперативной информации о свойствах контактируемой пары инструмент-изделие и условиях протекания процесса резания.

4. Разработка алгоритма коррекции режима резания при смене одной из составляющих контактирующей пары (инструмента или детали) на основе контроля условий процесса резания.

5. Экспериментальная проверка разработанного алгоритма автоматизированного определения оптимальных параметров процесса резания в условиях чистовой и получистовой обработки изделий из стали твердосплавными режущими инструментами на токарных станках с ЧПУ.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Экспериментальная установка, инструментальные и обрабатываемые материалы

Все результаты приводимых в работе исследований были получены на токарно-винторезном станке модели 16К20ФЗ в лаборатории станков с ЧПУ, принадлежащей кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета. Станок оборудован бесступенчатым приводом главного движения. В качестве исполнительного двигателя применялся электродвигатель постоянного тока ПБСТ мощностью 11 кВт с тиристорным преобразователем серии ПТЗ.

Измерения величины термоЭДС естественной термопары инструмент - стальная заготовка, а также измерения сил резания проводились с использованием устройств и приспособлений, описанных в настоящей главе.

Частота вращения шпинделя станка осуществлялась с помощью та-хогенератора и вторичного стрелочного показывающего прибора М906. Линейная скорость резания дополнительно контролировалась с помощью аттестованного образцового часового тахометра ТЧ10-Р. Погрешность при измерении линейных скоростей не превышает ±2%.

Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 2.1.

Исследования составляющих силы резания, режущих свойств инструмента и контактных процессов в зоне резания проводились с использованием твердосплавных пластин марок ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4, ТТ10К8Б, ТН20.

Исследования проводились с использованием твердосплавных пластинок 01151, 02251, 02291, 02351 (ГОСТ 25395) и сменных многогранных твердосплавных режущих пластин [47]:

Рис. 2.1 Экспериментальная установка квадратных с отверстием и стружколомающими канавками SNUM-160512 (ГОСТ 19052); шестигранных с углом 80°, с отверстием и стружколомающими канавками WNUM-090508 и WNUM-100612 (ГОСТ 19048).

Пластины типов 01 и 02 механически закреплялись в специально изготовленной державке (рис. 2.3), позволяющей обеспечить следующую геометрию резца: главный угол резца в плане (р: 45°, 60°, 75°, 90°; передний угол резца у: -10°, -5°, 0°, 5°, 10°, 15°; угол наклона главной режущей кромки резца X: -10°, -5°, 0°, 5°, 10°.

Сменные многогранные твердосплавные пластины SNUM и WNUM (ГОСТ 19052 и 19048) закреплялись в соответствующих державках (ГОСТ 26611). При этом обеспечивалась следующая геометрия крепления пластины в державке:

SNUM WNUM

Главный угол резца в плане ср: 45° 92°

Вспомогательный угол резца в плане ср^ 45° 8°

Передний угол резца у: -10° -7°

Угол наклона главной режущей кромки резца I: 0° 7°

Остальные геометрические параметры резца (вспомогательный угол резца в плане ф1, радиус вершины резца г и др.) обеспечивались соответствующей заточкой пластины. Заточка пластин производилась на универсально-заточном станке модели ЗВ642 алмазными кругами АЧК-АСР 100/80-Б1-100.

В качестве обрабатываемых материалов применялись: углеродистые стали марок 45 (ГОСТ 1050), У8А, У9А (ГОСТ 1435); легированные стали марок 20Х, ЗОХГСА, ЗОХМА (ГОСТ 4543), ХВГ (ГОСТ 5950), ШХ15СГ (ГОСТ 801).

В экспериментах использовались заготовки из проката, размер используемых в экспериментах заготовок находился в пределах: диаметр D=100-150мм, длина 1=400-600мм. Все обрабатываемые материалы использовались в состоянии поставки. Заготовки из сталей марок 45 и У9А представлены двумя партиями поставки.

Химический состав сталей, которые применялись в экспериментах, приведен в табл. 2.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для выполнения обработки по разработанным алгоритмам, станок должен быть снабжен раздельными приводами главного движения и подачи, системой ЧПУ на базе микропроцессора класса Intel 80286, необходимыми внешними датчиками и соответствующим программным обеспечением.

Рассмотрим отдельно аппаратные и программные требования к системе ЧПУ.

Аппаратные требования сводятся к следующим.

1) Микропроцессорная система числового программного управления должна быть построена на основе процессора класса Intel 80286 или выше.

2) Система должна обладать объемом оперативной памяти, достаточным для проведения вычислений и хранения необходимых данных. Минимальное требование - 1 Мб ОЗУ.

3) Для обеспечения диалогового режима работы система должна быть снабжена устройством ввода числовой информации (клавиатурой), а также устройством вывода числовой, символьной и графической информации (дисплеем).

4) Станок должен быть оборудован датчиком обратной связи по термоЭДС естественной термопары инструмент-деталь.

5) Система ЧПУ должна иметь аналого-цифровой преобразователь для оцифровки сигнала обратной связи из зоны резания, а также цифро-аналоговые преобразователи для управления приводом главного движения (коррекция скорости) и движения подачи (коррекция подачи).

6) Возможно построение системы ЧПУ, управляющей одновременно несколькими станками. В этом случае необходимо согласовать быстродействие системы с быстродействием исполнительных органов станка. Аппаратные требования тогда будут более жесткими.

Программные требования. Помимо программы, обрабатывающей геометрическую информацию, необходима разработка подпрограммы расчета режимов резания, которая должна отрабатываться для каждого технологического перехода. При этом научно обоснованный подход к назначению параметров обработки может обеспечиваться процедурой оптимизации. В этой процедуре назначение параметров обработки осуществляется в соответствии с принятым критерием оптимальности и выполнением заданных ограничений. Критерий оптимальности определяет цель оптимизации, а технологические ограничения - реализацию необходимых требований к процессу обработки. Примером такой подпрограммы может служить разработанная автором программа «Regime», описание которой приведено выше.

В качестве операционной системы должна использоваться ОС реального времени. При многостаночном обслуживании целесообразно применять многозадачные операционные системы, например ОС семейства QNX.

Согласно требованиям блочного проектирования технологического оборудования в ГАП, необходимо предусмотреть возможность объединения станков с ЧПУ под управлением системы более высокого уровня. Для этого требуется создать (на аппаратном и программном уровнях) каналы обмена потоками информации с ЭВМ стратегического планирования, ведение необходимой статистики, сигнализацию в случае возникновения аварийных ситуаций.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты.

1. Анализ принятых в современном машиностроении методик назначения оптимальных режимов резания выявил значительные погрешности в определении составляющих силы резания и скорости резания, достигающие 50 - 200%, которые приводят к несоблюдению заданного времени стойкости инструмента и точности обработки.

Существующая методика выбора скорости резания для автоматического станочного оборудования не обеспечивает получения точного значения принятой стойкости инструмента, так как не учитывает значительного разброса свойств инструментального и обрабатываемого материалов.

Сделано заключение о нецелесообразности использования существующих методик в качестве информационной базы при разработке алгоритмов автоматизированного назначения режимов резания на станках с ЧПУ. Указаны пути повышения точности и достоверности расчетных зависимостей, используемых при моделировании процесса токарной обработки.

2. Предложены пути повышения точности и достоверности математических моделей процесса токарной обработки на основе скорректированных расчетных зависимостей, использующих оперативную информацию из зоны резания.

3. Были рассмотрены целевые функции, используемые при оптимизации процесса обработки металлов резанием, выведены неравенства технологических ограничений, накладываемых на процесс точения. В совокупности они представляют собой математическую модель процесса резания на токарных станках, в основу которой положены достоверные, физически обоснованные расчетные зависимости.

4. Разработана математическая модель назначения оптимального режима обработки, в основе которой лежат достоверные зависимости и оперативная информация из зоны резания.

Методика, положенная в основу моделирования, позволила устранить неточности существующих способов расчета, ориентированных на ос-редненные справочные показатели, и позволила автоматизировать процесс выбора режимов резания, используя возможности микропроцессорных систем ЧПУ.

5. Анализ полученной математической модели позволил сделать вывод о ее принципиальной пригодности для применения в алгоритмах назначения режимов резания. Система ЧПУ, оснащенная микропроцессором, способна выполнить все предусмотренные расчеты за пренебрежимо малое время.

6. Разработана и теоретически обоснована методика коррекции скорости резания при смене одной из составляющих естественной термопары (инструмента или детали), основанная на правиле пропорциональности термоЭДС пробного прохода и рабочих режимов. Методика позволяет избежать необходимости проведения повторных пробных проходов на фиксированных режимах для каждой контактирующей пары, и вести коррекцию скорости непосредственно в процессе точения.

7. Разработаны алгоритмы и программа расчета и коррекции режимов резания непосредственно на ЧПУ станка в процессе обработки. Создание таких алгоритмов позволило сформулировать требования к системам ЧПУ нового поколения, использующим сигнал обратной связи из зоны стружкообра-зования при назначении режимов резания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Таубе, Андрей Олегович, 2002 год

1. А. с №1009609 СССР. Способ определения режущих свойств твердосплавных инструментов / А.Л.Плотников, Е. В. Дудкин (СССР). Бюл. №13,1983.

2. А. с. №549269 СССР. Устройство для измерения температуры резания методом естественной термопары / А.Л.Плотников, Е. В. Дудкин (СССР). Бюл. №9, 1977.

3. Адаптивное управление станками / Под ред. Б. С. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973.-688с.

4. Аваков А. А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов. М.: Машгиз, 1960. - 380с.

5. Аршакян А. Л., Вавулин А. А., Митрофанов В. Г. Выбор оптимальных режимов резания с учетом формы стружки // Станки и инструмент. 1992. -№6. - с.21

6. Бабич М. М. Неоднородность твердых сплавов по содержанию углерода и ее устранение. Киев: Наукова думка, 1975. - 174с.

7. Башков В. М., Кацев П. Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.: Машиностроение, 1985. - 136с.

8. Бобров В. Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.-344с.

9. Брахман Л. А., БатищевД. И., ГильманА. М. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1972. -140с.

10. Брахман Л. А., Гильман А. М., Матяева Л. К. Об оптимизации режимовработы одношпиндельных многорезцовых токарных полуавтоматов. В сб.132

11. Автоматизация технологического проектирования при помощи электронных вычислительных машин». М,: Машиностроение, 1966 г.

12. Бржозовский Б. М., Плотникова. Л. Обеспечение надежности выбора режимов лезвийной обработки для автоматизированного станочного оборудования. Саратов.: изд-во Сарат. ун-та, 2001 г. 88 с.

13. Бржозовский Б. М., Плотников А. Л., Таубе А. О. Исследование и разработка методики расчета оптимальных параметров режимов резания на токарных станках с ЧПУ. Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 2001.-С.101-108.

14. Бржозовский Б. М., Плотников А. Л., Таубе А. О. Оптимизация и управление процессом резания на токарных станках с ЧПУ. Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 2001. - С. 95-100.

15. Васильев С. В. ТермоЭДС при резании как характеристика качества твердосплавных пластинок // Станки и инструменты. 1976. - №5. - С.27-28.

16. Вульф А. М. Резание металлов. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1973. - 496с.

17. Гжиров Р. И., Обольский Я. 3., Серебреницкий П. П. Автоматизированное программирование обработки на станках с ЧПУ. Л.: Лениздат, 1986. -176с.

18. Гильман А. М. и др. Оптимизация режимов резания на металлорежущих станках. М.: «Машиностроение», 1972. - 188с.

19. Глебов С. Ф. Теория наивыгоднейшего резания металлов. М.-Л.: Гос-машметиздат, 1933.

20. Горанский Г. К., Владимиров Е. В., Ламбин Л. Н. Автоматизация технического нормирования работ на металлорежущих станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1970. -224с.

21. Гришин С. А. Применение алгоритмов самообучения к оптимизации процесса резания на примере токарной и сверлильной обработки. Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 2000. - 16с.

22. Грешников В. А., Дробот Ю. В. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976. -272с.

23. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544с.

24. Дудкин Е. В., Плотников А. Л. Автоматизированная коррекция режимов обработки на токарных станках с ЧПУ. Тезисы докладов. Л., 1990.

25. Дудкин Е. В., Плотников А. Л. К вопросу оценки качества твердосплавного инструмента // Проблемы производства и применения твердых сплавов. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. М., 1981.

26. Дудкин Е. В., Плотников А. Л. Метод косвенной оценки износостойкости твердосплавных инструментов // Надежность и контроль качества. 1984. - №6. - С.35-41.

27. Дудкин М. Е. Исследование контактных явлений и механизма износа твердосплавного инструмента при обработке конструкционных сталей. Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1981. - 20с.

28. Евсеев Л. Л. Расчет оптимальной скорости резания по коэффициенту динамичности процесса стружкообразования // СТИН. 1994. - №4. - с.41 -43.

29. Егоров С. В. Пути повышения производительности при обработке резанием жаропрочных сплавов. ОТИ-ВНИИ, М.: Машгиз, 1960.

30. Еремеев В. В. Исследование и разработка метода автоматизированного выбора режимов обработки для токарных станков с ЧПУ на основе измерения термоЭДС зоны резания. Автореф. дис. канд. техн. наук. Волгоград, 1999. - 20с.

31. Заковоротный В. Л., Бордачев Е. В., Апексейчик М. И. Динамический мониторинг состояния процесса резания. // Станки и инструмент 1999 N12.C.6-13.

32. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. -367с.

33. Ивата К., Муроцу Ю., Ивацубо. Вероятностный подход к определению оптимальных режимов резания // Конструирование и технология машиностроения. 1977. - №1. - с. 152-159.

34. Игумнов Б. Н. Расчет оптимальных режимов обработки для станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1974. - 200с.

35. Иноземцев А. Н., Васин С. А., Пасько Н. И. Оптимизация режима резания с учетом надежности инструмента // СТИН. 2000. - №10. - с.31-34.

36. Иноземцев Г. Г., Мартынов В. В., Бровкова М. Б. Оптимизация процесса резания с учетом диагностического состояния оборудования. // Станки и инструмент-1999. N12. -с.9-13.

37. Кабалдин Ю. Г. Энергетические принципы управления процессами механообработки в автоматизированном производстве // Вестник машиностроения. 1993. - №1. - С.37-42.

38. Кибальченко А. В. Применение метода акустической эмиссии в условиях гибких производственных систем. Технология металлообрабатывающего производства. - Обзорная информация, серия 6. - М.: ВНИИТЭМР, в.1, 1986, с.57.

39. Клушин М. И. Резание металлов. М.: Машгиз, 1958. - 454с.

40. Корытин А. М., Шапарев Н. К. Оптимизация управления токарной обработкой. // Станки и инструменты. 1969. - №11.

41. Креймер Г. С., Ваховская М. Р. О влиянии содержания углерода в твердых сплавах карбид вольфрама-кобальт на их механические свойства // Порошковая металлургия. 1965. - №6. - С.24-30.

42. Кюнци Г. П., Крелле В. Нелинейное программирование. Пер. с нем. М., «Советское радио», 1965.

43. Левицкий М. Я., Штомпель В. П. Определение на ЭЦВМ режимов резания при точении. Киев: Техника, 1966. - 84с.

44. Лоладзе Т. Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, 1958. - 358с.

45. Макаров А. Д. Вопросы разработки и назначение режимов резания с учетом размерной стойкости инструмента, точности, производительности исебестоимости обработки. Сб. «Экономичность технологических процессов». Труды ЛИЭП, вып. 47, Л. 1964.

46. Макаров А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1966. -264с.

47. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение,1989.-640с.

48. Махмудов К. Г., Кокаровцев В. В., Остафьев В. А. Диагностика состояния процесса резания. // СТИН. 1994. - №2. -с.17 - 18

49. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник / В. С. Самойлов, Э. Ф. Эйхманс и др. М.: Машиностроение, 1988. - 368с.

50. Мирзаев А. А. Научные основы создания системы автоматизированного определения обрабатываемости металлов резанием. Автореф. дис. докт. техн. наук. Киев, 1995. - 20с.

51. Митрофанов С. П. Рациональное использование металлорежущих станков. Л.-М.: Машиностроение, 1967. 344с.

52. Новожилов В. И. Вопросы определения оптимальных режимов резания. В сб. «Вопросы определения сравнительной экономичности новой техники». Л., ЛДНТП, 1967.

53. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А. А. Панов, В. В. Аникин, Н. Г. Бойм и др.; Под ред. А. А. Панова. М.: Машиностроение, 1988. - 736с.

54. Общемашиностроительные нормативы режимов резания. Справочник: В 2-х т / А. Д. Локтев, И. Ф. Гущин, В. А. Батуев и др.; Под ред. А. Д. Локтева. М.: Машиностроение, 1991. - Т. 1. - 640с.

55. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с ЧПУ: Нормативы режимов резания / ЦБНТ. М.: Экономика,1990. -474с.

56. Палей С. М. Контроль состояния режущего инструмента по ЭДС резания //СТИН. 1996. - №10. - С.21-25.

57. Панкин А. В. Основные вопросы наивыгоднейшего резания металлов. М., Машгиз, 1948.

58. Пат. 2063307 Россия, С1 6 В 23 В 25/06. Способ определения допустимой скорости резания при механической обработке детали твердосплавным инструментом / А. Л. Плотников. Заявка №94010673/08 от 29.03.94. -Опубл. Бюл. №19 от 10.07.96.

59. Пат. №2120354 Россия, С1 В 23 В 25/06. Способ определения составляющих силы резания на токарных станках с ЧПУ / А. Л. Плотников, В.В.Еремеев. №97116947/20; Заявлено 14.10.97; Опубл. Бюл. №29, 1998.

60. Пат. №2117557 Россия, С1 В 23 В 25/06. Способ съема термоЭДС естественной термопары инструмент деталь / А. Л. Плотников. -№97100992/02; Заявлено 21.01.97; Опубл. Бюл. №23, 1998.

61. Плотников А. Л. Исследование физической природы связи ЭДС естественной термопары с режущими свойствами твердосплавных инструментов и использование величины термоЭДС для управления процессом резания. Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1982. - 20с.

62. Плотникова. Л. Особенности контактных процессов при обработке стали твердым сплавом с различным фазовым составом // Физические процессы при резании металлов: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 1995.

63. Плотников А. Л., Василенко А. А., Таубе А. О. Пути обеспечения надежности работы многолезвийного режущего инструмента при максимальном использовании его ресурса. Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 2002. -С.31-35.

64. Плотников А. Л., Еремеев В. В. Автоматизированный способ определения допустимой скорости резания на токарных станках с ЧПУ // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 1997. - 4.1 - С.96-102.

65. Плотников А. Л., Еремеев В. В. Анализ причин различной обрабатываемости сталей и метод ее оперативного учета // Физические процессы прирезании металлов: Межвуз. сб. науч. тр. / ИжГТУ. Волгоград-Ижевск, 1997. -С.5-9.

66. Плотников А. Л., Еремеев В. В. Проблемы автоматизированного выбора режимов резания на станках с ЧПУ и пути их решения // Физические процессы при резании металлов: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 1997. - С.57-61

67. Плотников А. Л., Таубе А. О. Контроль режущих свойств твердосплавного инструмента и условий резания на автоматизированном станочном оборудовании. Межвуз. сб. науч. тр. / Саратов.: изд-во Сарат. ун-та, 2002 г. -С.157-162.

68. Плотников А. Л., Таубе А. О. Уточненная математическая модель расчета составляющих силы резания при точении на скоростях выше зоны на-ростообразования. Межвуз. сб. науч. тр. / Саратов.: изд-во Сарат. ун-та, 2002 г. С.144-148.

69. Плотников А. Л., Таубе А. О. Физическая сущность коэффициентов CPz, СРх, СРу в формулах для определения сил резания при точении на скоростях выше зоны наростообразования. Межвуз. сб. науч. тр. / Саратов.: изд-во Сарат. ун-та, 2002 г. С. 149-152.

70. Подураев В. Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. М.: Машиностроение, 1977. - 304с.

71. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник / В. И. Баранчиков, А. В. Жаринов, Н. Д. Юдина,

72. А. И. Садыхов; Под общ. ред. В. И. Баранникова. М.: Машиностроение, 1990. -400с.

73. Развитие науки о резании металлов / В. С. Бобров, Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев и др. М.: Машиностроение, 1967. -416с.

74. Резников Н. И. Использование ЭВМ для определения оптимальных режимов резания. // Вестник машиностроения 1966. - №12. - с.3-9.

75. Резников Н. И. Теория наивыгоднейшего резания при точении в свете в свете двух направлений, существующих при скоростной обработке. Сб. «Передовая технология машиностроения». М., Изд-во АН СССР, 1955.

76. Рыжкин А. А., Шучев К. Г. Физические аспекты оптимизации режима резания по критерию износостойкости инструмента // СТИН. 1999. - №9. -С.21-24.

77. Савицкий Е. М., Буров М. В. Электрические и эмиссионные свойства сплавов. М.: Наука, 1978. -294с.

78. Силин С. С. Баранов А. В. Оптимизация операций механической обработки по энергетическим критериям. //Станки и инструмент-1999 N1.с. 16-17.

79. Система сквозного автоматизированного проектирования / Быков Ю. М., Чигиринский Ю. Л., Таубе А. О., Тельдеков А. В. // Физические процессы при резании металлов: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 1995. - 132с.

80. Сосонкин В. Л. Взгляд на предстоящую эволюцию устройств ЧПУ // Станки и инструмент. 1992. - №9. - С.27-32.

81. Сосонкин В. Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. М.: Машиностроение, 1985. - 290с.

82. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Концепция систем ЧПУ типа PCNC с открытой архитектурой // СТИН. 1998. - №5. - С.7-12.

83. Сплавы твердые порошковые и керамика. Изделия для режущего инструмента. Метод определения режущих свойств: ОСТ 48-99-76. Введ. 01.04.77.-М., 1976.

84. Справочник по технологии резания материалов: В 2-х кн. / Под ред. Г. Шпура, Т. Штеферле; Пер. с нем. под ред. Ю. М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1985. - Кн.1. - 616с.

85. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т / В. Б. Борисов, Е. И. Борисов, В. Н. Васильев и др.; Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. -Т.2. - 656с.

86. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т / В. Н. Гриднев, В. В. Досчатов, В. С. Замалин и др.; Под ред. А. Н. Малова. 3-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1972. -1.2. - 568с.

87. Старков В. К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. -296с.

88. Старков В. К., Киселев М. В. Алгоритм оптимизации процесса резания по энергетическому критерию качества // Станки и инструмент. 1992. -№10.-с.18-20

89. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. - 240с.

90. Талантов Н. В., Мансуров И. И. Контактные напряжения на передней поверхности инструмента // Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков / ИжМИ. Ижевск, 1969. -Вып. III. -С.23-39.

91. Таубе А. О., Плотников А. Л. Методика определения коэффициента Cv в автоматизированном способе расчета допустимой скорости резания. Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. Волгоград, 2002. - С.35-41.

92. Ташлицкий Н. И. Влияние механических свойств и теплопроводности сталей на их обрабатываемость. М.: Машгиз, 1952. - 86с.

93. Трент Е. М. Резание металлов / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1980.- 264с.

94. Туманов В. И. Свойства сплавов системы карбид-вольфрам-кобальт. -М.: Металлургиздат, 1971. 96с.

95. Хаги С. К., Рас С. С. Детерминированные и вероятностные методы определения оптимальных режимов механической обработки // Конструирование и технология машиностроения. 1976. - №1. - с.295-302.

96. Хейзель У. Методы контроля инструмента и обрабатываемой детали в гибком автоматизированном производстве // Станки и инструмент. 1985.- №2. С.27-29.

97. Шарин Ю. С. Технологическое обеспечение станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1986. - 176с.

98. Шаумян Г. А. Комплексная автоматизация производственных процессов. М.: Машиностроение, 1973. -638с.

99. Якобе Г. Ю., ЯкобЭ., КоханД. Оптимизация резания: Параметризация способов обработки резанием с использованием технологии оптимизации. Пер. с нем. В. Ф. Колотенкова. М.: Машиностроение, 1981. -279с.

100. Dudkin Е., Plotnikov A., Diperstain М. Non-distructive phase composition and cutting properties control of cemented Carbide tool inserts. Proceeding of World Congress "Powered Metallurgy 98", V4 P69-74 the 18-22 October, Granada Spain, 1998.

101. Kazinezy M. Tool life criterion of single point tools then cutting with NC Machinentools. Jnt,J. Prod, Res, 1971, 9, №4.