RO128669A2 - Sistem inteligent pentru controlul stabilităţii proceselor de strunjire - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem inteligent pentru controlul automat, on-line, al stabilităţii proceselor de strunjire, pentru ca productivitatea acestor procese să fie maximizată, destinat utilizării pe strungurile de tip actual. Sistemul conform invenţiei, în scopul de a controla poziţia punctului curent de funcţionare a unei maşini-unelte în raport cu limita domeniului de stabilitate dinamică, monitorizează continuu, pe tot parcursul unui proces de aşchiere, semnalul furnizat de o marcă tensometrică plasată pe una dintre piesele componente ale maşinii-unealtă, astfel aleasă încât variaţia în timp a semnalului să fie proporţională cu variaţia în timp a forţei de aşchiere, după care, periodic, pe baza descrierii numerice a semnalului, evaluează un indicator (I) ce relevă, potrivit unei metrici, poziţia punctului curent de funcţionare în raport cu limita de stabilitate, urmată de compararea valorii obţinute cu două valori limită (Işi I) inferioară şi superioară, care descriu vecinătatea limitei de stabilitate, aflată în domeniul stabil, iar în cazul în care valoarea curentă a indicatorului (I) depăşeşte limitele acesteia, modifică viteza de aşchiere şi avansul, potrivit unui algoritm, până când valoarea indicatorului (I) revine în acest domeniu.

Description

- Descrierea invenției Invenția se refera la un sistem inteligent pentru controlul automat, on-line. al stabilitatii proceselor de strunjire. astfel incat productivitatea acestor procese sa fie maximizata, in condițiile excluderii riscului de apariție a vibratiior autoexcitate, chiar daca domeniul stabil se modifica in mod continuu in timp si spațiu. Sistemul, potrivit invenției, este destinat utilizării pe strungurile de tip actual, prin conectarea lui la comanda numerica existenta, fara modificarea structurii mecanice si de acționare.

Sunt cunoscute strategiile actuale de control al stabilitatii proceselor de aschiere. care se bazeaza, in principiu, pe doua abordări:

controlul olî-line, pe baz.a predictiei riscului de apariție a vibrațiilor autoexcitate;

controlul on-line, pe baza detecției vibrațiilor, urmata de eliminarea acestora.

In primul caz. controlul se materializează prin programarea unui regim de lucru al mașinii, de o asemenea maniera incat punctul de funcționare al acesteia (caracterizat prin viteza de aschiere. avans, adâncime de aschiere) sa se gaseasca, permanent, in domeniul stabil. Programarea se realizează pe baza diagramei de stabilitate a mașinii in cauza.

In al doilea caz. se utilizează senzori care sa evidențieze apariția vibrației autoexcitate relative intre scula si piesa, situație in care se intervine apoi, fie prin modificarea (de fapt reducerea) parametrilor regimului de funcționare, fie prin aplicarea altor soluții tehnice -- spre exemplu variația vitezei mișcării principale, utilizarea unor portscule oscilante sau a unor sisteme active de compensare.

Din modul in care sistemele actuale de control al stabilitatii sunt concepute si funcționează, decurg o serie de dezavantaje, dintre care mai importante sunt următoarele.

perturbatiile. care apar inerent pe parcursul prelucrării, precum si modificările continue ale dinamicii mașinii in lungul traiectoriei urmate de scula aschietoare (cu alte cuvinte, modificarea in timp si spațiu a domeniului de stabilitate), nu pot fi luate in calcul in predictia riscului de apariție a vibrațiilor autoexcitate;

modul in care intervin pentru modificarea punctului de funcționare, in scopul repozitionani acestuia in raport cu limita de stabilitate, este unilateral, in sensul reducerii intensității procesului de aschiere si. implicit a productivității:

momentul in care intervin este intarziat in raport de momentul apariției vibrațiilor. ceea ce nu permite evitarea consecințelor nedorite ale acestora;

implementarea sistemelor pentru controlul activ al stabilitatii este dificila, deoarece reclama reproiectarea unor subsisteme componente ale mașinii si existenta unor modele dinamice adecvate

Problema tehnica pe care o rezolva invenția este ajustarea automata si permanenta a poziției punctului de funcționare al masinii-unealta, astfel incat acesta sa se gaseasca întotdeauna in acel punct al domeniului stabil, in care nivelul productivității este maxim, chiar daca domeniul stabil se modifica in mod continuu in timp si spațiu. In general, la strunjire. punctul in care productivitatea este maxima se afla in vecinătatea limitei de stabilitate.

Sistem inteligent pentru controlul stabilitatii proceselor de strunjire caracterizat prin aceea ca: in scopul de a controla poziția punctului curent de funcționare al masinii-unealta in raport cu limita domeniului de stabilitate dinamica, se monitorizează continuu, pe tot parcursul procesului de aschiere. semnalul furnizat de o marca tensometrica plasata pe una dintre piesele componente ale masinii-unealta. astfel aleasa incat variația in timp a semnalului sa fie proporționala cu variația in timp a forței de aschiere, după care, periodic, pe baza descrierii numerice a semnalului, este evaluat un indicator / . ce releva, potrivit unei metrici, poziția punctului curent de funcționare in raport cu limita de stabilitate, urmata de compararea valorii obținute cu doua \ alori-limitajiî^^fefeaoara L,·, si

-² - tâ/f ; i S ; C>\ % A li _m m RECTORAT ⁵ Si

Λ- L LI 1 1 - U 1 5 1 5 - ~ ¹ \

O 6 -12- 2011 alta superioara Λ/. care descriu vecinătatea limitei de stabilitate. aflata in domeniul stabil, iar n cazul in care valoarea curenta a indicatorului depășește limitele acesteia, se modifica \iteza de aschiere si avansul, potrivit unui algoritm, pana când valoarea indicatorului revine in acest domeni j. după cum se arata in figurile I si 2 si prin aceea ca valorile indicatorului /. care reflecta poziția relativa a punctului de funcționare al mașinii fata de limita de stabilitate, se determina prin procesarea on-line a semnalului monitorizat, după eliminarea componentei lent variabile in timp si scalarea semnalului astfel filtrat, iar in funcție de rapiditatea cu care se desfasoara procesul monitorizat, indicatorul se alege dintre //, reprezentând dispersia diferenței dintre semnalul filtrat si cel mai apropiat model logistic, pe lungimea de referința a semnalului filtrat, pentru turatii ale piesei n de pana la 200 rot/min, /₂. reprezentând valoarea acelui parametru de control al modelui logistic care este cel mai apropiat de variația semnalului filtrat, pe lungimea de referința a acestuia, pentru n de pana la 300 rot/min. Λ. reprezentând raportul dintre valoarea amplitudinii maxime si cea medie ale transformatei Fourier a semnalului monitorizat, intr-un domeniu de frecvente dat. pentru n de pana la 600 rot/min. I₄. reprezentând valoarea medie a saltului dintre doua extreme locale succesive pe lungimea de referința a semnalului filtrat, pentru n de pana la 1000 rot/min si I5 reprezentând numărul de extreme locale pe lungimea de referința a semnalului filtrat, pentru n peste 1000 rot/nun si prin aceea ca traiectoria sculei. programata prin frazele de comanda ale programului-piesa si parcursa cu ajutorul unuia dintre interpolatoarele sistemului de comanda numerica, este dixizata intr-un număr de secvențe, de exemplu o secvența corespunzând unei rotatii a piesei, pentru fiecare secvența fiind specificate turatia arborelui principal si timpul alocat pentru realizarea sa si prin aceea ca algoritmul de ajustare a vitezei de aschiere. conform figurii 3. se bazeaza pe modificarea in trepte a turației piesei, prin aplicarea la valoarea curenta a acesteia a unui coeficient care poate avea patru valori. // si z₂ - subunitare, λ; < λ₂. respectiv λ₂ si λ₄ - supraunitare, λ₂ > λ₄. după cum urmeaza: i) la depășirea de către indicatorul / a limitei maxime, / Im, se aplica coeficientul /./. daca valoarea anterioara a lui I se aflase in intervalul (l_m, Im), sau valoarea λ₂. in celelate cazuri posibile; ii) pentru o valoare a indicatorului sub limita minima, / I_m. se aplica coeficientul z< daca valoarea anterioara a lui / se aflase in intervalul (I_m Im), sau valoarea λ₄, in celelate cazuri posibile precum si prin aceea ca valorile limita l_m si Im. care definesc vecinătatea limitei de stabilitate, se pot modifica off-line. fie prin invatare nesupervizata. utilizând o baza de date înregistrate pe parcursul funcționarii anterioare a sistemului, fie prin intervenția operatorului uman care desen este masina-unealta.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

punctul de funcționare al masinii-unealta este menținui in permanenta in \ecinatatea limitei de stabilitate, ceea ce. in cazul strunjirii. corespunde unei productivități maxime, obținute prin folosirea întregii capacitati a mașinii;

sunt evitate efectele nedorite ale instabilității, manifestata prin vibrații autoexcitate. sistemul de control al stabilitatii rectionand cu promptitudine la perturbatiile inerente;

sistemul de control este simplu si. mai important, poate fi implementat cu costuri rezonabile pe actuala generație de strunguri cu comanda numerica;

strategia pe baza careia funcționează sistemul si algoritmul de ajustare a regimului de aschiere nu sunt legate nemijlocit de procedeul de prelucrare prin strunjire si. prin urmare, ar putea ΙΊ aplicate si in cadrul unor sisteme de control al stabilitatii pentru alte procedee de prelucrare (frezare. gaurire. rectificare).

In continuare se prezintă un exemplu de aplicare a invenției in legătură cu figurile 1 ... 6. unde.

figura 1 prezintă modul de interconectare dintre sistemul inteligent de control al stabilitatii si masina-unealta deservita de acesta;

figura 2 prezintă schematic strategia pe baza careia funcționează sistemul inteligent de control al stabilitatii;

figura 3 prezintă algoritmul de comanda al srstemului i

CV2 Ο 1 1 - Ο 1 3 1 3 - Ο 6 -12- 2011

7' figura 4 prezintă structura sistemului inteligent de control al stabilitatii. asa cum a fost implementat experimental;

figura 5 prezintă forma si dimensiunile piesei utilizate pentru testarea experimentala a sistemului inteligent de control al stabilitatii, unde t reprezintă avansul radial al sculei intre doua treceri consecutive iar A - amplitudinea traiectoriei sinusoidale după care se deplasează cutitul;

figura 6 prezintă a - variația indicatorului h si b - variația vitezei de aschiere v. ambele pentru toate cele trei treceri succesive, prima curba, Series 1”. caracterizând procesul instabil (prima trecere), a doua curba, “Series 2 - procesul stabilizat prin reducerea vitezei de aschiere (a doua trecere) iar a treia curba, Series 3” - procesul stabilizat prin utilizarea sistemului inteligent pentru controlul stabilitatii. potrivit invenției.

Sistemul inteligent de control al stabilitatii a fost implementat pe un strung transversal cu comanda numerica. Pentru strunjire s-a utilizat un cutii Hoffmann - Garant de exterior, de tipul MVJN R.25. prevăzut cu plăcute schimbabile de tipul VNMG160408 VM, HB7135. Pe cutii au fost aplicate doua mărci tensometrice in semipunte, iar semnalul de la acestea a fost achiziționai cu ajutorul unui sistem Quantum (Hottinger Baldwin Messtechnik). Frecventa de achiziție a datelor a fost de 9600 scanari/s. valorile fiind înregistrate intr-un fișier, cate 256 de valori pentru fiecare secvența de comanda din noul tip de program-piesa.

In aceste condiții, s-a prelucrat o piesa-test. confecționată din otel carbon de calitate cu 0.45% C. avand generatoarea sinusoidala si dimensiunile inițiale specificate in figura 5. După o strunjire inițiala, destinata doar obținerii unei generatoare sinusoidale de pornire, au fost efectuate trei treceri succesive, de fiecare data generatoarea avand aceeași forma (definita prin amplitudinea A = 0.5 mm si lungimea de unda λ = 20 mm). Intre traiectoriile a doua treceri consecutive s-a introdus insa, de fiecare data, un decalaj de faza de 180°. ceea ce a condus la o variație continua a grosimii stratului de material detașat, intre limitele (1)

Aceasta variație a avut drept scop sa forțeze tranziția procesului de strunjire de la stabil la instabil si invers, pe parcursul aceleiași prelucrări. In relația (1), t reprezintă avansul radial al sculei intre doua treceri conseculne. Cele trei treceri succesive au fost realizate cu același avans longitudinal (0.2 mm/rot). dar modificând turatia piesei, după cum urmeaza:

- la prima trecere, turatia a fost constanta si avand valoarea recomandata in cazul unei grosimi constante t a stratului de material detașat, fara a se utiliza sistemul de control al stabilitatii;

- la a doua trecere, turatia a fost constanta si avand valoarea recomandata in cazul unei grosimi constante t_mcix a stratului de material detașat, fara a se utiliza sistemul de control al stabilitatii;

- la a treia trecere, turatia a fost variabila, după cum a impus-o sistemul de control al stabilitatii.

Ca indicator ce reflecta poziția relativa a punctului de funcționare al mașinii Tata de limita de stabilitate a fost ales Ț. reprezentând raportul dintre valoarea amplitudinii maxime si cea medie ale transformatei Fourier a semnalului monitorizat, intr-un domeniu de frecvente dat; x alorile-limita ale indicatorului au fost adoptate, pe baza unor teste anterioare efectuate in condiții asemanatoare. ca avand valorile l_m = 1.2. respectiv / = 1,5. Cei patru coeficienți de ajustare a turației piesei au fost setati astfel: /./ = 0.7; Â? = 0,85; U = 1,2: /.? = 1-1· Grosimea nominala a stratului de material detașat a fost aleasa / = 1.25 mm. in timp ce unghiul de atac al tăișului a avut valoarea / = 55°.

Efectele utilizării sistemului inteligent pentru controlul stabilitatii sunt evidențiate, in forma grafica in figura 6. unde se pot remarca o creștere substanțiala a vitezei de aschiere fata de cazul stabilizării obținute prin reducerea intensității regimului de aschiere. respectiv un proces complet lipsit de vibrații, fata de cazul in care variația grosimii stratului de material detașat a dus. in absenta controlului stabilitatii. la apariția vibrațiilor autoexcitate.

Pentru e\aluarea cantitativa a eficientei sistemului inteligent pentru controlul stabilitatii. potix it invenției, a fost definit indicatorul ICP, Indicator de creștere a pr<jdpetÎVjîfltiî?C'e are expresia ȚA / lectorat

Ο 1 1-01515-0 6 -12- 20Π

ICP =	m Σ	A A	-100 |%|.	(2)
		v, -s,
		\ 'k 'k /

In relația (2) m reprezintă numărul de cicluri de aschiere (rotatii) considerate. v, si s. \alorile programate ale vitezei de aschiere. respectiv avansului, in cazul regimului stabilizat prin reducerea regimului de aschiere iar v_a si s_u - valorile vitezei de aschiere. respectiv avansului.

ajustate de sistemul de control al stabilitatii, toate patru pentru același punct curent k de pe generatoare. Pentru cazul piesei-test descrise mai sus. ICP = 129.8 %, ceea ce demonstrează importantul potențial de creștere a productivității, prin utilizarea sistemului inteligent pentru controlul stabilitatii.

Claims (5)

1. - Revendicări -

   1. Sistem inteligent pentru controlul stabilitatii proceselor de strunjire caracterizat prin aceea ca, in scopul de a controla poziția punctului curent de funcționare al masinii-unealta in raport cu limita domeniului de stabilitate dinamica, se monitorizează continuu, pe tot parcursul procesului de aschiere, semnalul furnizat de o marca tensometrica plasata pe una dintre piesele componente ale masinii-unealta, astfel aleasa incat variația in timp a semnalului sa fie proporționala cu variația in timp a forței de aschiere. după care, periodic, pe baza descrierii numerice a semnalului, este evaluat un indicator / , ce releva, potrivit unei metrici, poziția punctului curent de funcționare in raport cu limita de stabilitate, urmata de compararea valorii obținute cu doua valori-limita, una inferioara /„, si alta superioara /y, care descriu vecinătatea limitei de stabilitate, aflata in domeniul stabil, iar in cazul in care valoarea curenta a indicatorului depășește limitele acesteia, se modifica viteza de aschiere si avansul, potrivit unui algoritm, pana când valoarea indicatorului revine in acest domeniu.
2. 2. Sistem inteligent pentru controlul stabilitatii proceselor de strunjire. conform revendicării 1. caracterizat prin aceea ca. valorile indicatorului /, care reflecta poziția relativa a punctului de funcționare al mașinii fata de limita de stabilitate, se determina prin procesarea on-line a semnalului monitorizat, după eliminarea componentei lent variabile in timp si scalarea semnalului astfel filtrat·, in funcție de rapiditatea cu care se desfasoara procesul monitorizat, indicatorul se alege dintre //. reprezentând dispersia diferenței dintre semnalul filtrat si cel mai apropiat model logistic, pe o lungime de referința a semnalului filtrat, pentru turatii ale piesei n de pana la 200 rot/min. Λ. reprezentând valoarea parametrului de control al modelui logitic cel mai apropiat de variația semnalului filtrat, pe o lungime de referința a acestuia, pentru n de pana la 300 rot/min. /?, reprezentând raportul dintre valoarea amplitudinii maxime si cea medie ale transformatei Fourier a semnalului monitorizat, intr-un domeniu de frecvente dat, pentru n de pana la 600 rot/min, I₄. reprezentând valoarea medie a saltului dintre doua extreme locale succesive pe o lungime de referința a semnalului filtrat, pentru n de pana la 1000 rot/min si /5 reprezentând numărul de extreme locale pe o lungime de referința a semnalului filtrat, pentru n peste 1000 rot/min.
3. 3. Sistem inteligent pentru controlul stabilitatii proceselor de strunjire, conform revendicării 1. caracterizat prin aceea ca, traiectoria sculei, programata prin frazele de comanda ale programuluipiesa si parcursa cu ajutorul unuia dintre interpolatoarele sistemului de comanda numerica, este divizata intr-un număr de secvențe, de exemplu o secvența corespunzând unei rotatii a piesei, pentru flecare secvența fiind specificate turatia arborelui principal si timpul alocat pentru realizarea sa.
4. 4. Sistem inteligent pentru controlul stabilitatii proceselor de strunjire, conform revendicării I. caracterizat prin aceea ca. algoritmul de ajustare a vitezei de aschiere se bazeaza pe modificarea in trepte a turației piesei, prin aplicarea la valoarea curenta a acesteia a unui coeficient care poate avea patru valori (2/ si λ? - subunitare, 2/ < 2?, respectiv 2j si 2./ - supraunitare, 2j > 2J. după cum urmeaza: i) la depășirea de către indicatorul I a limitei maxime (/ > /y), se aplica coeficientul 2/. daca valoarea anterioara a lui / se aflase in intervalul (I_m, Im), sau valoarea 2j. in celelate cazuri posibile; ii) pentru o valoare a indicatorului sub limita minima (/ < /„,). se aplica coeficientul 2?. daca valoarea anterioara a lui / se aflase in intervalul (I_m, Im), sau valoarea λ₄, in celelate cazuri posibile.
5. 5. Sistem inteligent pentru controlul stabilitatii proceselor de strunjire. conform revendicării I.

   caracterizat prin aceea ca, valorile limita si Im, care definesc vecinătatea limitei de stabilitate, se pot modifica off-linc, fie prin invatare nesupervizata. utilizând o baza de date înregistrate pc parcursul funcționarii anterioare a sistemului, fie prin intervenția operatorului uman care deservește masina-unealta.