RO128669B1 - Metodă pentru controlul inteligent al stabilităţii proceselor de strunjire - Google Patents

Description

Invenția se referă la o metodă de control on-line al stabilității procesului de strunjire, astfel încât, în fiecare moment, viteza de așchiere să aibă valoarea maximă pentru care procesul de așchiere este stabil, iar cerințele tehnice privind produsul, scula așchietoare și mașina-unealtă sunt satisfăcute. Astfel, prin aplicarea metodei de control on-line al stabilității procesului de strunjire, productivitatea obținută va fi cea maximum posibilă. Acest lucru se realizează indiferent dacă, pe parcursul desfășurării operației de strunjire, au loc modificări bruște sau variații continue ale caracteristicilor mașinii, sculei așchietoare, piesei sau materialului prelucrat.

Metoda poate fi aplicată la strungurile cu comandă numerică de tip actual, care permit modificarea vitezei de așchiere în timpul procesului de prelucrare. Metoda nu necesită modificarea structurii mecanice și de acționare a mașinii.

Sunt cunoscute metode de control al stabilității proceselor de așchiere, care se bazează, în principiu, pe două abordări:

- controlul off-line, pe baza predicției riscului de apariție a vibrațiilor autoexcitate;

- controlul on-line, pe baza detecției vibrațiilor, după ce acestea au apărut, urmată de eliminarea lor.

în prima abordare, controlul constă în programarea unei valori constante și suficient de reduse a vitezei de așchiere, astfel încât procesul de prelucrare să rămână permanent stabil, chiar și în zonele cu risc maxim de instabilitate. Evident că în celelalte zone valoarea vitezei este mai mică decât valoarea maximă pentru care cerințele tehnice privind produsul, scula așchietoare și mașina-unealtă sunt satisfăcute.

în a doua abordare se utilizează senzori care, după apariția vibrației autoexcitate, comandă reducerea valorii vitezei de așchiere până la dispariția vibrației, urmată de menținerea în continuare a respectivei valori a vitezei. Și în această situație, în multe zone ale traiectoriei sculei, valoarea vitezei este mai mică decât valoarea maximă pentru care cerințele tehnice privind produsul, scula așchietoare și mașina-unealtă sunt satisfăcute.

Metodele actuale de control al stabilității au următoarele dezavantaje importante:

- ca urmare a controlului stabilității procesului de prelucrare, productivitatea acestuia este diminuată în raport cu valoarea maximă posibilă;

- stabilizarea se realizează numai după ce au apărut deja vibrațiile autoexcitate și au produs efectele negative specifice;

- perturbațiile, care apar inerent pe parcursul prelucrării, precum și variațiile continue ale dinamicii mașinii, atunci când scula așchietoare se deplasează în lungul traiectoriei programate, sunt ignorate în predicția riscului de apariție a vibrațiilor autoexcitate.

în afara acestor abordări, se cunosc și alte soluții tehnice, cum ar fii spre exemplu oscilația permanentă a valorii vitezei mișcării principale, utilizarea unor portscule oscilante sau a unor sisteme active de compensare. Dificultățile legate de complexitatea sistemului de prelucrare fac ca aceste metode să fie greu de implementat în practica industrială.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în aducerea în fiecare moment, în mod automat, a vitezei de așchiere la valoarea maximă posibilă pentru care vibrațiile autoexcitate nu au apărut încă, în condițiile satisfacerii cerințelor tehnice privind produsul, scula așchietoare și mașina-unealtă. Acest aspect trebuie îndeplinit indiferent dacă pe parcursul desfășurării fazelor operației de strunjire au loc modificări bruște sau variații continue ale caracteristicilor mașinii, sculei așchietoare, piesei sau materialului prelucrat.

Metoda pentru controlul inteligent al stabilității procesului de strunjire, potrivit invenției, rezolvă problema tehnică enunțată mai sus prin aceea că, în momentul în care vibrația autoexcitată este iminentă, dar nu a apărut încă, viteza de așchiere este adusă la valoarea maximă pentru care este evitată apariția vibrației, iar în momentul în care vibrația

RO 128669 Β1 autoexcitată nu este iminentă, viteza de așchiere este adusă la valoarea maximă permisă 1 de cerințele tehnice de prelucrare, consemnată în programul-piesă. Conform metodei, atunci când vibrația este iminentă sau nu este sesizată prin procesarea semnalului oferit de o 3 marcă tensometrică fixată pe portcuțit, metoda constă în parcurgerea etapelor tehnice prezentate în continuare: 5

1. se aplică pe portcuțit o marcă tensometrică ce furnizează un semnal analog (fig. 1);

2. marca tensometrică se conectează la un sistem de achiziții de date, care citește 7 valorile semnalului transmis de aceasta, cu o frecvență de minimum 9600 scanări/s, și furnizează forma digitală a semnalului citit; 9

3. se conectează un PC industrial cu sistemul de achiziții de date, pe de-o parte, și cu echipamentul de comandă numerică a strungului, prin intermediul unui server de date 11 OPC, pe de altă parte (fig. 4). Pe PC se încarcă o aplicație pentru controlul stabilității, scrisă în VC++, care implementează schema de ajustare a vitezei, prezentată în fig. 3, prin 13 parcurgerea următorilor pași:

3.1. semnalul furnizat de marca tensometrică este înregistrat, i se elimină 15 componenta lent variabilă în timp, după care este scalat;

3.2. semnalul este transmis apoi unui buffer ce reține în permanență o serie de timp 17 formată din ultimele N = 256 de valori succesive ale semnalului;

3.3. seria de timp curentă din buffer (numerotată cu k) este preluată și i se aplică 19 transformata Fourier rapidă (FFT), după care i se evaluează indicatorul l_k, definit ca raport între cea mai mare dintre amplitudinile transformatei Fourier și media amplitudinilor acestei 21 transformate;

3.4. valoarea indicatorului l_k este comparată cu două valori-limită, una superioară, 23 l_M = 1,5, și alta inferioară, l_m = 1,2. Atingerea valorii-limită superioare, l_M, arată că există risc iminent de apariție a vibrațiilor, în timp ce atingerea valorii-limită inferioare, l_m, arată că nu 25 exista risc iminent de apariție a vibrațiilor;

3.5. atunci când valoarea curentă a indicatorului depășește limitele intervalului27 [l_m, l_M], viteza de așchiere (respectiv, turației piesei, n) este ajustată prin aducerea sa la o valoare egală cu produsul dintre un coeficient de corecție λ și valoarea curentă, unde λ ia29 una dintre următoarele patru valori posibile: λ_ή = 0,7, λ₂ = 0,85, λ₃= 1,2 și λ₄= 1,1. Selectarea valorii lui λ se face în funcție atât de valoarea curentă a indicatorului, l_k, cât și de valoarea31 sa precedentă, Ι_Μ (calculată pentru seria de timp k-1), după cum urmează: dacă l_k> l_M, atunci λ = λ_ή (atunci când l_m < Ι_Μ < l_M) sau λ = λ₂ (atunci când Ι_Μ > l_M), iar dacă l_k < l_m, λ = λ₃33 (atunci când l_m< Ι_Μ < l_M) sau λ = λ₄ (atunci când Ι_Μ < l_m), fig. 3;

4. pe toată durata operației de prelucrare, se controlează stabilitatea procesului prin35 aceea că, după fiecare ajustare a vitezei, se reia parcurgerea buclei formată din pașii 3.3...3.5.37

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- strungul funcționează în permanență în regim stabil, și, concomitent, cu produc- 39 tivitate maximă, prin aceasta folosindu-se întreaga capacitate a mașinii (prelucrare cu viteză de așchiere maximum posibilă în condiții de stabilitate);41

- sunt evitate efectele nedorite ale instabilității, metoda de control al stabilității, potrivit invenției, permițând o reacție precoce, care precede apariția vibrațiilor autoexcitate;43

- aplicarea metodei de control al stabilității păstrează modul de întocmire a programului-piesă;45

- parametrii de calitate (rugozitatea suprafeței prelucrate) se mențin în limitele prevăzute în specificații, întrucât modificarea turației se face într-o vecinătate a valorii 47 programate;

RO 128669 Β1

- metoda poate fi implementată cu costuri rezonabile pe actuala generație de strunguri cu comandă numerică;

- strategia pe baza căreia funcționează metoda și schema de ajustare a regimului de așchiere nu sunt legate nemijlocit de procesul de strunjire și, prin urmare, ar putea fi aplicate și pentru controlul stabilității în cazul altor procese de prelucrare (frezare, găurire, rectificare).

în continuare, se prezintă un exemplu de aplicare a invenției în legătură cu fig. 1 ...6, unde:

-fig. 1 prezintă schema de interconectare dintre strung, marca tensometrică, sistemul de control al stabilității (sistem de achiziții de date și PC) și comanda numerică;

- fig. 2 prezintă schematic strategia pe baza căreia funcționează metoda de control inteligent al stabilității;

- fig. 3 prezintă schema de ajustare a vitezei (turației) piesei;

- fig. 4 prezintă structura sistemului inteligent de control al stabilității, utilizat în exemplul de aplicare a metodei;

- fig. 5 prezintă forma și dimensiunile piesei utilizate pentru testarea experimentală a metodei de control, potrivit invenției, unde t reprezintă avansul radial al sculei între două treceri consecutive, iar A - amplitudinea traiectoriei sinusoidale după care se deplasează cuțitul;

- fig. 6 prezintă: a - setul curbelor de variație a indicatorului I, iar b - setul curbelor de variație a vitezei de așchiere v. în ambele seturi prima curbă, Series 1, caracterizează procesul instabil (prima trecere), a doua curbă, Series 2 - procesul stabilizat prin reducerea vitezei de așchiere (a doua trecere), iar a treia curbă, Series 3, procesul stabilizat prin utilizarea metodei pentru controlul stabilității potrivit invenției (a treia trecere).

în acest exemplu de aplicare a invenției, comanda numerică a strungului pe care se implementează metoda este una de tip avansat, cu următoarele particularități (fig. 4):

- sculele sunt fixate pe o masă rotativă, care se poate roti în timpului strunjirii, în vederea ajustării în timp real a unghiului de atac al sculei (axa de rotație a mesei este notată cu B);

- la citirea unei faze de lucru, echipamentul de comandă numerică secvențiază această fază, după cum urmează: i) secvențiază traiectoria sculei, rezultând fișierul de comandă *.lsta, cu componentele x, z, b, c (ce reprezintă coordonatele punctului curent pe axele X, Z, B și C - axa de rotație a piesei), și dt (secvența de timp), și în același timp ii) secvențiază „traiectoria regimului de lucru, cu componentele v,, s,, r_med și dt (unde v, este viteza de așchiere, și - avansul, iar r_med - raza la vârful sculei), care, prin valorile secvențelor de timp dt, este corelată cu traiectoria sculei. Rezultatul acestei secvențieri a comenzii este transmis serverului de date OPC și, mai departe, sistemului de comandă numerică, ce comandă în consecință axele de lucru.

Aceste particularități nu sunt relevante pentru aplicarea metodei, dar prezentarea lor este necesară pentru a se înțelege exemplul de aplicare.

în acest exemplu de aplicare se utilizează un cuțit Hoffmann - Garant de exterior, de tipul MVJN R25, prevăzut cu plăcute schimbabile de tipul VNMG160408 VM, HB7135. Pe portcuțit sunt aplicate două mărci tensometrice, în semipunte, iar semnalul de la acestea este achiziționat cu ajutorul unui sistem Quantum (Hottinger Baldwin Messtechnik). Frecvența de achiziție a datelor este de 9600 scanări/s, valorile fiind înregistrate într-un fișier, având N = 256 de valori pentru fiecare secvență de comandă. Echipamentul de calcul utilizat este un PC industrial cu procesor de tip Pentium II, pe care se încarcă aplicația de secvențiere a programului-piesă, scrisă în MatLab, și aplicația de control al stabilității („stabilitate.exe), scrisă în VC++.

RO 128669 Β1

Acest exemplu de aplicare a invenției a fost validat pe o piesă-test, confecționată din 1 oțel carbon de calitate, cu 0,45% C, având generatoarea sinusoidală și dimensiunile inițiale specificate în fig. 5. După o strunjire inițială, destinată doar obținerii unei generatoare 3 sinusoidale de pornire, au fost efectuate trei treceri succesive, de fiecare dată generatoarea având aceeași formă (definită prin amplitudinea A = 0,5 mm și lungimea de undă 5 λ = 20 mm). între traiectoriile a două treceri consecutive s-a introdus însă, de fiecare dată, un decalaj de fază de 180°, ceea ce a condus la o variație continuă a grosimii stratului de 7 material detașat, între limitele t_min = t-2Așit_max = t + 2A (1)

Această variație a avut drept scop să forțeze tranziția procesului de strunjire de la stabil la instabil și invers, pe parcursul aceleiași prelucrări. în relația (1), t reprezintă avansul 13 radial al sculei între două treceri consecutive. Cele trei treceri succesive au fost realizate cu același avans longitudinal (0,2 mm/rot), dar modificând turația piesei, după cum urmează: 15

- la prima trecere, turația a fost constantă și a avut valoarea recomandată în cazul unei grosimi constante t a stratului de material detașat, fără a se utiliza sistemul de control 17 al stabilității;

- la a doua trecere, turația a fost constantă și a avut valoarea recomandată în cazul19 unei grosimi constante t_max a stratului de material detașat, fără a se utiliza metoda de control al stabilității;21

- la a treia trecere, turația a fost variabilă, după cum a impus-o metoda de control al stabilității.23

Efectele utilizării metodei pentru controlul inteligent al stabilității sunt evidențiate în formă grafică în fig. 6, unde se pot remarca: i) o creștere substanțială a vitezei de așchiere 25 față de cazul stabilizării obținute prin reducerea intensității regimului de așchiere, respectiv ii) un proces complet lipsit de vibrații, față de cazul în care variația grosimii stratului de 27 material detașat a dus, în absența controlului stabilității, la apariția vibrațiilor autoexcitate.

Pentru evaluarea cantitativă a eficienței sistemului inteligent pentru controlul 29 stabilității, potrivit invenției, a fost definit indicatorul ICP, Indicator de creștere a productivității, ce are expresia: 31

100[%] (2) în relația (2), m reprezintă numărul de cicluri de așchiere (rotații) considerate, , 37 și s_t - valorile programate ale vitezei de așchiere, respectiv, avansului, în cazul regimului stabilizat prin reducerea regimului de așchiere, iarv_at și s_ak - valorile vitezei de așchiere, 39 respectiv, avansului, ajustate de sistemul de control al stabilității, toate patru pentru același punct curent k de pe generatoare. Pentru cazul piesei-test descrise mai sus, productivitatea 41 a crescut cu ICP = 129,8 %, ceea ce demonstrează importantul potențial de creștere a productivității, prin utilizarea metodei pentru controlul inteligent al stabilității. 43

Claims (1)

1. Revendicare

   Metodă pentru controlul inteligent al stabilității procesului de strunjire, caracterizată prin aceea că semnalul analog, furnizat pe parcursul prelucrării de o marcă tensometrică aplicată pe portsculă, este citit cu o frecvență minimă de 9600 scanări/s de către un sistem de achiziții de date, digitalizat și transmis unui PC industrial, care, după procesarea semnalului, comunică echipamentului de comandă numerică al strungului, prin intermediul unui server de date OPC, comenzile necesare pentru aducerea în fiecare moment și în mod automat a valorii vitezei de așchiere la valoarea maximă pentru care, pe de-o parte, procesul nu este afectat de vibrații autoexcitate, și, pe de altă parte, cerințele tehnice privind produsul, scula așchietoare și mașina-unealtă sunt satisfăcute, și prin aceea că, în prima etapă, semnalul furnizat de marca tensometrică este înregistrat, i se elimină componenta lent variabilă în timp, după care este scalat, și prin aceea că, în a doua etapă, semnalul este transmis unui buffer ce reține în permanență o serie de timp formată din ultimele N = 256 de valori succesive ale semnalului, și prin aceea că, în a treia etapă, seria de timp curentă din buffer (numerotată cu k) este preluată și i se aplică transformata Fourier rapidă (FFT), după care i se evaluează indicatorul l_k, definit ca raport între cea mai mare dintre amplitudinile transformatei Fourier și media amplitudinilor acestei transformate, și prin aceea că, în a patra etapă, valoarea curentă a indicatorului l_k este comparată cu două valori-limită, una inferioară, l_m = 1,2, și alta superioară, l_M = 1,5, precum și prin aceea că, în a cincea etapă, în cazul în care valoarea curentă a indicatorului depășește limitele intervalului [l_m...l_M], se ajustează valoarea vitezei de așchiere (respectiv, turației piesei, n) prin aducerea sa la o valoare egală cu produsul dintre un coeficient de corecție λ și valoarea curentă, unde λ ia una dintre următoarele patru valori posibile: λ_ή = 0,7, λ₂ = 0,85, λ₃ = 1,2 și λ₄ = 1,1, selectarea valorii lui λ făcându-se în funcție atât de valoarea curentă a indicatorului, l_k, cât și de valoarea precedentă, l_k4 (calculată pentru seria de timp k-1), după cum urmează: dacă l_k > l_M, atunci λ = λ_ή (atunci când l_m < Ι_Μ < l_M) sau λ = λ₂ (atunci când Ι_Μ > I_M), iar dacă l_k < l_m, λ = λ₃ (atunci când l_m < Ι_Μ < l_M) sau λ = λ₄ (atunci când Ι_Μ < l_m), după fiecare ajustare a vitezei reluându-se parcurgerea buclei, formată din etapele trei, patru și cinci, pe toata durata procesului de prelucrare.