Технологический процесс

Технологический процесс механической обработки рассматривается как подсистема (рис. 9.1), входом которой являются перемещения манипуляторов R_Д и R_И, а выходом - результат данных перемещений, сила резания P_рез.. Для механической обработки в качестве упрощенной модели может рассматриваться зависимость между скоростью перемещения инструмента относительно детали V_п и усилием резания P_рез.

Для оптимального управления технологической машиной как единой системой (рис. 9.1) необходимо задать критерии, характеризующие качество выполнения технологической операции. Такими критериями, например, для абразивной обработки являются шероховатость поверхности R_z, глубина прожигов поверхностного слоя обрабатываемой поверхности h_п и максимальный съем материала в направлении перемещения инструмента относительно детали Q_рез. (рис. 9.4, а). Исходным требованием к поверхности обработки является требование к шероховатости поверхности R_z и к возможным прижогам h_п, что особенно критично при обработке титановых сплавов. Данные критерии определяются в большей степени скоростью относительного перемещения инструмента и обрабатываемой детали V_П. При этом существуют ограничения скорости V_П.min и V_П.max, когда обеспечиваются допустимые h_п.min и h_п.max, R_z.min и R_z.max. Область ограничений по V_П связана с ограничениями по силе резания P_рез.min и P_рез.max. Данные ограничения обусловлены упругими допустимыми деформациями, определяемыми данными силами, и . Ограничение на P_рез. может быть определено также конструктивными допустимыми размерами, при которых наступало разрушение инструмента либо других конструкций станка.

Область накладывает ограничения на P_рез. и V_П с целью обеспечения качества, точности и прочности конструкции. Однако в области D_max существует область, в которой обеспечивается максимальный съем материала, что тождественно мощности, затрачиваемой на резание

( 9.1)

Рис. 9.4.

На рисунке 9.4 Q_рез. представляет поверхность 1, которая описывается уравнением (9.1). Так как Q_рез. имеет максимум на границе зоны (2, рис. 9.4), то область D (рис. 9.4, б) является той областью изменения , где обеспечивается требуемое качество, точность и максимальная производительность.

На рисунке 9.4, б) приведены области изменения P_рез. и V_П равные соответственно составляющим силы P_рез. и скорости V_п в направлении движения инструмента относительно детали и обеспечивающие требуемую шероховатость поверхности (R_z), глубину прижогов (h_п) обрабатываемого поверхностного слоя и упругие допустимые деформации от действия силы резания. Нахождение P_рез. и V_П в области D дополнительно к требуемому качеству обеспечивает максимальный съем материала в единицу времени Q_рез.max. Данная область ограничена погрешностью измерения P_рез. и V_п. Поэтому управление исполнительными приводами манипуляторов перемещения инструмента и детали осуществляется таким образом, чтобы находиться в области , так как в этом случае обеспечивается требуемое качество поверхности после обработки и максимальная производительность.

Система управления

Система управления робота-станка (рис. 8.3) построена на базе встроенного персонального компьютера, выполняющего в реальном масштабе времени следующие операции:

· планирование траекторий перемещения манипуляторов на основе данных с чертежа поверхности;

· управление исполнительными приводами;

· обработка информации с датчиков перемещения манипуляторов;

· обработка информации с системы контроля геометрических размеров обрабатываемой поверхности и коррекция траектории перемещения манипуляторов.

Для формирования траектории перемещения инструмента необходимо иметь описание обрабатываемой поверхности. Так, для описания поверхности пера лопаток турбин, задаваемых координатами опорных точек, используются в зависимости от требуемой точности либо сплайн-функции, либо многомерные полиномы [ 9.3 ] . В случае использования полинома второго порядка двух переменных независимо от типа полинома описание приводится к степенному ряду двух переменных

y_д=A₁z_д²x_д²+A₂z_д²x_д+A₃z_дx_д²+A₄z_д²+A₅x_д²+A₆z_дx_д+A₇z_д+A₈x_д+A₉, (9.2)

где коэффициенты A_k вычисляются через постоянные коэффициенты описываемого полинома. Полное представление сложной поверхности координатамиопорных точек, а также методика описания поверхности рассмотрены в лекции 11. Для автоматизированного программирования траектории перемещения инструмента по данным с чертежа обрабатываемой поверхности разработана применительно для IBM РС Система Автоматизированного Программирования (САП).

Управление исполнительными приводами в первую очередь состоит в решении обратной задачи о положениях, которая для механизмов относительного манипулирования представляет определение обобщенных координат манипуляторов детали q_д и инструмента q_и по информации о перемещении инструмента относительно детали (рис. 9.1).

При обработке поверхности программная траектория перемещения инструмента относительно обрабатываемого изделия для каждой i -й точки поверхности задается элементами матрицы [4 x 4]^дA_i, которая определяет положение режущей кромки инструмента в системе координат (X,Y,Z)_д (рис. 9.5).

Рис. 9.5.

Для вывода уравнений кинематики и динамики механизмов используется аппарат однородных матриц и матричных преобразований, предложенных Ж.Денавитом и Р.Хартенбергом [ 9.4 ] . Основой данного математического аппарата являются матрицы [4 x 4], описывающие преобразование координат из одной системы (k+1) в другую (k)

где

- подматрица направляющих косинусов, или матрица поворота осей системы координат (XYZ)_k+1 относительно осей (XYZ)_k ;

^kR_k+1=[x_k+1y_k+1z_k+1]^T - вектор, определяющий положение точки 0_k+1 в системе координат XYZ_k ;

0^T - подматрица преобразования перспективы;

1 - глобальный масштабирующий множитель.

Перемещение выходного звена манипулятора определяется положением системы координат (XYZ)_д в неподвижной системе координат (XYZ)₀, представляемой матрицей [4 x 4]^OA_д (рис. 9.3). Математически условие обработки поверхности состоит в обеспечении фундаментального матричного уравнения для каждой точки ( i -й) траектории движения инструмента относительно детали

⁰A_i(q_и)=⁰A_д(q_д)^дA_i,

которое преобразуется к виду

(⁰A_д(q_д))^-1*⁰A_i(q_и)=^дA_i. (9.4)

Приравнивая три элемента 4-го столбца и три элемента, не принадлежащие одной строке и одному столбцу из 1-го, 2-го и 3-го столбца, в левой и правой частях уравнения (9.4), получим систему из шести уравнений

F(q_и, q_д)=U, (9.5)

которая является исходной системой и ее решение относительно q_и и q_д должно быть заложено в системе управления. Решение данного трансцендентного уравнения в явном виде определяется видом уравнения. В лекции 10 решение данного уравнения рассмотрено в линейном виде, когда в каждый момент времени рассчитываются приращения обобщенных координат, которые последовательно прибавляются к начальному значению.

Система оптического контроля геометрии поверхностей сложной формы, разработанная в НПО"Луч", предназначена для определения отклонений параметров обрабатываемой поверхности от заданных и отслеживания ее качества. Блок-схема системы управления робота-станка, включающая систему контроля поверхности, приведена на рисунке 9.6, где система планирования траектории на основе данных чертежа и реальных геометрических размеров обработанной поверхности формирует промежуточные координаты R_прог.. Система управления манипуляторами на основе R_прог. формирует управляемые координаты на исполнительные приводы q_и и q_д и осуществляет управление приводами.

Проектирование технологических машин нового поколения для обработки сложных поверхностей включает следующие основные этапы:

Рис. 9.6.Система управления манипуляторами

· Выбор кинематической схемы технологической машины на основе функционального назначения манипуляторов, обеспечивающих требуемые перемещения инструмента относительно детали и независимые транспортные перемещения детали и инструмента.

· Проектирование системы управления на базе универсальной ЭВМ, имеющей необходимый объем памяти для планирования траекторий перемещения манипуляторов и обеспечения управления приводами по информации с датчиков положения манипуляторов.

· Синтез управления исполнительными приводами с учетом технологического процесса как элемента системы.

· Разработка программного обеспечения и планирование траекторий перемещения манипуляторов, в целях получения требуемых показателей качества.

Технологические машины, построенные на механизмах относительного манипулирования и оснащенные современными управляющими вычислительными системами, позволяют выполнять механическую обработку деталей со сложными поверхностями, имеют существенно меньшую металлоемкость в сравнении с оборудованием, применяемым в настоящее время для этих целей, позволяют одними и теми же механизмами выполнять транспортные и обрабатывающие операции.