Замена режущего инструмента с оптимизацией в адаптивном режиме

Введение 3
1 Теоритическая часть 8
1.1 Режущий инструмент 8
1.2 Изучение методов самообучения и адаптации применительно к режущим инструмента, обзор литературы по теме 15
1.3 Разработка алгоритмов адаптации и самообучения применительно к оптимизации режима обслуживания режущих инструментов на стнках с ЧПУ. Методы и алгоритмы оценки параметров функции режущего инстрмента 23
1.4 Метод оценки состояния режущих инструментов при работе на станке с ЧПУ 25
2 Экспериментальная работа 31
2.1 Разработка алгоритмов адаптации и самообучения режима замены инструментов 31
2.2 Использование датчиков адаптивного управления для повышения качества обработки деталей на станке с ЧПУ 37
2.3 Разработка технологических систем для обработки крупногабаритных деталей на базе адаптивных станков 41
3 Охрана труда разработчика 47
3.1 Общие сведения 47
3.2 Опасные и вредные факторы, возникающие на рабочем месте 47
3.3 Требования безопасности при эксплуатации 49
3.4 Повышенное значение напряжения в электрической цепи 50
3.5 Повышенный уровень шума на рабочем месте 52
3.6 Микроклимат 52
3.7 Расчет искусственной освещенности 55
3.8 Расчет уровня шума 58
3.9 Расчёт заземления 60
4 Экономическое обоснование 65
4.1 Оценка научно-технической прогрессивности НТПр 65
4.2 Оценка новизны НТПр 66
4.3 Определение трудоемкости разработки НИР 67
4.4 Календарное планирование 68
4.5 Определение затрат, себестоимости и цены 70
4.6 Определение и оценка показателей экономической эффективности 72
Заключение 75
Список литературы 77
Приложение А - Адаптивное управление станками 80

Важнейшим достижением научно-технического прогресса является комплексная автоматизация промышленного производства. В своей высшей форме – гибком автоматизированном производстве – автоматизация предполагает функционирование многочисленных взаимосвязанных технических средств на основе программного управления и групповой автоматизации производства. В связи с созданием и использованием гибких производственных комплексов механической обработки резанием особое значение приобретают станки с числовым программным управлением (ЧПУ).
В результате замены универсального неавтоматизированного оборудования станками с ЧПУ трудоемкость изготовления деталей оказалось возможным сократить в несколько раз (до 5 – в зависимости от вида обработки и конструктивных особенностей обрабатываемых заготовок).
В условиях мелкосерийного производства обычно применяются заготовки низкой точности, получаемые литьем в землю, свободной ковкой, из проката. Для эффективного использования станков с ЧПУ при получении деталей с высокими требованиями к их точности и шероховатости необходимо создавать станки высокой точности и шероховатости.
При проектировании станков с ЧПУ конструкторы решают задачи достижения максимальной производительности, высокой точности и надежности. Наибольшее влияние на особенности конструктивного исполнения станков оказывают те решения, которые направлены на повышение производительности за счет сокращения всех составляющих затрат рабочего времени: вспомогательного, основного, подготовительно-заключительного и времени обслуживания рабочего места.
Сокращение времени, которое затрачивается на установку, закрепление заготовки, снятие обработанной детали может быть достигнуто тремя способами:
- использованием быстродействующей оснастки;
- созданием удобных условий загрузки станка;
- совмещением времени обработки со временем загрузки-разгрузки.
Сокращение времени холостых действий явилось следствием решения многих сложных конструктивных задач. В современных танках скорость перемещения рабочих органов доведена до 10–12 м/мин. Одновременно в приводах подач расширен диапазон регулирования, возросла способность работать с перегрузками, сокращено время разгона и торможения.
Основное (машинное) время может быть сокращено, если на станке выполняют резание высоким и оптимальным режимами (скоростью резания, глубиной, подачей).
Станок для реализации такого резания должен иметь высокие силовые и скоростные характеристики привода главного движения; высокие жесткость и виброустойчивость; способность изменять по программе в широких пределах, лучше всего бесступенчато, скорость шпинделя и подачу. Точность станков повышают в результате специальных конструктивных решений и более точного исполнения механической части станка. В наивысшей степени достижению точности способствует оснащение станков устройствами обратной связи.
Ряд характерных черт в конструкции станков с ЧПУ (повышенная жесткость, отсутствие зазоров в кинематических цепях, трогание рабочих узлов с места, равномерность медленных перемещений) достигается благодаря особому исполнению шпиндельных узлов, направляющих исполнительных устройств, приводов подач, соединительных муфт. Широко применяются такие механизмы как гидростатические узлы: гидростатические направляющие, гидростатические опоры шпинделя, гидростатические пары винт-гайка.
В современном приборостроении значительное внимание уделяют проблеме управления процессом резания производящихся деталей. От успешного решения этой проблемы, зависит много факторов в экономической и технологической жизни приборостроительных предприятий.
Доля отказов режущего инструмента, зависимо от условий эксплуатации, может доходить до 63% от общего числа нарушений работоспособности станков с числовым программным управлением (ЧПУ). А потери времени на выявление и ликвидацию отказов режущего инструмента составляет в среднем 10% общего времени работы станков. При этом отказ инструмента на одной позиции часто обусловливает выход из строя инструментов на следующих операциях и в большинстве случаев есть основной причиной брака продукции и отказов узлов станка [1].
Для предотвращения внезапных поломок инструмента, а также для стабилизации его износа была разработана система адаптивного управления по двум параметрам: электро-движущей силе (ЭДС) резания и силе резания.
При обработке детали резанием на инструмент воздействуют факторы различной природы: механическая нагрузка, электрические токи, вибрации, химические воздействия, упругие деформации ТОС, наростообразование. Все это приводит к интенсивному износу конструктивных элементов резца и, даже, к его поломке. Что ведет к снижению точности, качества, продуктивности или к появлению брака, что несет за собой экономические убытки и большую себестоимость обрабатываемых деталей [2].
Следовательно, для улучшения параметров качества, точности, себестоимости обрабатываемых деталей стоит использовать систему адаптивного управления режущим инструментом, непосредственно в процессе обработки, что даст возможность выявлять момент предшествующий поломке инструмента, для своевременной его замены.
Система адаптивного управления процессом резания должна обладать высокой точностью информации о зоне резания и состоянии инструмента, в реальном времени отслеживать степень износа, ЭДС пары инструмент-деталь, и силе, действующей на инструмент. Система должна работать стабильно, а также с низкой вероятностью ложной оценки состояния режущего инструмента и сбоев в системе автоматизированного контроля процесса обработки детали. Реализация данной системы должна быть таковой, чтоб ее можно было применить без особых конструктивных изменений приводов станка и технологической обрабатывающей системы (ТОС) [3].
Процесс механообработки (ПМО) сопровождается разного рода явлениями: электрическими, адгезивными, механическими, тепловыми, диффузионными и т.д., возникновение которых вызвано взаимодействием резца с заготовкой. Эти явления в большей или меньшей степени характеризуют процесс износа инструмента, и своими величинами косвенно указывают на износ и остаточную стойкость инструмента [4].
Согласно проведенным исследованиям, наиболее подходящим по информационным параметрам, на основе которых можно судить о состоянии обрабатывающего инструмента, есть ЭДС резания и сила резания.
Исходя из этого, система адаптивного управления процессом резания основана на измерении возникающих ЭДС резания и силы резания, которые возникают в процессе обработки естественным образом.
Основным параметром для контроля является ЭДС резания, что возникает вследствии повышения температуры в зоне резания, так как увеличение ЭДС свидетельствует об увеличении контакта инструмент-деталь (КИД), что в свою очередь говорит об увеличении износа инструмента.
Система адаптивного управления процессом обработки деталей имеет 2 контура контроля. Первый контур контроля является подсистемой быстрого аварийного отключения приводов станка, которая в случае превышения допустимой силы резания посылает команду на безопасный отвод резца из зоны резания и отключение приводов станка. Причиной резкого возрастания силы резания может быть предельный износ инструмента, наличие твердых включений в заготовке, или внезапное увеличение глубины резания при черновой обработке. Также причиной аварийной остановки может быть поломка инструмента. Все эти негативные воздействия с легкостью определяются и последствия их предотвращаются данной подсистемой, которая анализирует силу резания.
Второй контур является подсистемой оценки и прогнозирования износа инструмента на основе сигналов ЭДС резания. В процессе обработки измеряют сигналы термоэдс, и ЭДС упругих перемещений технологической системы, отделяют переменные и постоянные составляющие этих сигналов, при этом по постоянных составляющих формируют управляющие команды на смену режимов резания, а переменные превращают во взаимно коррелирующие функции и считывают величины этих функций, на основе которых формируют корректирующие команды на смену режимов резания и управляют приводами станка.
Переменные составляющие сигналов несут полную информацию о процессах, которые происходят в зоне резания. Возникновение и срыв нароста при резании, различные изменения в пленках, образующихся на поверхностях трения, неоднородность обрабатываемого материала, непосредственное охлаждение зоны резания в результате отдельных актов проникновения среды является одной из причин, определяющих колебания термоэдс пары КИД [5].

Общим для большинства существующих систем адаптивного управления при обработке металлических изделий на станке с ЧПУ является использование в качестве канала регулирования только привода подач. При этом по условиям требований точности обработки, особенно контурной концевыми фрезами, не полностью используется мощность привода главного движения и соответственно — потеря производительности. Наличие запаса мощности привода главного движения делает возможным и актуальным адаптивное управление динамической настройкой по двум каналам — приводу подач и приводу главного движения.
Специфика технологических процессов контурной обработки деталей на станках с ЧПУ определяет требования, предъявляемые к адаптивной системе: совмещение черновой и чистовой обработки в одной программе; выполнение черновой обработки при максимальной нагрузке на инструмент по критерию его прочности; выполнение чистовой обработки при максимальной скорости с обеспечением точности размера формируемых поверхностей деталей.
Предлагается система контроля обработки и износа режущего инструмента для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) по типу контрольной карты с оптимизацией параметров карты в адаптивном режиме. Предполагается, что износ резца оценивается по результатам замеров одной или нескольких деталей в конце обработки очередной партии. Результаты иллюстрируются на конкретном примере с использованием метода статистического моделирования процесса контроля на компьютере. Показана сходимость алгоритма адаптации к оптимуму по удельным затратам. Износ резца моделировался как случайный процесс накопления.
Использование устройства диагностики состояния режущего инструмента в системе управления процессом металлообработки позволяет повысить эффективность обработки путем сокращения машинного времени обработки на 14-40% в зависимости от конкретных условий процесса металлообработки и применяемого оборудования за счет регулирования величины рабочих подач так, чтобы мощность резания поддерживалась на заданном уровне, и своевременной замены износившегося инструмента.
Использование предлагаемого способа позволяет с высокой степенью точности по ряду параметров получить более точную информацию о скорости износа режущего инструмента в процессе обработки и тем самым наиболее полно использовать инструмент по его свойствам устойчивости, что в конечном итоге позволяет повысить производительность обработки деталей на станках с ЧПУ и снизить себестоимость обрабатываемых деталей.