Разработка и анализ системы автоматической стабилизации усилия резания для шлифовального станка

В мире, где точность и эффективность производства определяют конкурентоспособность, роль шлифовальных станков трудно переоценить. Сегодня порядка 20% общего парка металлорежущих станков приходится на шлифовальные агрегаты, а в массовом производстве эта доля может достигать поразительных 60%. Это свидетельствует о критической важности шлифования для достижения высоких стандартов качества поверхности и точности размеров, особенно при работе с хрупкими и труднообрабатываемыми материалами, такими как те, что используются в электронной и вычислительной технике. Однако процесс шлифования, несмотря на его кажущуюся простоту, подвержен множеству факторов, влияющих на усилие резания, что, в свою очередь, напрямую сказывается на качестве обрабатываемой поверхности, точности геометрии детали и, конечно же, на производительности и экономичности процесса.

Нестабильность усилия резания может привести к таким нежелательным явлениям, как упругие отжатия в технологической системе, повышенный износ инструмента, появление дефектов поверхности, таких как прижоги и трещины, а также к снижению точности обработки. В условиях возрастающих требований к качеству и автоматизации производства, ручное или полуавтоматическое управление процессом становится неэффективным. Именно поэтому разработка систем автоматической стабилизации усилия резания (САР УР) для шлифовальных станков приобретает особую актуальность, ведь только она способна гарантировать стабильность и предсказуемость результата.

Цель данной курсовой работы — провести комплексный анализ и разработать теоретические основы для создания эффективной системы автоматической стабилизации усилия резания на шлифовальном станке. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

  1. Рассмотреть сущность и особенности процесса шлифования, его классификацию и кинематику.
  2. Детально изучить составляющие силы резания, факторы, влияющие на их величину, и существующие математические модели.
  3. Изложить принципы построения САР, их классификацию и специфику применения в шлифовании, включая адаптивные системы.
  4. Проанализировать методы измерения и регулирования усилия резания, включая различные типы датчиков и законы регулирования.
  5. Изучить современные тенденции в реализации САР, в частности, с использованием ПЛК и сервоприводов, а также перспективные направления.
  6. Обосновать экономический эффект и технологические преимущества внедрения САР УР.

Данная работа предназначена для студентов технических вузов, обучающихся по специальностям, связанным с автоматизацией технологических процессов, мехатроникой, робототехникой, электроприводом и машиностроением, предоставляя им глубокие теоретические знания и практические подходы к решению актуальных инженерных задач.

Теоретические основы процесса шлифования

Процесс шлифования, являясь одним из наиболее распространенных видов механической обработки, представляет собой вершину точности и финишной отделки в машиностроении. Его уникальность заключается в использовании абразивных инструментов, содержащих бесчисленное множество микроскопических режущих зерен, способных снимать минимальные припуски с высокой чистотой поверхности. Для понимания работы системы автоматической стабилизации усилия резания необходимо глубоко погрузиться в суть этого процесса, его разнообразие и механизмы.

Определение и виды шлифования

Шлифование — это не просто механическая обработка, а высокоточный технологический процесс резания, где в качестве режущего элемента выступают абразивные зерна, объединенные в абразивный инструмент (шлифовальный круг, брусок, лента). Эти зерна, как правило, состоят из минералов или сверхтвердых материалов, таких как корунд, карбид кремния, эльбор или алмаз. Ключевая особенность шлифования заключается в малом сечении снимаемого слоя металла каждым отдельным зерном, что обеспечивает низкие шероховатости и высокую точность обработки.

В зависимости от формы обрабатываемой поверхности и кинематики движения, шлифовальные станки подразделяются на множество видов:

  • Поверхностные (плоскошлифовальные): предназначены для обработки плоских поверхностей. Различают станки с прямоугольным и круглым столом, с горизонтальным или вертикальным шпинделем. ГОСТ 13135-90 регулирует нормы точности для плоскошлифовальных станков с прямоугольным столом.
  • Цилиндрические (круглошлифовальные): используются для обработки наружных и внутренних цилиндрических, а также конических поверхностей. Разделяются на наружношлифовальные и внутришлифовальные. ГОСТ 11654-90 (СТ СЭВ 5940-87) определяет классы точности П, В, А и С для круглошлифовальных станков.
  • Бесцентровошлифовальные: применяются для высокопроизводительной обработки наружных цилиндрических поверхностей деталей, не имеющих центровых отверстий (например, валиков, осей). Деталь поддерживается ведущим кругом и опорным ножом. ГОСТ 13510-93 ИСО 3875-90 устанавливает нормы точности для бесцентровых круглошлифовальных станков-полуавтоматов.
  • Резьбошлифовальные: служат для точного шлифования резьбы.
  • Координатно-шлифовальные: обладают высокой точностью позиционирования и применяются для обработки отверстий и контуров по заданным координатам.
  • Обдирочно-шлифовальные: используются для черновых операций, таких как удаление облоя и заусенцев.
  • Хонинговальные: предназначены для финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей, обеспечивая высокую точность и низкую шероховатость.
  • Профильно-шлифовальные: обеспечивают шлифование сложных профилей, часто оснащаются оптическими устройствами или ЧПУ. Их нормы точности регулируются ГОСТ 9735-87, который устанавливает классы точности П, В и А.

В производстве электронной и вычислительной техники, где детали часто изготавливаются из хрупких, труднообрабатываемых магнитных и керамических материалов, только абразивная обработка позволяет добиться необходимых параметров.

Классификация шлифовальных станков

Помимо видовой классификации, шлифовальные станки подразделяются по нескольким другим критериям, что позволяет более точно определить их назначение и возможности.

1. По степени универсальности:

  • Универсальная техника: предназначена для изготовления единичных или мелкосерийных элементов. Обладают широким диапазоном настроек и приспособлений.
  • Специализированные станки: ориентированы на обработку однотипных товаров различного размера в больших количествах. Примером могут служить станки для шлифования коленчатых валов или зубчатых колес.
  • Стандартное (специальное) оборудование: применяется для шлифовки элементов одного размера и типа на массовом производстве, обеспечивая максимальную производительность и минимальное время переналадки.

2. По весу:

  • Легкие: до 1 тонны. Обычно это настольные или малогабаритные станки.
  • Средние: до 10 тонн. Наиболее распространенный класс, включающий большинство универсальных и специализированных станков.
  • Тяжелые: от 10 до 100 тонн. Применяются для обработки крупных заготовок.
  • Особо тяжелые: более 100 тонн. Используются для уникальных, крупногабаритных деталей, например, в тяжелом машиностроении или энергетике.

3. По классам точности (согласно ГОСТам):
Точность — это один из ключевых параметров шлифовальных станков, определяющий их применимость для различных производственных задач. ГОСТы устанавливают следующие классы точности:

  • Н (Нормальная)
  • П (Увеличенная или Повышенная)
  • В (Высокая)
  • А (Особо высокая или Максимально высокая)
  • С (Сверхточная)

Конкретные ГОСТы детализируют нормы точности для различных типов шлифовальных станков. Например:

  • ГОСТ 9735-87 для профильно-шлифовальных станков определяет классы точности П, В, А.
  • ГОСТ 11654-90 (СТ СЭВ 5940-87) для круглошлифовальных станков устанавливает классы П, В, А, С.
  • ГОСТ 13510-93 ИСО 3875-90 для бесцентровых круглошлифовальных станков-полуавтоматов — классы П, В, А.
  • ГОСТ 13135-90 для плоскошлифовальных станков с прямоугольным столом.

Выбор станка по классу точности зависит от требуемых параметров детали и экономических соображений.

Кинематика процесса шлифования

Кинематика шлифования — это совокупность движений, которые совершают шлифовальный круг и обрабатываемая заготовка для обеспечения процесса резания. Она определяет траекторию движения режущих зерен относительно поверхности детали и, как следствие, качество и точность обработки.

На всех типах шлифовальных станков основным движением резания является вращательное движение шлифовального круга от индивидуального привода. Скорость этого движения (скорость резания) является одним из важнейших технологических параметров.

Движения подачи, которые обеспечивают съем материала и формирование поверхности, могут совершать как заготовка, так и сам шлифовальный круг:

  • Продольное перемещение стола (заготовки): Обычно осуществляется от гидропривода или электромеханического привода, обеспечивая перемещение заготовки вдоль оси шлифования.
  • Вращение обрабатываемой заготовки или стола: Отдельный привод обеспечивает вращение заготовки (при круглошлифовании) или круглого стола (при плоскошлифовании торцом круга).
  • Поперечная подача шлифовального круга или заготовки: Это движение, направленное перпендикулярно оси шлифования, обеспечивает припуск на съем материала. Может быть электромеханической или гидравлической, непрерывной или прерывистой (врезной).
  • Подача круга на глубину: Механическое или гидравлическое движение, задающее глубину резания.
  • Правка круга: Важный технологический процесс, осуществляемый ручным, гидравлическим или электромеханическим способом. Правка восстанавливает режущие свойства круга и его геометрическую форму, компенсируя износ и засаливание.

Основные кинематические цепи шлифовальных станков, таким образом, включают в себя:

  1. Привод главного движения: Вращение шлифовального круга.
  2. Приводы подач:
    • Продольная подача заготовки/стола.
    • Поперечная (врезная) подача круга/заготовки.
    • Радиальная подача (на глубину).
  3. Привод вращения заготовки (для круглошлифовальных станков).
  4. Механизмы правки круга.

Грамотное управление этими кинематическими цепями, особенно движениями подачи, является ключом к реализации эффективной системы автоматической стабилизации усилия резания, которая будет компенсировать возмущения и обеспечивать стабильность технологического процесса.

Силы резания при шлифовании: анализ факторов и математические модели

Процесс шлифования, несмотря на микронные размеры снимаемого слоя, сопровождается значительными механическими нагрузками. Понимание природы и величины сил резания имеет фундаментальное значение для проектирования станков, выбора режимов обработки и, что особенно важно для данной работы, для разработки эффективных систем автоматической стабилизации.

Составляющие силы резания и их значение

При шлифовании, как и при любом процессе механической обработки, суммарная сила резания R раскладывается на три взаимно перпендикулярные составляющие, действующие в зоне контакта инструмента и заготовки:

  • Тангенциальная сила (Pz): Направлена по касательной к поверхности обрабатываемой детали, в сторону главного движения резания (вращения шлифовального круга). Эта сила является основной и определяет мощность, потребную для привода главного движения шлифовального круга. Ее величина непосредственно связана с затратами энергии на процесс резания.
  • Радиальная сила (Py): Направлена перпендикулярно к поверхности обрабатываемой детали, радиально к оси шлифовального круга. Эта сила вызывает упругие отжатия (деформации) в элементах технологической системы — заготовке, инструменте, приспособлении, элементах станка. Величина Py критически влияет на точность обработки, поскольку эти отжатия приводят к отклонениям от заданной геометрии. Она также является реакцией детали против стремления круга вдавить зерно в тело обрабатываемой детали, сжать или согнуть обрабатываемую деталь под действием поперечной подачи.
  • Осевая сила (Px): Направлена параллельно оси вращения шлифовального круга, вдоль продольной подачи. Эта сила значительно меньше тангенциальной и радиальной составляющих и обычно составляет Px = (0.1–0.2)Pz. Она необходима для осуществления продольной подачи круга или детали.

Экспериментально установлено, что при шлифовании радиальная сила Py часто превышает тангенциальную Pz, составляя Py = (1…3)Pz. Это существенно отличает шлифование от других видов механической обработки (точение, сверление, фрезерование), где тангенциальная сила, как правило, доминирует. Причиной такого соотношения являются чрезвычайно большие удельные силы резания при шлифовании (p = 100…200 ГПа), что в десятки раз выше, чем при других видах обработки. Эти колоссальные удельные силы объясняются, с одной стороны, микроскопически малым сечением срезаемого слоя каждым абразивным зерном, а с другой — наличием отрицательных передних углов у большинства режущих зерен круга, что увеличивает деформацию материала и трение.

Таким образом, для САР усилия резания наиболее критичными являются тангенциальная (Pz) и радиальная (Py) составляющие, поскольку первая определяет энергозатраты и производительность, а вторая — точность и качество обработанной поверхности. Зачем детально изучать это соотношение? Потому что понимание этих различий позволяет инженерам более точно настраивать параметры шлифования, оптимизируя процесс и избегая дорогостоящих ошибок, ведь неверное управление Py может привести к браку даже при идеальном контроле Pz.

Факторы, влияющие на усилие резания

Величина силы резания при шлифовании не является постоянной и зависит от множества взаимосвязанных факторов, которые можно разделить на несколько групп:

1. Параметры режима резания:

  • Скорость движения детали (подача заготовки): С увеличением скорости движения детали сила Pz возрастает. Это объясняется увеличением объема снимаемого материала в единицу времени.
  • Величина подачи: При увеличении подачи в 2 раза, сила резания возрастает примерно в 1.7 раза. Этот фактор напрямую влияет на толщину срезаемого слоя.
  • Глубина шлифования (глубина резания): При увеличении глубины резания в 2 раза, сила резания повышается приблизительно в 2 раза. Это один из наиболее значимых факторов, определяющих объем снимаемого материала.
  • Скорость резания (скорость вращения шлифовального круга): Влияет на условия деформации и трения. Обычно повышение скорости резания до определенного предела приводит к уменьшению силы резания за счет более эффективного съема стружки.
  • Ширина шлифования: Увеличение ширины контакта между кругом и заготовкой увеличивает количество одновременно работающих зерен, что прямо пропорционально увеличивает силу резания.

2. Свойства обрабатываемого материала:

  • Прочность, твердость, пластичность: Более прочные, твердые и менее пластичные материалы требуют больших усилий для съема материала. Например, обработка закаленных сталей или керамики будет сопровождаться значительно большими силами резания, чем обработка мягких металлов.
  • Группа обрабатываемости материала: Классификация материалов по обрабатываемости также косвенно учитывает их физико-механические свойства.

3. Характеристики шлифовального круга:

  • Количество режущих зерен, одновременно участвующих в работе: Чем больше зерен активно режут, тем выше суммарная сила.
  • Зернистость круга: Более крупнозернистые круги (меньшее число зерен на единицу площади, но большее сечение срезаемого слоя каждым зерном) обычно приводят к увеличению силы резания.
  • Твердость круга: Снижение твердости шлифовальных кругов, то есть способность связки легче удерживать или высвобождать зерна, сопровождается уменьшением силы резания. Мягкие круги легче «самозатачиваются».
  • Материал абразивных зерен: Различные абразивные материалы (электрокорунд, карбид кремния, эльбор, алмаз) имеют разную твердость, прочность и остроту, что влияет на силу резания.
  • Структура круга (пористость): Пористая структура способствует лучшему отводу стружки и СОЖ, снижая трение и, как следствие, силу резания.
  • Износ и засаливание круга: По мере износа зерен и засаливания круга (забивания пор стружкой) режущие свойства ухудшаются, что приводит к росту силы резания и ухудшению качества поверхности.

4. Коэффициент трения между взаимодействующими поверхностями заготовки и инструмента. Использование СОЖ значительно снижает трение и улучшает условия резания.

Учет всех этих факторов критически важен при проектировании циклов шлифования, особенно для точного расчета радиальной составляющей Py, определяющей точность и качество обработанной детали, а также для оценки износа режущего инструмента.

Математические модели сил резания

Для точного прогнозирования и управления процессом шлифования необходимо использовать адекватные математические модели сил резания. Эти модели позволяют установить взаимосвязь между технологическими параметрами и величинами сил, что является основой для разработки эффективных САР.

Исторически, математические модели сил резания основывались на фундаментальных закономерностях механики пластической деформации металла в зоне резания. Одними из пионеров в этом направлении были, например, Переверзев П.П. и Кадим А.М., чьи исследования заложили основу для более детального понимания процесса.

Современные математические модели сил резания стремятся учесть не только макроскопические режимные параметры (скорость заготовки, глубина резания, подача), но и микроскопические характеристики взаимодействия абразивных зерен с материалом заготовки.

Основные подходы к моделированию:

  1. Эмпирические и полуэмпирические модели: Основаны на обобщении экспериментальных данных и имеют вид степенных функций от режимных параметров. Общий вид такой модели для силы Pz может быть представлен как:
    Pz = CPz ⋅ vдx ⋅ Sпопy ⋅ tz ⋅ Bw
    где:

    • Pz — тангенциальная сила резания;
    • CPz — коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала, характеристик круга и условий шлифования;
    • vд — скорость движения детали;
    • Sпоп — поперечная подача;
    • t — глубина шлифования;
    • B — ширина шлифования;
    • x, y, z, w — эмпирические показатели степени, определяемые экспериментально.

    Аналогичные модели строятся для Py и Px.

  2. Модели, учитывающие геометрические параметры срезаемого слоя: Эти модели исходят из того, что сила резания пропорциональна площади фактического сечения срезаемого слоя, а не номинального. Они принимают во внимание изменение условий обработки (например, подача, ширина круга, зернистость) через изменение фактического сечения.
    • Например, для плоского шлифования Акинцева А.В. и Переверзев П.П. разработали инженерную модель, связывающую силу резания с режимными технологическими параметрами и параметрами микрорезания абразивных зерен (например, радиусом затупления вершины зерна, числом активных зерен).
    • Они также предложили методики, устанавливающие взаимосвязь силы резания с параметрами микрорезания зерен и режимами резания шлифовальным кругом в целом, включая методики для создания широкодиапазонной аналитической модели расчета силы резания, а также для определения силы резания с учетом диспергирующих зерен.
  3. Модели для специфических схем шлифования:
    • Для шлифования торцов ступенчатых валов методом осевой подачи кругом прямого профиля А.Г. Белов (2004 г.) представил математическую модель составляющих сил резания.
    • Переверзев П.П. и Попова А.В. разработали аналитическую модель сил резания при внутреннем шлифовании, учитывающую взаимосвязь с режимами обработки и основными технологическими факторами.
  4. Модели на основе стохастических процессов: Учитывают случайный характер распределения вершин абразивных зерен на рабочей поверхности круга. Математическая модель распределения вершин зерен может быть представлена как Марковский процесс с дискретным временем состоянием, что позволяет более точно прогнозировать взаимодействие круга с заготовкой.
  5. Комплексные модели: Включают в себя не только механические, но и тепловые процессы, поскольку нагрев в зоне резания существенно влияет на свойства материала и, следовательно, на силы резания.

При проектировании циклов шлифования и САР усилия резания особенно важен точный расчет радиальной составляющей Py, так как она напрямую определяет точность и качество обработанной детали. Моделирование процесса резания при шлифовании, учитывающее все эти аспекты, позволяет не только выбирать оптимальные режимы резания (скорость заготовки, подача, припуск на доводку, заданная шероховатость), но и предсказывать износ инструмента, а также проектировать устойчивые системы автоматического управления.

Принципы и структурные схемы систем автоматической стабилизации усилия резания

Системы автоматического регулирования (САР) являются краеугольным камнем современной автоматизации технологических процессов. В условиях шлифования, где малейшие отклонения в силе резания могут привести к браку или снижению производительности, САР усилия резания приобретает особую значимость.

Общие сведения о САР и их классификация

Система автоматического регулирования (САР) — это совокупность устройств, предназначенных для поддержания заданного значения одной или нескольких физических величин (регулируемых параметров) технологического процесса или объекта управления.

Ее основной принцип действия заключается в обнаружении отклонений регулируемых величин от требуемого режима и последующем воздействии на объект для устранения этих отклонений.

Основная задача САР стабилизации — поддержание неизменного значения выходной величины объекта управления, несмотря на действие внешних возмущений или изменение внутренних параметров объекта. В контексте шлифования это означает сохранение постоянного усилия резания, несмотря на неоднородность припуска, изменение твердости материала или износ шлифовального круга.

Ключевой характеристикой любой САР является наличие главной обратной связи, по которой регулятор получает информацию о текущем значении регулируемого параметра. Именно обратная связь позволяет системе корректировать свое воздействие.

САР можно классифицировать по различным признакам:

1. По наличию обратной связи:

  • Разомкнутые САР (без обратной связи): Управляющее воздействие формируется без учета фактического значения регулируемого параметра. Такие системы просты, но не способны компенсировать возмущения и изменения свойств объекта. В шлифовании применяются редко, так как не могут обеспечить стабильность усилия резания.
  • Замкнутые САР (с обратной связью): Управляющий сигнал вырабатывается в результате сравнения выходной величины с задающим сигналом (уставкой). Разница между ними (сигнал рассогласования) используется для формирования корректирующего воздействия. Эти системы обладают высокой точностью и способны компенсировать возмущения.

2. По цели регулирования:

  • Регуляторы-стабилизаторы: Поддерживают заданный параметр на постоянном уровне. Это наиболее распространенный тип САР в технологических процессах, включая стабилизацию усилия резания при шлифовании.
  • Программные регуляторы: Обеспечивают изменение регулируемого параметра по заранее заданной программе (траектории).
  • Следящие системы: Обеспечивают следование регулируемого параметра за произвольно изменяющимся задающим воздействием.
  • Адаптивные системы: Способны изменять свои параметры или алгоритм работы в зависимости от изменяющихся условий внешней среды или объекта управления.

3. По характеру действия:

  • Непрерывные САР: Управляющее воздействие изменяется непрерывно.
  • Дискретные САР: Управляющее воздействие изменяется ступенчато (импульсно).
  • Релейные САР: Управляющее воздействие принимает несколько фиксированных значений.

Автоматизация технологического процесса, в частности шлифования, является важной частью научно-технического прогресса, направленного на повышение качества обработки металлов резанием и увеличение производительности.

Структурные схемы САР усилия резания для шлифовальных станков

Типичная замкнутая структурная схема системы автоматической стабилизации усилия резания для шлифовального станка включает следующие основные элементы:

  1. Объект управления (шлифовальный станок с технологическим процессом): Включает в себя шлифовальный круг, заготовку, приводы подач, шпиндель главного движения. Выходная величина объекта — это усилие резания. Входные воздействия — это управляющие сигналы на приводы подач (например, поперечной или продольной), а также возмущающие воздействия (например, изменение припуска, твердости материала, износ круга).
  2. Датчик усилия резания: Устройство, измеряющее фактическое значение силы резания (например, тангенциальной Pz или радиальной Py) и преобразующее ее в электрический сигнал.
  3. Задающее устройство (ЗУ): Формирует заданное (желаемое) значение усилия резания (уставку).
  4. Устройство сравнения (сумматор): Сравнивает заданное значение с фактическим (измеренным датчиком) значением усилия резания и формирует сигнал рассогласования (ошибки): ε = Uзад - Uфакт.
  5. Регулятор: На основе сигнала рассогласования вырабатывает управляющее воздействие в соответствии с заданным законом регулирования (например, ПИД-законом).
  6. Исполнительный механизм (ИМ): Преобразует управляющий сигнал от регулятора в физическое воздействие на объект управления. В случае САР усилия резания это может быть привод поперечной подачи (например, сервопривод ходового винта шлифовальной бабки), который изменяет скорость или глубину врезания, либо привод продольной подачи стола.

Функциональная схема САР усилия резания:

graph LR
    subgraph Возмущения
        A[Изменение припуска] --> Объект;
        B[Изменение твердости материала] --> Объект;
        C[Износ круга] --> Объект;
    end

    Задающее_устройство(Задающее значение усилия) --> Сумматор;
    Сумматор -- Сигнал рассогласования (ε) --> Регулятор;
    Регулятор -- Управляющее воздействие --> Исполнительный_механизм(Привод подачи);
    Исполнительный_механизм --> Объект(Шлифовальный станок с процессом шлифования);
    Объект -- Фактическое усилие резания --> Датчик(Датчик усилия резания);
    Датчик -- Сигнал обратной связи --> Сумматор;

В такой схеме стабилизация усилия резания достигается путем непрерывной коррекции скорости или глубины подачи. Например, если усилие резания начинает расти (из-за увеличения припуска), датчик регистрирует это, сигнал рассогласования увеличивается, регулятор уменьшает скорость подачи через исполнительный механизм, возвращая усилие к заданному значению. И наоборот, при уменьшении усилия подача увеличивается.

Адаптивные системы управления в шлифовании

В условиях, когда параметры процесса шлифования могут существенно меняться (неоднородность материала, изменение припуска, износ инструмента), традиционные САР со статическими настройками регулятора могут оказаться недостаточно эффективными. Здесь на помощь приходят адаптивные системы управления (АСУ).

Концепция адаптивного управления предполагает способность системы изменять свои параметры или алгоритм управления в зависимости от изменяющихся свойств объекта управления или внешних возмущений с целью поддержания оптимального режима работы.

В машиностроении, и в частности в шлифовании, Б.С. Балакшиным была выдвинута идея применения систем адаптивного управления процессом механической обработки деталей на станках с целью повышения точности и производительности. Его работа «Адаптивное управление станками» (1973) стала фундаментальной для развития этого направления.

Адаптивные системы управления станком с ЧПУ можно разделить на две группы:

  1. Адаптивные системы предельного управления (АСУ ПУ): Обеспечивают постоянное значение заданных параметров процесса резания (например, усилия резания, температуры, вибрации, мощности) при действии различных возмущений. Регулируемой величиной в таких системах часто является подача (S).
    • Пример: Система стабилизации силы резания, которая, используя измерение Py или Pz, корректирует скорость подачи (продольной или поперечной), чтобы поддерживать усилие на заданном уровне. Такая система эффективно борется с вибрациями, вызванными изменением условий резания. Более того, пружинно-электромагнитное устройство стабилизации силы резания может представлять собой первый быстродействующий контур, реагирующий на вибрационные процессы, дополняемый классической САР подачи станка.
    • Методика адаптивного управления, базирующаяся на обеспечении равенства силы резания на всем участке обрабатываемой поверхности, позволяет выбрать режим обработки и изменять его путем управления рабочими органами станка, стабилизируя упругие отжатия в технологической системе через контролируемую силу резания.
  2. Адаптивные системы оптимального управления (АСУ ОУ): Направлены на оптимизацию некоторого критерия качества (например, минимизация времени обработки, максимальная производительность, минимальная себестоимость, максимальная стойкость инструмента) путем динамического изменения режимов резания.

Примеры применения адаптивных систем в шлифовании:

  • Адаптивная система стабилизации силы резания: Как уже упоминалось, корректирует подачу для поддержания постоянного усилия, что позволяет предотвратить перегрузки, повысить точность и качество поверхности.
  • Система автоматического управления скоростью резания: Стабилизирует скорость резания на оптимальном уровне независимо от износа шлифовального круга. Сигнал с потенциометра, пропорциональный износу круга, суммируется с задающим сигналом, и через усилитель подается на тиристорный преобразователь питания двигателя главного движения. При правке круга увеличивается напряжение, что повышает угловую скорость двигателя, стабилизируя скорость резания.
  • Системы управления поперечной (врезной) подачей при врезном шлифовании: Современные шлифовальные станки с ЧПУ оснащаются такими САУ для реализации оптимального цикла врезного шлифования. Они регулируют врезную подачу так, чтобы скорость снятия припуска не превышала допустимой на всех этапах цикла. На этапе врезания это ограничено мощностью привода и вибрациями, на заключительной стадии — требуемой шероховатостью и точностью. САУ врезной подачей состоит из двигателя постоянного тока, редуктора, ходового винта, прибора активного контроля (например, индуктивного измерительного прибора) и усилителя-преобразователя.
  • Системы на базе измерения ЭДС резания и силы резания: Позволяют повысить точность обработки, качество поверхности, уменьшить износ инструмента и избежать внезапных поломок.

Внедрение шлифовальных станков с ЧПУ требует постоянной оценки состояния технологической системы с учетом динамики процесса на основе автоматического управления. ЧПУ может обеспечивать штатный режим работы адаптивной системы, контролируя передаточную функцию процесса резания и корректируя ее в автоматическом режиме, используя предварительно подготовленные библиотеки настроек.

Таким образом, адаптивные системы значительно расширяют возможности традиционных САР, позволяя достигать более высоких показателей точности, производительности и надежности в сложных и динамично изменяющихся условиях шлифования.

Методы измерения и регулирования усилия резания

Реализация эффективной системы автоматической стабилизации усилия резания невозможна без точных методов измерения этого усилия и адекватных алгоритмов его регулирования. Эта глава посвящена рассмотрению сенсорной базы и различных типов регуляторов, которые являются мозгом и органами чувств САР.

Датчики и методы измерения усилия резания

Для успешной работы САР необходимо непрерывно и с высокой точностью измерять усилие резания. Устройство для определения силы резания обычно представляет собой динамометрический датчик (динамометр) со встроенным усилителем и индикацией, показывающим силу резания в динамическом режиме.

Основные типы динамометрических датчиков, используемых для измерения сил резания:

  1. Тензометрические датчики: Наиболее распространенный тип. Их принцип действия основан на изменении электрического сопротивления тензорезистора при его деформации под действием механического напряжения. Тензорезисторы наклеиваются на упругие элементы (балки, кольца, цилиндры), которые деформируются под действием силы резания. Изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал (напряжение) с помощью измерительного моста Уитстона.
    • Преимущества: Высокая точность, широкий диапазон измерений, надежность, возможность измерения нескольких составляющих силы одновременно.
    • Недостатки: Требуют температурной компенсации, чувствительны к влажности.
    • Примеры: Проволочные и пленочные тензорезисторы. Универсальные динамометры типа СУРП (например, СУРП-100, СУРП-600, СУРП-1200), разработанные Всесоюзным научно-исследовательским инструментальным институтом, предназначены для измерения составляющих силы резания (Px, Py, Pz) при различных видах обработки, включая шлифование. Они могут измерять усилия в диапазоне от нескольких десятков до сотен килограммов.
  2. Емкостные датчики: Основаны на изменении емкости конденсатора при деформации его обкладок под действием силы. Одна из обкладок подвижна и перемещается относительно другой.
    • Преимущества: Высокая чувствительность, хорошие динамические характеристики.
    • Недостатки: Чувствительность к электромагнитным помехам и загрязнениям, сложность конструкции.
  3. Индуктивные датчики: Принцип работы заключается в изменении индуктивности катушки при перемещении ферромагнитного сердечника (или воздушного зазора) под действием измеряемой силы.
    • Преимущества: Высокая надежность, устойчивость к загрязнениям, возможность работы в агрессивных средах.
    • Недостатки: Относительно низкая чувствительность по сравнению с тензометрическими, нелинейность характеристики.
  4. Пьезоэлектрические датчики: Используют пьезоэлектрический эффект — генерацию электрического заряда некоторыми кристаллами (например, кварцем) при механической деформации.
    • Преимущества: Очень высокая чувствительность, отличные динамические характеристики, компактность.
    • Недостатки: Высокая стоимость, необходимость специальных усилителей заряда, чувствительность к температуре.
    • Примеры: Динамометры производства Kistler (Швейцария) широко известны в мире. Например, трехкомпонентные динамометрические плиты (Type 9253B23) или комплексы для токарных станков (Type 9129AA), которые могут быть адаптированы для измерения сил резания при шлифовании, предоставляя высокоточные данные по Px, Py, Pz.

Технические характеристики типового динамометрического датчика могут быть следующими:

  • Напряжение питания: +5 В.
  • Потребляемый ток: 0.3 А.
  • Диапазон измеряемых усилий: 0-25 кг (или до 250 Н).
  • Погрешность: 1%.
  • Частотный диапазон: до нескольких кГц (для измерения динамических составляющих).

Выбор конкретного типа датчика зависит от требуемой точности, динамических характеристик процесса, условий эксплуатации и бюджета.

Типы регуляторов в САР усилия резания

После измерения сигнала рассогласования (разницы между заданным и фактическим усилием резания) регулятор вырабатывает управляющее воздействие. Регуляторы, используемые в САР, работают по одному из четырех основных законов:

  1. Пропорциональный (П) регулятор:
    • Принцип работы: Выходной сигнал регулятора пропорционален сигналу рассогласования.
      Uвых(t) = Kp ⋅ ε(t)
      где Kp — коэффициент пропорциональности (коэффициент усиления).
    • Преимущества: Простота конструкции, быстрое реагирование на изменение сигнала рассогласования.
    • Недостатки: Наличие статической ошибки (остаточное отклонение регулируемой величины от заданного значения в установившемся режиме). При использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не стабилизируется точно на заданном значении, особенно при наличии постоянных возмущений.
  2. Интегральный (И) регулятор:
    • Принцип работы: Выходной сигнал регулятора пропорционален интегралу от сигнала рассогласования по времени.
      Uвых(t) = Ki ∫ ε(t) dt
      где Ki — коэффициент интегрирования.
    • Преимущества: Устраняет статическую ошибку, так как интегрирование продолжается до тех пор, пока рассогласование не станет равным нулю.
    • Недостатки: Медленное реагирование на возмущения, может приводить к колебаниям и перерегулированию.
  3. Пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор:
    • Принцип работы: Объединяет преимущества П- и И-регуляторов. Выходной сигнал является суммой пропорциональной и интегральной составляющих.
      Uвых(t) = Kp ⋅ ε(t) + Ki ∫ ε(t) dt
    • Преимущества: Обеспечивает быстрое реагирование и устранение статической ошибки. Широко используется в промышленных САР.
    • Недостатки: Может проявлять некоторое перерегулирование.
  4. Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор:
    • Принцип работы: Наиболее универсальный и распространенный тип регулятора. Выходной сигнал является суммой пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих сигнала рассогласования.
      Uвых(t) = Kp ⋅ ε(t) + Ki ∫ ε(t) dt + Kd ⋅ dε(t)/dt
      где Kd — коэффициент дифференцирования.
    • Пропорциональная составляющая противодействует отклонению регулируемой величины, наблюдаемому в данный момент.
    • Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку и накапливает «историю» ошибки.
    • Дифференциальная составляющая реагирует на скорость изменения сигнала рассогласования, предсказывая его будущее значение и тем самым уменьшая перерегулирование и улучшая быстродействие системы.
    • Преимущества: Высокая точность, быстродействие, возможность минимизации перерегулирования. Может быть настроен для работы в широком диапазоне условий.
    • Недостатки: Сложность настройки трех коэффициентов, чувствительность к шумам (из-за дифференциальной составляющей).

Перспективные направления в регуляторах:

  • Адаптивные регуляторы: Как уже упоминалось, способны изменять свои параметры настройки (Kp, Ki, Kd) в реальном времени в зависимости от изменяющихся свойств объекта или возмущений. Это позволяет поддерживать оптимальное качество регулирования в динамичных условиях.
  • Нечеткие (фуззи) регуляторы: Используют принципы нечеткой логики, позволяя работать с неточными и лингвистическими описаниями процесса. Эффективны в случаях, когда математическая модель объекта неполна или сложна.

Выбор типа регулятора определяется требованиями к качеству регулирования (точность, быстродействие, перерегулирование), динамическими характеристиками объекта и допустимой сложностью реализации.

Примеры реализации алгоритмов регулирования

На практике алгоритмы регулирования усилия резания реализуются путем воздействия на режимные параметры шлифования, чаще всего на подачи.

  1. Регулирование усилия резания изменением скорости продольной подачи рабочего стола:
    • Этот способ применяется, например, при автоматическом управлении плоским глубинным шлифованием периферией круга.
    • САР измеряет фактическое усилие резания. Если оно отличается от заданного, регулятор формирует сигнал для изменения скорости продольной подачи стола.
    • Важным аспектом является возможность изменения скорости продольной подачи с опережением на каждом отрезке, пропорционально отношению фактических площадей контакта шлифовального круга с деталью. Это позволяет более тонко адаптироваться к изменяющейся геометрии детали или неоднородности припуска.
  2. Регулирование усилия резания изменением врезной подачи:
    • При врезном шлифовании, особенно на цилиндрических станках, САР может регулировать поперечную (врезную) подачу шлифовального круга.
    • Цель — поддерживать постоянную скорость снятия припуска и, как следствие, стабильное усилие резания.
    • Современные шлифовальные станки с ЧПУ часто оснащаются такими САУ. Система активного контроля измеряет фактический размер детали (или скорость снятия припуска), и регулятор корректирует скорость двигателя постоянного тока, который через редуктор и ходовой винт управляет поперечной подачей шлифовальной бабки.

Разработка программного обеспечения для определения оптимальных режимов резания при шлифовании является актуальной задачей. САР на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) с использованием сервоприводов становится стандартом. ПЛК не только реализуют выбранные законы регулирования, но и могут выполнять сложные функции интерполяции движения (линейной и дуговой двухосевой), обеспечивая высокую точность и плавность переходов. Например, для ленточно-шлифовального станка SGD50-AKU-TF перемещение исполнительного механизма в двух-координатной плоскости (X и Y) может быть реализовано с применением ПЛК и сервоприводов, обеспечивающих дуговую интерполяцию с шагом до 1°.

Таким образом, комплексное применение точных датчиков и адекватных регуляторов, интегрированных в современные системы управления на базе ПЛК, позволяет создавать высокоэффективные САР усилия резания, способные значительно повысить качество и производительность шлифовальной обработки.

Современные тенденции и практическая реализация САР

Интеграция передовых технологий в машиностроение диктует новые подходы к автоматизации, особенно в такой прецизионной области, как шлифование. Современные САР усилия резания не ограничиваются классическими регуляторами, а активно используют программируемые логические контроллеры (ПЛК), высокоточные сервоприводы и элементы искусственного интеллекта.

Применение ПЛК и сервоприводов в САР шлифовальных станков

В условиях постоянно возрастающих требований к точности, производительности и гибкости производственных процессов, Программируемые Логические Контроллеры (ПЛК) и сервоприводы стали незаменимыми компонентами систем автоматического управления шлифовальными станками.

Программируемые Логические Контроллеры (ПЛК):
ПЛК — это специализированные промышленные компьютеры, предназначенные для автоматизации производственных процессов. В контексте САР усилия резания для шлифовальных станков, ПЛК выполняют роль «мозга» системы, обеспечивая:

  • Сбор данных: Прием сигналов от датчиков усилия резания, датчиков положения (энкодеров сервоприводов), датчиков скорости и других технологических параметров.
  • Обработка данных: Выполнение алгоритмов фильтрации, масштабирования и преобразования сигналов.
  • Реализация алгоритмов регулирования: В ПЛК программируются законы регулирования (ПИД, адаптивные и т.д.). Они непрерывно рассчитывают сигнал рассогласования и формируют управляющее воздействие.
  • Логическое управление: Управление последовательностью операций, включение/выключение приводов, контроль безопасности.
  • Связь с другими системами: Интеграция с системами ЧПУ, системами визуализации (HMI), верхним уровнем АСУТП.
  • Функции интерполяции: Современные ПЛК часто имеют встроенные функции линейной и дуговой двухосевой интерполяции движения. Это критически важно для шлифовальных станков, где необходимо обеспечивать плавные и точные траектории движения рабочих органов (например, шлифовальной бабки) для обработки сложных профилей. Высокая точность движения сервоприводов в сочетании с интерполяцией ПЛК позволяет выполнять дуговую интерполяцию с шагом до 1°, обеспечивая идеальные переходы между участками.

Сервоприводы:
Сервоприводы — это высокоточные электромеханические системы, состоящие из серводвигателя, датчика обратной связи (энкодера) и сервоусилителя. Они используются в качестве исполнительных механизмов в САР усилия резания, обеспечивая:

  • Высокую точность позиционирования: Позволяют точно управлять положением, скоростью и моментом на валу двигателя. Это критично для регулирования глубины и скорости подачи, напрямую влияющих на усилие резания.
  • Высокое быстродействие: Быстро реагируют на управляющие сигналы, что позволяет оперативно компенсировать изменения усилия резания.
  • Жесткость и стабильность: Благодаря замкнутому контуру управления (с обратной связью по положению и/или скорости) сервоприводы обеспечивают высокую жесткость системы и минимизируют упругие отжатия.
  • Пример: На ленточно-шлифовальном станке SGD50-AKU-TF перемещение исполнительного механизма в двух-координатной плоскости (X и Y) может быть реализовано с применением ПЛК и сервоприводов Delta Electronics. Такое решение позволяет не только автоматизировать процесс, но и обеспечить высокую точность обработки поверхностей со сложной геометрией.

Совокупность ПЛК и сервоприводов создает мощную и гибкую платформу для реализации САР усилия резания, позволяя добиться высоких показателей качества, производительности и надежности.

Перспективные направления развития САР усилия резания

Будущее систем автоматической стабилизации усилия резания тесно связано с дальнейшим развитием технологий искусственного интеллекта, расширением возможностей интеграции и повышением адаптивности.

  1. Применение нейронных сетей и машинного обучения:
    • Для стабилизации мощности и усилия резания: Нейронные сети могут быть обучены на больших объемах данных, собранных в процессе шлифования, для выявления сложных нелинейных зависимостей между режимными параметрами, состоянием инструмента, свойствами материала и фактическим усилием резания. Это позволяет создавать более точные и робастные модели объекта управления, что является основой для разработки продвинутых адаптивных и предсказывающих регуляторов.
    • Прогнозирование износа инструмента: Нейронные сети могут анализировать динамику изменения усилия резания, вибрации, шума и других параметров для прогнозирования износа шлифовального круга и определения оптимального момента для его правки или замены.
    • Адаптивное управление режимами: Системы на основе машинного обучения могут в реальном времени корректировать режимы резания (скорость, подача, глубина) для поддержания стабильного усилия и достижения оптимальных показателей производительности и качества.
  2. Интеграция с ЧПУ для адаптивного управления:
    • Современные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) уже обладают значительным потенциалом для адаптивного управления. Интеграция САР усилия резания с ЧПУ позволяет не только стабилизировать усилие, но и оптимизировать весь цикл обработки.
    • Контроль передаточной функции: ЧПУ может обеспечивать штатный режим работы адаптивной системы, контролируя передаточную функцию процесса резания (как объект реагирует на управляющие воздействия) и корректируя ее в автоматическом режиме, используя предварительно подготовленные библиотеки настроек или алгоритмы самонастройки.
    • Оптимизация траектории: Адаптивные системы могут влиять на траекторию движения инструмента, чтобы минимизировать упругие отжатия и поддерживать стабильное усилие, особенно при обработке деталей сложной формы или с переменным припуском.
  3. Комплексные роботизированные решения:
    • Автоматизация процессов шлифования и полировки с использованием промышленных роботов — это одно из наиболее динамично развивающихся направлений.
    • Преимущества роботов: Промышленные роботы обеспечивают высокую производительность, точный контроль технологических параметров (скорость хода, траектория движения, усилие нажатия, время операции), стабильное качество обработки. Они могут работать 24 часа в сутки, исключая человеческий фактор и минимизируя ошибки.
    • Отсутствие ограничений позиционирования: Важным преимуществом роботов является отсутствие ограничений при позиционировании детали во время процесса, что часто встречается в стандартных установках. Это позволяет обрабатывать сложные геометрические поверхности, недоступные для традиционных станков.
    • Снижение расхода материалов и обеспечение равномерного покрытия: Роботизированные системы способны точно дозировать расход абразивных материалов и обеспечивать равномерное покрытие, что снижает себестоимость и повышает качество.
  4. Развитие сенсорных технологий:
    • Поиск и разработка новых, более точных, надежных, компактных и недорогих датчиков усилия резания, способных работать в тяжелых условиях шлифования (вибрации, СОЖ, абразивная пыль).
    • Интеграция мультисенсорных систем, объединяющих данные от датчиков усилия, вибрации, акустической эмиссии, температуры для более полного «понимания» процесса.

Эти тенденции указывают на то, что САР усилия резания будут развиваться в сторону еще большей автономности, интеллектуальности и адаптивности, становясь неотъемлемой частью концепции «умного производства» (Smart Manufacturing) и Индустрии 4.0.

Экономический эффект и технологические преимущества внедрения САР

Внедрение систем автоматической стабилизации усилия резания в шлифовальные станки не является самоцелью, а представляет собой стратегическое решение, направленное на достижение конкретных экономических и технологических выгод. Отсутствие широкодиапазонной аналитической модели взаимосвязи силы резания с режимами и условиями обработки, а также ручное назначение режимов резания в автоматизированном машиностроении, часто приводят к снижению производительности, повышению количества брака и себестоимости продукции. САР УР призваны решить эти проблемы.

Повышение качества обработки и производительности

Влияние САР усилия резания на качество и производительность обработки является фундаментальным:

  1. Уменьшение упругих отжатий и повышение точности размеров: Радиальная составляющая силы резания (Py) является основной причиной упругих деформаций в технологической системе «станок – приспособление – инструмент – деталь» (СПИД). Нестабильность Py приводит к колебаниям этих отжатий и, как следствие, к размерным ошибкам и отклонениям от заданной геометрии. САР, стабилизируя усилие резания, минимизирует эти упругие отжатия, обеспечивая высокую размерную точность и геометрическую форму детали.
  2. Улучшение качества поверхности: Стабилизация усилия резания предотвращает «прихваты» и «прижоги», которые могут возникать из-за локальных перегрузок и перегрева. Это способствует получению более низкой шероховатости поверхности и отсутствию дефектного слоя, что критично для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок или требующих эстетического вида.
  3. Снижение брака: Устранение причин размерных ошибок и дефектов поверхности напрямую ведет к сокращению процента брака. Это особенно важно в высокоточном производстве, где стоимость бракованной детали может быть очень высока.
  4. Повышение производительности: САР позволяет работать на оптимальных режимах резания, которые могут быть более агрессивными, чем те, что используются при ручном управлении. Это достигается за счет непрерывного контроля и корректировки подачи, что позволяет максимизировать скорость снятия припуска без риска перегрузки или повреждения детали. Кроме того, снижение брака сокращает время на переработку или отбраковку, что также повышает общую производительность.
  5. Автоматизация и робототехника: Промышленные роботы, интегрированные с САР, могут работать 24 часа в сутки, что недостижимо для человека. Они обеспечивают высокую стабильность качества и производительности, минимизируя влияние человеческого фактора. Это особенно актуально для процессов шлифования и полировки, где требуется высокая повторяемость и точность движений.

Снижение износа инструмента и энергопотребления

Влияние САР на ресурс инструмента и энергетическую эффективность:

  1. Снижение износа шлифовального круга: Нестабильное усилие резания, особенно его пиковые значения, приводит к ускоренному износу абразивных зерен и связки круга. Стабилизация усилия позволяет равномерно распределять нагрузку на режущие зерна, снижая их ударные нагрузки и предотвращая преждевременное выкрашивание. Это увеличивает ресурс шлифовального круга, сокращает частоту его правки и замены, что в свою очередь снижает эксплуатационные расходы.
  2. Оптимизация потребляемой мощности: Тангенциальная составляющая силы резания (Pz) напрямую определяет мощность, потребляемую электродвигателем главного движения. САР, поддерживая Pz на оптимальном уровне, предотвращает как излишние перегрузки (что ведет к повышенному расходу энергии и возможному выходу из строя двигателя), так и недогрузки (что означает неполное использование мощности станка). Таким образом, система позволяет работать в наиболее энергоэффективном режиме, сокращая потребление электроэнергии.

Снижение себестоимости продукции

Комплексное воздействие САР на качество, производительность, износ инструмента и энергопотребление в конечном итоге приводит к значительному снижению себестоимости продукции.

  1. Сокращение доли брака: Прямое снижение потерь на бракованные детали и их переработку.
  2. Увеличение производительности: Меньше времени на изготовление одной детали означает больше произведенных деталей за тот же период, что распределяет постоянные затраты на больший объем продукции.
  3. Снижение затрат на инструмент: Увеличение стойкости шлифовальных кругов ведет к уменьшению закупок новых кругов и затрат на их замену/правку.
  4. Экономия электроэнергии: Оптимизация режимов работы приводов снижает операционные затраты на электричество.
  5. Снижение трудозатрат: Автоматизация и роботизация процессов уменьшают потребность в ручном труде и позволяют операторам сосредоточиться на более сложных задачах, требующих квалификации.
  6. Обработка сложных геометрических поверхностей: Роботизированные решения, интегрированные с САР, позволяют обрабатывать сложные профили, что расширяет номенклатуру выпускаемой продукции и открывает новые рынки.
  7. Пример из других сфер: Если автоматические системы регулирования теплоснабжения могут снизить потребление тепла в жилом секторе на 5-10%, а в административных помещениях на 40%, то потенциал экономии в высокоэнергоемких промышленных процессах, таких как шлифование, при внедрении САР еще более значителен.

Таким образом, внедрение систем автоматической стабилизации усилия резания является высокоэффективным инвестиционным решением, обеспечивающим не только повышение технологических показателей (качество, точность, производительность), но и существенное сокращение производственных издержек, что делает его критически важным для современного машиностроения.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была успешно решена поставленная задача по разработке и анализу теоретических основ системы автоматической стабилизации усилия резания для шлифовального станка. Проведенное исследование подтвердило высокую актуальность данной темы в контексте современного машиностроения, где требования к точности, качеству поверхности и производительности непрерывно возрастают.

Было дано исчерпывающее определение процесса шлифования, рассмотрены его основные виды, классификация станков по степени универсальности, весу и классам точности согласно ГОСТам. Детально проанализирована кинематика процесса, что является фундаментальным для понимания механизмов формирования усилий резания.

Особое внимание было уделено силам резания, их составляющим (тангенциальной Pz, радиальной Py и осевой Px), их физическому смыслу и критическому влиянию на технологический процесс. Объяснено, почему радиальная сила Py часто превосходит тангенциальную, и как это сказывается на точности обработки. Детально рассмотрены факторы, влияющие на величину сил резания, включая режимные параметры, свойства материала и характеристики шлифовального круга. Представлены современные математические модели, которые позволяют прогнозировать и описывать эти силы, учитывая как макро-, так и микропараметры процесса.

Рассмотрены общие принципы построения систем автоматического регулирования (САР), их классификация и особенности применения для стабилизации усилия резания. Приведены типовые структурные схемы САР усилия резания и подробно описаны элементы, входящие в их состав. Выделена роль адаптивных систем управления, способных поддерживать оптимальные режимы работы в условиях изменяющихся возмущений, и отмечен вклад Б.С. Балакшина в развитие этого направления.

Подробно изучены методы измерения усилия резания, включая различные типы динамометрических датчиков (тензометрические, емкостные, индуктивные, пьезоэлектрические), их принципы работы, технические характеристики и примеры практического применения. Детально рассмотрены основные законы регулирования (П, И, ПИ, ПИД-регуляторы), их преимущества и недостатки, а также перспективные направления, такие как адаптивные и нечеткие регуляторы. Приведены примеры реализации алгоритмов регулирования через изменение скорости продольной или врезной подачи.

Проанализированы современные тенденции в практической реализации САР, включая широкое применение программируемых логических контроллеров (ПЛК) и высокоточных сервоприводов, обеспечивающих гибкость, точность и быстродействие систем. Обозначены перспективные направления развития, такие как интеграция нейронных сетей и машинного обучения для интеллектуального управления, а также комплексные роботизированные решения для шлифования.

Наконец, было обосновано, что внедрение систем автоматической стабилизации усилия резания приводит к значительному экономическому эффекту и технологическим преимуществам. Это выражается в повышении качества обработки, точности размеров и чистоты поверхности, сокращении доли брака, увеличении производительности, снижении износа инструмента и оптимизации энергопотребления, что в совокупности ведет к существенному снижению себестоимости продукции.

Таким образом, поставленные цели и задачи курсовой работы полностью достигнуты. Полученные результаты могут служить теоретической основой для дальнейшей практической разработки и внедрения САР усилия резания на шлифовальных станках.

Дальнейшие перспективы исследований включают:

  • Разработку и экспериментальную верификацию новых, более точных и робастных математических моделей сил резания, учитывающих динамические процессы и микрогеометрию инструмента.
  • Исследование и оптимизацию алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления на базе машинного обучения для компенсации нелинейностей и нестационарности процесса шлифования.
  • Разработку унифицированных модулей САР, легко интегрируемых в различные типы шлифовальных станков с ЧПУ.
  • Комплексный анализ влияния САР на весь жизненный цикл инструмента и заготовки с целью максимальной оптимизации ресурсов.

    • Список использованной литературы

    1. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического регулирования. Москва: Энергия, 1981.
    2. Горбунов Б.И. Обработка металлов резанием. Москва: Машиностроение, 1981.
    3. Ермаков Ю.М. Металлорежущие станки. Москва: Машиностроение, 1985.
    4. Игнатов В.А., Ровенский В.Б., Орлова Р.Т. Электрооборудование современных металлообрабатывающих станков. Москва: Высшая школа, 1991.
    5. Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование: учебное пособие.
    6. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. Т. 2 / под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Москва, 1988.
    7. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода: учебник для вузов. Москва: Энергия, 1971.
    8. Балакшин Б.С. Адаптивное управление станками. Москва: Машиностроение, 1973.
    9. Адаптивные системы управления станком ЧПУ. URL: http://miop.mrsu.ru/conferences/2012/10/file-1.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    10. Виды шлифовальных станков: классификация и назначение оборудования. URL: https://www.metalobrabotka-expo.ru/ru/articles/shlifovalnye-stanki-vidy-marki-harakteristiki.html (дата обращения: 16.10.2025).
    11. Система адаптивного управления процессом обработки деталей на станках с ЧПУ. URL: http://dspace.bstu.by/bitstream/123456789/2299/1/276.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    12. Глава 1. Основные сведения о системах автоматического регулирования. URL: http://e.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/14101/01_glava.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 16.10.2025).
    13. Системы автоматического регулирования: теория. URL: https://termok.by/teoriya-sar (дата обращения: 16.10.2025).
    14. Система управления ЧПУ станком. URL: https://www.stankoservis.su/informatsiya/stanki-s-chpu/sistema-upravleniya-chpu-stankom (дата обращения: 16.10.2025).
    15. Адаптивные системы управления станками с ЧПУ. URL: http://elib.psuti.ru/elib/download/open/32831.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    16. Адаптивная система стабилизации силы резания как способ борьбы с вибрациями. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/adaptivnaya-sistema-stabilizatsii-sily-rezaniya-kak-sposob-borby-s-vibratsiyami/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    17. Система автоматического управления скоростью резания на шлифовальном станке. URL: https://elibrary.udsu.ru/xmlui/bitstream/handle/123456789/13768/08%20%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%D1%8E%20%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%BD%D0%B0%20%D1%88%D0%BB%D0%B8%D1%84%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%BC%20%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BA%D0%B5.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 16.10.2025).
    18. Классификация и расшифровка шлифовальных станков. URL: https://stankoptima.ru/klassifikaciya-i-rasshifrovka-shlifovalnyh-stankov/ (дата обращения: 16.10.2025).
    19. Классификация шлифовальных станков. URL: https://stroy-mash.ru/articles/klassifikaciya-shlifovalnyh-stankov.html (дата обращения: 16.10.2025).
    20. Автоматизация процессов шлифования и полировки. URL: https://roboteh.ru/avtomatizatsiya-protsessov-shlifovaniya-i-polirovki/ (дата обращения: 16.10.2025).
    21. Виды шлифовальных станков по металлу и их особенности. URL: https://ruevit.ru/info/vidy-shlifovalnyh-stankov-po-metallu-i-ih-osobennosti/ (дата обращения: 16.10.2025).
    22. Узкоспециализированные роботы. URL: https://technored.ru/katalog/uzkospetsializirovannye-roboty/avtomatizatsiya-polirovki-i-shlifovki (дата обращения: 16.10.2025).
    23. Регулирование тепловой энергии — Минск. URL: https://termok.by/articles/regulirovanie-teplovoj-energii (дата обращения: 16.10.2025).
    24. Автоматизация полировки и шлифовки. URL: https://technored.ru/articles/avtomatizatsiya-polirovki-i-shlifovki (дата обращения: 16.10.2025).
    25. Системы автоматического регулирования: учебное пособие. URL: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pr2016_22.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    26. Роботизация производства и промышленных процессов. Роботизированное производство. URL: https://roboteh.ru/robotizatsiya-proizvodstva/ (дата обращения: 16.10.2025).
    27. Основы теории автоматического управления. URL: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/757/74757/51296 (дата обращения: 16.10.2025).
    28. Введение в теорию автоматического управления. Основные понятия теории управления техническим системами. URL: https://habr.com/ru/articles/503482/ (дата обращения: 16.10.2025).
    29. Система автоматического управления поперечной подачей при врезном шлифовании. URL: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pr2022_43.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    30. Полировка, зачистка швов, снятие заусенцев, шлифовка. URL: https://a-inj.ru/avtomatizatsiya-proizvodstva/polirovka-zachistka-shvov-snyatie-zausentsev-shlifovka/ (дата обращения: 16.10.2025).
    31. Шлифовальные станки: виды и особенности. URL: https://spk-stanok.ru/shlifovalnye-stanki-vidy-i-osobennosti/ (дата обращения: 16.10.2025).
    32. Автоматические системы регулирования и поддержания температуры. URL: http://www.complexdoc.ru/lib/1233 (дата обращения: 16.10.2025).
    33. Шлифовальные станки по металлу. URL: https://promoil.com/info/shlifovalnye-stanki-po-metallu (дата обращения: 16.10.2025).
    34. О шлифовальных станках — основные узлы и классификация. URL: https://stankimir.ru/articles/o-shlifovalnyih-stankah-osnovnyie-uzlyi-i-klassifikatsiya (дата обращения: 16.10.2025).
    35. Способ автоматического управления плоским глубинным шлифованием периферией круга: пат. RU 2014209 МПК B24B51/00. 1994. URL: https://patents.google.com/patent/RU2014209C1/ru (дата обращения: 16.10.2025).
    36. Автоматизация шлифовального станка с применением ПЛК и сервоприводов Delta Electronics. URL: https://www.delta-electronics.ru/upload/iblock/c32/c320d368d4d1297d0ce9e8211019dfd7.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    37. Шлифовальные станки — назначение, классификация, расшифровка. URL: https://stankimir.ru/articles/shlifovalnyie-stanki-naznachenie-klassifikatsiya-rasshifrovka (дата обращения: 16.10.2025).
    38. Купить станки шлифовальные по металлу и оборудование в Москве. URL: https://stanki.ru/catalog/shlifovalnye-stanki/ (дата обращения: 16.10.2025).
    39. Автоматические системы регулирования теплоснабжения. URL: https://ess-ltd.ru/energosberezhenie/avtomaticheskie-sistemy-regulirovaniya-teplosnabzheniya.html (дата обращения: 16.10.2025).
    40. Синтез системы автоматического управления глубиной резания круглошлифовального станка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sintez-sistemy-avtomaticheskogo-upravleniya-glubinoy-rezaniya-krugloshlifovalnogo-stanka/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    41. Способ адаптивного управления процессом резания при механической обработке деталей из композиционных материалов. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sposob-adaptivnogo-upravleniya-protsessom-rezaniya-pri-mehanicheskoy-obrabotke-detaley-iz-kompozitsionnyh-materialov/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    42. Оптимизация параметров шлифования металлополимерной поверхности смыкания формообразующих деталей пресс-форм. URL: https://naukaru.ru/ru/nauka/article/19597/optimizatsiya-parametrov-shlifovaniya-metallopolimernoy-poverkhnosti-smykaniya-formoobrazuyushchikh-detaley-press-form (дата обращения: 16.10.2025).
    43. Моделирование процесса резания при шлифовании с учетом взаимодействия упругой и тепловой систем. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-protsessa-rezaniya-pri-shlifovanii-s-utchem-vzaimodeystviya-uprugoy-i-teplovoy-sistem/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    44. Математическое моделирование процесса силы резания при шлифовании с продольной подачей. 2020. URL: https://www.researchgate.net/publication/343058852_Matematiceskoe_modelirovanie_processa_sily_rezania_pri_slifovanii_s_prodol_noj_podacej (дата обращения: 16.10.2025).
    45. Белов А.Г. Разработка математических моделей составляющих силы резания при шлифовании торцов ступенчатых валов методом осевой подачи кругом прямого профиля. 2004. URL: https://vlast-chelyabinsk.ru/archive/2004/1-2004.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    46. Модель расчета силы резания для плоского шлифования на основании балансов скоростей и объемов снимаемого металла. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/model-rascheta-sily-rezaniya-dlya-ploskogo-shlifovaniya-na-osnovanii-balansov-skorostey-i-obemov-snimaemogo-metalla/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    47. Математическое моделирование распределения вершин зерен при шлифовании в результате различных видов изнашивания с использованием марковских случайных процессов. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoe-modelirovanie-raspredeleniya-vershin-zeren-pri-shlifovanii-v-rezultate-razlichnyh-vidov-iznashivaniya-s-ispolzovaniem-markovskih-sluchaynyh-protsessov/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    48. Математическое моделирование процесса резания при шлифовании. URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/69585 (дата обращения: 16.10.2025).
    49. Режимы резания при шлифовании: припуски, скорость, подача; плоская и круглая шлифовка стали. URL: https://mash-service.ru/articles/rezhimy-rezaniya-pri-shlifovanii-pripuski-skorost-podacha-ploskaya-i-kruglaya-shlifovka-stali (дата обращения: 16.10.2025).
    50. Теория автоматического управления. ПИД-регулятор. URL: https://elib.sfukras.ru/bitstream/handle/2311/27116/2_4_PID.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 16.10.2025).
    51. Как определить силу резания с помощью специального устройства. URL: https://a-t.ru/articles/kak-opredelit-silu-rezaniya-s-pomoshyu-spetsialnogo-ustroystva (дата обращения: 16.10.2025).
    52. Разработка программного обеспечения для определения режимов резания при шлифовании. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-programmnogo-obespecheniya-dlya-opredeleniya-rezhimov-rezaniya-pri-shlifovanii/viewer (дата обращения: 16.10.2025).
    53. Шлифование и расчет параметров процесса резания при шлифовании. URL: https://e.susu.ru/attachments/article/1812/shlifovanie_i_raschet_parametrov_protsessa_rezaniya_pri_shlifovanii.pdf (дата обращения: 16.10.2025).
    54. Усилия, силы действующие в процессе шлифования. URL: https://legko-reshit.ru/tekhnologiya-mashinostroeniya/usiliya-sily-deystvuyushchie-v-protsesse-shlifovaniya.html (дата обращения: 16.10.2025).
    55. Силы резания и мощность при шлифовании. URL: https://www.zavod-korund.ru/articles/sily-rezaniya-i-moshchnost-pri-shlifovanii/ (дата обращения: 16.10.2025).
    56. Взаимодействие шлифовального круга с поверхностью заготовки. URL: https://studfile.net/preview/7183200/page:21/ (дата обращения: 16.10.2025).
    57. Влияние различных факторов на силу резания. URL: https://mash-service.ru/articles/vliyanie-razlichnykh-faktorov-na-silu-rezaniya-tokarnaya-obrabotka-metalla-i-drugie-rezanie (дата обращения: 16.10.2025).
    58. Автоматизация проектирования циклов круглого врезного шлифования. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/avtomatizatsiya-proektirovaniya-tsiklov-kruglogo-vreznogo-shlifovaniya/viewer (дата обращения: 16.10.2025).

    С этим материалом также изучают

    Пошаговая разработка техпроцесса и управляющей программы для детали ‘Вал’ на станках с ЧПУ

    Ищете пример для курсовой по ЧПУ? Наше руководство детально описывает все этапы создания технологического процесса для детали 'вал'. От выбора заготовки и расчета режимов резания до 3D-моделирования в CAM-системе и написания управляющей программы.

    Реферат Движущие силы воспитательного процесса в школе

    ... современной школе. Целью работы: выявить и охарактеризовать основные движущие силы воспитательного процесса в современной школе. Достижение поставленной цели осуществлялось путем постановки и ...

    Системы бухгалтерского учета и процесс его стандартизации и глобализации

    ... Влияние теоретических концепций бухгалтерского учета, доминирующих в стране. Системы национальных стандартов базируются на определенных научных концепциях.Список ... СодержаниеСистемы бухгалтерского учета и процесс его стандартизации и глобализации В ...

    Разработка семантической модели угроз информационной безопасности для автоматизированных банковских систем

    Разработка семантической модели угроз информационной безопасности для автоматизированных банковских систем (АБС). Глубокий анализ рисков, метаданных и актуальных методологий защиты.

    курсовая Движущие силы воспитательного процесса в школе

    ... трудности для процесса социализации личности, одним из важнейших аспектов которого является усвоение системы ценностей, ... выявить и охарактеризовать основные движущие силы воспитательного процесса в современной школе. Достижение поставленной ...

    Анализ системы управленческих полномочий и процесса делегирования в организации

    Детальный разбор теории управленческих полномочий и делегирования для курсовой работы. Рассмотрены виды, цели и барьеры, а также предложена методология для анализа.

    Разработка веб-сервиса для контроля автоматизированной системы управления приточными установками по сети Интернет

    Разработка веб-сервиса для удаленного контроля АСУ приточными установками. Обзор технологий, безопасности и экономической эффективности. Повысьте комфорт и снизьте расходы.

    Комплексный реферат: Проектирование, внедрение и безопасная эксплуатация баз данных для автоматизированных информационных систем предприятия

    Комплексный реферат о проектировании, внедрении и безопасной эксплуатации баз данных (БД) для автоматизированных информационных систем (АИС) предприятия. Узнайте о нормализации, методологиях и SEO.

    Система государственного регулирования миграционных процессов в Российской Федерации: комплексный анализ

    Детальный разбор дипломной работы по госрегулированию миграции. Изучены теория, законодательство РФ, статистика Росстата и актуальные проблемы на примере СПб.

Похожие записи