Способ управления процессом накатывания резьбы и система автоматического управления процессом накатывания резьбы

 

Использование: автоматизация процессов обработки металлов давлением. Сущность изобретения: способ включает операцию формирования усилия на подвижный ролик в функции отклонения текущего значения температуры в зоне контакта инструмента и заготовки от заданного программного значения с одновременной коррекцией этого усилия в функции отклонения текущего значения температуры от значения, заданного динамической моделью оптимального изменения температуры в зоне контакта. Дано уравнение для определения температуры в зоне контакта динамической модели. Способ предусматривает текущий контроль за температурой в зоне контакта и осуществления коррекции по допустимым граничным значениям. Для реализации способа предложена система управления. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к автоматизации процессов обработки металлов давлением и может быть использовано для изготовления деталей с резьбой в автоматическом режиме.

Известен способ определения оптимального режима накатывания резьбы, основанный на формировании усилия накатывания резьбы в функции величины реактивных усилий [1] Недостатком этого способа является снижение качества накатываемой резьбы из-за того, что он не позволяет учитывать температурный режим накатывания, представляющий собой сложный динамический процесс.

В настоящее время в области накатывания резьбы отсутствуют системы автоматического управления (САУ), построенные на принципе обратной связи и использующие информацию о текущем состоянии технологического процесса накатывания резьбы. Известны системы построенные по разомкнутому принципу и основанные на программном формировании усилий на инструмент через гидро- или электромеханический привод, например резьбонакатной станок UPW (12.5х70), 31 [2] Целью изобретения является повышение и стабилизация качества накатываемой резьбы при изготовлении большой партии резьбовых деталей и при действии дестабилизирующих технологических факторов.

Это достигается тем, что в известном способе управления процессом накатывания резьбы, характеризующимся формированием усилия на подвижный ролик, усилие на подвижный ролик формируют в функции отклонения Δ Θ(t) текущего значения температуры Θ (t) в зоне контакта инструмента и заготовки от заданного программного значения Θ_пр(t) с одновременной коррекцией этого усилия в функции отклонения Δ Θ_м(t) текущего значения температуры Θ (t) от значения, заданного динамической моделью желаемого (оптимального) изменения температуры Θ_оп(t) в зоне контакта, которая (модель) имеет для каждого класса материалов свои значения параметров.

Кроме того, с целью оптимизации процесса накатывания динамическую модель желаемого изменения температуры в зоне контакта в процессе накатывания резьбы, формируют, например, в виде дифференциального уравнения T² + 2ζT + Θ_оп(t) K Θ_пр(t) (1) где T постоянная колебательного звена; ζ коэффициент демпфирования; k коэффициент передачи; Θ_оп(t) текущее значение желаемой (оптимальной) температуры в зоне контакта; Θ_пр(t) программное значение температуры; t время накатывания, причем имеют свои значения для каждого класса материалов.

Кроме того, цель достигается за счет того, что в процессе накатывания осуществляют текущий контроль температуры в зоне контакта и определяют разность текущего значения температуры Θ (t) и граничных значений температуры Θ_B (t) и Θ_H (t), в случае, если текущее значение температуры превышает допустимое значение, дают команду на остановку процесса накатывания, причем верхнюю Θ_B (t) и нижнюю Θ_H (t) границы допустимых значений Θ (t) формируют, в частности, в виде динамической модели описанной уравнением (I), где
T∈ (T_в, T_н), ζ∈ (ζ_в, ζ_н), K∈ (K_в, K_н) причем индекс В относится к значениям параметров для верхней границы, а Н для нижней.

По величине Δ Θ_B (t) и Δ Θ_H (t) формируются сигналы "0" и "1" на логическом элементе.

Цель достигается также системой автоматического управления технологическим процессом накатывания резьбы круглыми роликами, содержащей привод (исполнительный механизм) для формирования усилия на резьбонакатной ролик и электропривод вращения роликов, в которой имеется датчик температуры в зоне контакта ролика и заготовки, блок дифференцирования (дифференциатор), бок управления, блок программ, логический блок, который останавливает процесс накатывания при выходе его за пределы допустимого качества, четыре элемента сравнения и три блока вычислительных устройств, реализующие соответствующие динамические модели в виде некоторой функции времени, причем 1-й блок реализует динамическую модель оптимального режима накатывания, 2-й и 3-й блоки реализуют динамические модели верхней и нижней границ допустимых режимов накатывания, причем все элементы связаны между собой таким образом, что выход датчика температуры соединен с входами блока дифференцирования и 1-го элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока программ, который реализует для каждого класса материалов установочные значения температуры в зоне накатывания, а выходы блока дифференцирования и 1-го элемента сравнения соединены с 1-м и 2-м входами блока управления, выход которого соединен с входом привода формирования усилия на резьбонакатной ролик, одновременно 2-й вход блока управления соединен с выходом 2-го элемента сравнения, два входа которого соединены с выходом датчика температуры и выходом первого вычислительного устройства, вход которого соединен с выходом блока программ, который соединен с входами второго и третьего вычислительных устройств, выходы которых соединены с входами 3-го и 4-го элемента сравнения, вторые входы которых соединены с датчиками температуры, а выходы с 1-м и 2-м входами логического блока, формирующего сигнал "Останов", приводящий к остановке процесса накатывания резьбы.

Кроме того, с целью повышения запаса устойчивости и уменьшения динамической ошибки, в блок управления включены два усилителя, два интегратора, дифференциатор, элемент обратной связи, блок формирования сигналов коррекции коэффициентов, четыре блока умножения, сумматор, электромеханический преобразователь, причем 3-й вход блока управления является одновременно первым входом первого усилителя, выход которого соединен через элемент обратной связи с вторым входом первого усилителя, одновременно выход первого интегратора подключен к входу блока формирования сигналов коррекции коэффициентов, имеющему четыре выхода, соединенные с первыми входами четырех блоков умножения, выходы которых соединены соответствующими четырьмя входами сумматора, а вторые входы первых трех блоков умножения соединены с вторым входом блока управления, через второй интегратор, второй усилитель и дифференциатор соответственно, второй вход четвертого блока умножения является первым входом блока управления, а выход сумматора соединен с входом электромеханического преобразователя или усилителя, который далее подключен к входу привода (исполнительного механизма).

Кроме того, с целью устранения ложных срабатываний, логический блок содержит два нелинейных элемента, сумматор, двухпозиционное реле, реле времени, логический элемент И так, что 1-й и 2-й входы логического блока являются соответствующими входами нелинейных блоков, выходы которых через сумматор и двухпозиционное реле соединены с первым входом логического элемента И, второй вход которого также соединен с выходом двухпозиционного реле через реле времени, а выход логического элемента подключен к входу соответствующего аварийного устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема системы автоматического управления технологическим процессом накатывания резьбы круглыми роликами; на фиг. 2 схема блока управления 3; на фиг. 3 схема логического блока.

Система автоматического управления (фиг. 1) содержит датчик 1 температуры в зоне контакта ролика и заготовки, блок 2 дифференцирования (дифференциатор) блок 3 управления, блок 4 программ, логический блок 5, который останавливает процесс накатывания при выходе его за пределы допустимого качества, четыре элемента сравнения 6, 7, 8, 9 и три вычислительных устройства 10, 11, 12, реализующих соответствующие динамические модели.

Первое вычислительное устройство 10 реализует динамическую модель оптимального режима накатывания, второе 11 и третье 12 вычислительные устройства реализуют динамические модели верхней и нижней границ допустимых режимов накатывания, причем все элементы связаны между собой таким образом, что выход датчика 1 температуры соединен с входами блока 2 дифференцирования и элемента сравнения 6, второй вход которого соединен с выходом блока 4 программ, который реализует для каждого класса материалов установочные значения температуры в зоне накатывания. Выходы блока 2 дифференцирования и элемента сравнения 6 соединены с первым и вторым входами блока 3 управления, выход которого соединен с входом привода 13 формирования усилия на резьбонакатный ролик станка 14.

Одновременно третий вход блока управления 3 соединен с выходом второго элемента сравнения 7, два входа которого соединены с выходом датчика 1 температуры и выходом первого вычислительного устройства 10, вход которого соединен с выходом блока программ 4, который также соединен с входами второго и третьего вычислительных устройств 11 и 12, выходы которых соединены с входами элементов сравнения 8 и 9 соответственно, вторые входы которых соединены с датчиком температуры, а выходы с первым и вторым входами логического блока 5, формирующего сигнал "Останов", приводящий к остановке процесса накатывания резьбы.

Блок управления (фиг. 2) содержит два усилителя 15 и 16, два интегратора 17, 18, дифференциатор 19, элемент 20 обратной связи, блок 21 формирования сигналов коррекции коэффициентов, четыре блока умножения 22, 23, 24, 25, сумматор 26, электромеханический преобразователь 27, причем третий вход блока 3 управления является одновременно первым входом усилителя 15, выход которого соединен с входом интегратора 17, а выход последнего соединен через элемент обратной связи с вторым входом усилителя 15. Одновременно выход интегратора 17 подключен к входу блока 21 формирования сигналов коррекции коэффициентов, имеющего четыре выхода, соединяющих последний с первыми входами четырех блоков умножения 22, 23, 24, 25, выходы которых соединены соответствующими четырьмя входами сумматора 26, а вторые входы первых трех блоков умножения соединены с вторым входом блока 3 управления через интегратор 18, дифференциатор 19 и усилитель 16 соответственно. Второй вход блока умножения 25 является первым входом блока 3 управления, а выход сумматора 26 соединен с входом электромеханического преобразователя 27, который далее подключен к входу привода (исполнительного механизма) 13.

Блок 21 формирования сигналов коррекции коэффициентов представляет собой четырехканальное устройство, в каждый из каналов которого включен нелинейный элемент типа зона нечувствительности ограничение, техническая реализация которого может быть осуществлена на диодных функциональных преобразователях [3] Причем, на расчетном режиме при Δ Θ_м δ_м 0 на выходе всех нелинейных элементов сигнал коррекции коэффициентов равен 1 (единице), а на нерасчетных режимах значения сигналов коррекции коэффициентов меняются, как показали эксперименты, в пределах от 2,5 до 5. Конкретные значения этих сигналов формируются экспериментальным путем в зависимости от свойств материала.

Для устранения ложных срабатываний в логический блок 5 (фиг. 3) включены нелинейные элементы 28, выделяющие положительные значения сигналов, сумматор 29, двухпозиционное реле 30, на выходе которого формируются сигналы "0" или "+1", реле времени 31, логический элемент И 32. Соединение этих элементов осуществляется таким образом, что 1-й и 2-й входы логического блока 5 являются соответствующими входами нелинейных элементов 28, выходы которых через сумматор 29 и двухпозиционное реле 30 соединены с первым входом логического элемента 32, второй вход которого также соединен с выходом двухпозиционного реле 30 через реле времени 31, а выход логического элемента 32 подключен к входу соответствующего аварийного устройства.

Способ осуществляется с помощью системы автоматического управления следующим образом.

Вначале осуществляют технологическую подготовку оборудования для накатывания резьбы в автоматическом режиме. Для этого берут заготовку, технологически подготовленную под накатывание резьбы, и устанавливают ее на опорном ноже резьбонакатного станка (например р, типа UPW 12,5 х 70), имеющего гидравлический привод для формирования усилия на резьбонакатные ролики и электропривод для ручного регулирования частоты вращения резьбонакатных роликов. Далее с помощью устройства запуска станок и его системы выводят на режим, при котором возможна работа автоматической системы управления. Затем включают предлагаемую систему автоматического управления процессом накатывания резьбы.

Процесс накатывания резьбы начинается с одновременного внедрения резьбонакатных роликов в заготовку, при этом измеряют с помощью датчика (например, оптоэлектронного) температуры одно текущее значение температуры Θ(t) в зоне контакта и сравнивают его со значением Θ_пр (t), выдаваемым блоком программ 4, формируя сигнал рассогласования Δ Θ(t).

В блоке программ 4 хранятся заданные установившиеся (конечные) значения температуры в зоне контакта роликов и заготовки, которые получены предварительно экспериментальным путем для каждого класса материалов и типоразмеров резьбы заготовки.

Далее сигнал рассогласования поступает в блок управления 3, одновременно усиливается, дифференцируется, интегрируется и полученные сигналы суммируются с сигналом, пропорциональным скорости изменения температуры в зоне контакта, и суммарный сигнал через электромеханический преобразователь 27 приводит в движение гидромеханический привод (исполнительный механизм) резьбонакатных роликов, изменяющих текущее значение температуры Θ(t) в сторону уменьшения рассогласования Δ Θ (t). Одновременно сигнал Θ_пр(t) с выхода блока программ 4 поступает на вычислительное устройство 10, в котором формируется изменение температуры Θ_оп (t) в зоне контакта, соответствующее оптимальному процессу накатывания для данного материала заготовки и типоразмера резьбы. Это значение сравнивают с текущим значением изменения температуры Θ(t) и по полученному рассогласованию температур Δ Θ_м(t) формируют сигналы коррекции коэффициентов и, реализуя их через блоки умножения 22-25, приводят в дополнительное движение исполнительный механизм (гидропривод станка) резьбонакатных роликов, дополнительно изменяющих текущее значение температуры Θ (t) накатывания в сторону уменьшения рассогласования Δ Θ_м(t).

В случае сильных возмущающих воздействий на систему (износ резьбонакатных роликов, изменения энергетических характеристик гидропривода, наличие заготовок с незапрограммированными механическими характеристиками материала и т. д. ) автоматически формируются сигналы граничных отклонений Δ Θ_Гp(t) текущего значения Θ (t) от того, или иного значения допустимых динамических границ изменения температур, которые задаются соответствующими динамическими кривыми (моделями), формируемыми в вычислительных устройствах (например, в виде дифференциальных уравнений).

Нежелательные отклонения от допустимых динамических границ изменения температуры с помощью нелинейных функций вида:
f (ΔΘ_гр) формируются в виде положительных нелинейных сигналов, которые через двухпозиционное реле 30 (0 или +1) и реле времени 31 формируют сигнал на останов станка, отводящий подвижный резьбонакатной ролик в исходное положение и останавливающий вращение электропривода роликов с помощью стандартного аварийного устройства.

Работа системы автоматического управления заключается в следующем. В каждый момент времени измеряется температура в зоне контакта инструмента и заготовки с помощью датчика 1 и сравнивается с программным значением температуры, выдаваемым блоком 4 программ, в результате сравнения на выходе элемента сравнения 6 получается ошибка (рассогласование), которая в блоке 3 управления, одновременно усиливается усилителем 16, интегрируется интегратором 18 и дифференцируется дифференциатором 19, а затем полученные сигналы суммируются вместе с сигналом производной от текущего значения температуры, получаемым с выхода блока 2, и полученный суммарный сигнал с выхода блока 26 через электромеханический преобразователь 27 идет на вход привода формирования усилия 13 и в соответствии с этим сигналом вырабатывается усилие Р(t) на подвижный ролик, благодаря чему изменяется текущее значение Θ (t) в зоне контакта в сторону уменьшения рассогласования. При отклонении формы изменения текущего значения температуры от желаемой, задаваемой вычислительным устройством 10, появляется рассогласование Δ Θ_м (t), которое преобразуется с помощью усилителя 15, интегратора 17 и элемента обратной связи 20 в сигнал δ_м, в функции которого блок формирования сигналов коррекции коэффициентов 21 формирует сигналы коррекции коэффициентов каналов усиления интегрирования, дифференцирования, ошибки и канала дифференцирования температуры, с помощью нелинейных элементов типа зона нечувствительности ограничение. При этом коэффициенты передачи указанных каналов меняются в сторону уменьшения рассогласования Δ Θ_м (t).

При изменениях текущего значения температуры, выходящих за пределы выбранных нижних и верхних допустимых границ, определяемых вычислительными устройствами 11 и 12 появляются сигналы рассогласования Δ Θ_BГр (t) и Δ Θ_HГр (t) которые, проходя через нелинейные элементы 28 логического блока, преобразуются в положительные сигналы, которые через сумматор 29 и двухпозиционное реле 30 формируют сигналы "0" и "1". При этом появление сигнала "+1" в течение времени, определяемого реле времени 31, вызывает срабатывание логического элемента И 32, который формирует сигнал "Останов" для аварийного устройства.

Как показали экспериментальные исследования, накатывание резьбы N 10 из материала ВНС 5 позволяет изготовить не более пятнадцати образцов с твердостью исходного материала НRC 33.44. При этом, резьбонакатные ролики притупляются по резьбе до величины радиуса при вершине, равной 0,27 мм, что является предельным износом резьбонакатных роликов, при котором затруднено свинчивание стандартной гайки с резьбой образца.

Предлагаемый способ накатывания резьбы и система автоматического управления позволяет накатать более 200 резьбовых образцов одним комплектом резьбонакатных роликов.

Применение обоснованных математических моделей температурных режимов накатывания уменьшает усилие накатывания и обеспечивает высокую стоимость резьбонакатного инструмента более чем в 10 раз.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом накатывания резьбы, включающий формирование усилия на подвижный накатной инструмент, отличающийся тем, что усилие на подвижный инструмент формируют в функции отклонения текущего значения температуры в зоне контакта инструмента и заготовки от заданного программного значения с одновременной коррекцией этого усилия в функции отклонения текущего значения температуры от значения, заданного динамической моделью оптимального изменения температуры в зоне контакта, построенной на взаимосвязи текущего значения температуры с программным значением и временем накатывания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что динамическую модель оптимального изменения температуры в зоне контакта в процессе накатывания строят в виде математической модели, описываемой в виде дифференциального уравнения

+ Θ_оп(t) = K Θ_пр(t),
где T - постоянная колебательного звена для данного класса материалов;
ζ - коэффициент демпфирования;
K - коэффициент передачи;
q_оп(t) - текущее оптимальное значение температуры в зоне контакта, ^oС;
Θ_пр(t) - программное значение температуры, ^oС;
t - время накатывания, с.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют контроль температуры в зоне контакта путем сопоставления текущего значения температуры с заданными допустимыми верхними и нижними граничными значениями температуры и формирования сигнала на останов процесса накатывания по результатам сопоставления, при этом допустимые верхнее и нижнее граничные значения температуры формируют в виде динамических моделей вида

+ Θ_оп(t) = K Θ_пр(t),
где T∈ (T_в, T_н); ζ∈ (ζ_в, ζ_н), K∈ (K_в, K_н), при этом индекс Н относится к значениям параметров для нижней границы, а индекс В - для верхней границы.

4. Система автоматического управления процессом накатывания резьбы, содержащая исполнительный механизм для формирования усилия на подвижный резьбонакатной инструмент и привод перемещения резьбонакатных элементов, отличающаяся тем, что в нее включены датчик температуры в зоне контакта инструмента в виде ролика и заготовки, блок дифференцирования, блок управления, блок программ, логический блок, четыре элемента сравнения и три вычислительных устройства, служащие соответственно для реализации динамической модели оптимального режима накатывания, динамических моделей верхней и нижней границ допустимых значений температуры режима накатывания, причем выход датчика температуры соединен с входом блока дифференцирования и первого элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока программ, реализующего установочные значения температуры в зоне накатывания, а выходы блока дифференцирования и первого элемента сравнения соединены с первым и вторым входами блока управления, выход которого соединен с исполнительным механизмом для формирования усилия на подвижный резьбонакатной инструмент, третий вход блока управления соединен с выходом второго элемента сравнения, два входа которого соединены с выходом датчика температуры и выходом первого вычислительного устройства, вход которого соединен с входами второго и третьего вычислительных устройств, выходы которых соединены с входами третьего и четвертого элементов сравнения, а выходы этих элементов соединены с первым и вторым входами логического блока, формирующего сигнал на остановку процесса накатывания резьбы.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что блок управления, имеющий три входа, выполнен в виде двух усилителей, двух интеграторов, дифференциатора, элемента обратной связи, блока формирования сигналов коррекции коэффициентов, четырех блоков умножения, сумматора, электромеханического преобразователя, при этом третий вход блока управления является одновременно первым входом первого интегратора, а выход последнего через элемент обратной связи соединен с вторым входом первого усилителя и одновременно с входом блока формирования сигналов коррекции коэффициентов, имеющего четыре выхода, соединенных с первыми входами четырех блоков умножения, выходы которых подсоединены к соответствующим четырем входам сумматора, а вторые входы первых трех блоков умножения соединены с вторым входом блока управления через второй интегратор, второй усилитель и дифференциатор соответственно, второй вход четвертого блока умножения является первым входом блока управления, а выход сумматора соединен с входом электромеханического преобразователя, связанного с исполнительным механизмом.

6. Система по пп.4 и 5, отличающаяся тем, что логический блок выполнен в виде двух нелинейных элементов, сумматора, двухпозиционного реле, реле времени и логического элемента И, при этом первый и второй входы логического блока являются соответствующими входами нелинейных элементов, выходы которых через сумматор и двухпозиционное реле соединены с первым входом логического элемента И, второй вход которого также соединен с выходом двухпозиционного реле через реле времени, а выход логического элемента связан с устройством аварийной остановки процесса накатывания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3