Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЕМ РЕЗЦА

Изобретение относится к области высокоскоростной обработки деталей на оборудовании с ЧПУ, в частности к системам повышения точности при механической обработке изделий за счет управляемого охлаждения режущего инструмента.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство охлаждения режущего инструмента [Патент РФ №2470757, кл. B23Q 11/10, 2006 (аналог)].

Недостатком данного устройства является отсутствие режима управления скоростью охлаждения режущего инструмента.

Известно устройство охлаждения режущего инструмента для повышения точности при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ [Патент РФ №2486992, кл. B23Q 11/14, 2006 (прототип)].

Недостатком данного устройство является отсутствие возможности управления силой тока для более эффективного управления скоростью охлаждения режущего инструмента.

Известен способ охлаждения режущей части инструмента [Патент РФ №1255384, кл. B23Q 11/10, 2006 (аналог)].

Недостатком данного способа является применение инструмента сложной конструкции с внутренними полостями для смазочно-охлаждающей жидкости.

Известен способ охлаждения режущего инструмента для повышения точности при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ [Патент РФ №2486992, кл. B23Q 11/14, 2006 (прототип)].

Недостатком данного способа является то, что в нем не предусмотрен режим регулирования силой тока.

Технической задачей изобретения является повышение точности при механической обработке изделий на станках с ЧПУ за счет управления скоростью охлаждения резца и увеличение скорости резания при обеспечении заданной точности.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, включающее компьютер, резец с термоэлементом, генератор постоянного тока, нечеткий контроллер, введена система активного контроля, включающая в себя датчики скорости, подачи и тока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 приведена схема устройства управления охлаждением резца, на Фиг. 2 представлен график для входной величины - температура режущей части резца, на Фиг. 3 представлен график для входной величины - подачи режущего инструмента, на Фиг. 4 представлен график для входной величины - скорость резания, на Фиг. 5 представлен график для выходной величины - сила тока, на Фиг. 6 представлен результат преобразования вектора функции принадлежности i″ в единственное четкое значение.

Устройство управления охлаждением резца содержит деталь 1, переднюю бабку 2, заднюю бабку 3, резец с термоэлементом 4, резцедержатель 5, исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ 6, управляемый генератор тока 7, компьютер 8, токопровод 9, нечеткий контроллер 10, систему активного контроля 11, включающую датчик скорости резания 12, датчик подачи 13 и датчик тока 14, термопару 15.

Связи в устройстве управления охлаждением резца расположены следующим образом: первый выход компьютера 8 соединен первым входом с передней бабкой 2, второй выход компьютера 8 соединен с задней бабкой 3, третий выход компьютера 8 соединен с управляемым генератором тока 7, четвертый выход компьютера 8 соединен с исполнительными механизмами оборудования с ЧПУ 6, которые подключены к резцедержателю 5 с закрепленным в нем резцом с термоэлементом 4, который с помощью токопроводов 9 соединен с выходом управляемого генератора тока 7. Деталь 1 закреплена в передней бабке 2 и задней бабке 3. Первый вход нечеткого контроллера 10 соединен с выходом блока системы активного контроля 11, состоящей из датчика скорости резания 12, датчика подачи 13, датчика сила тока 14, второй вход нечеткого контроллера 10 соединен с термопарой 15, третий выход нечеткого контроллера 10 соединен со вторым входом управляемого генератора тока 7.

Устройство управления охлаждением резца работает следующим образом. При вращении детали 1, установленной в передней бабке 2 и задней бабке 3, и прохождении по ее поверхности резца 4 в зоне резания происходит нагрев режущей части резца 4 и поверхности детали 1, вследствие чего возникают температурные деформации, которые приводят к ухудшению качества обрабатываемой поверхности детали 1.

Для уменьшения температурной деформации и обеспечения управления скоростью охлаждения резца 4 нечеткий контроллер 10 в реальном времени получает данные о температуре режущей части резца от термопары 15, данные о текущем значении скорости резания и подачи от датчиков 12 и 13, затем, исходя из нечетких правил управления, регулирует выходные значения сила тока с генератора постоянного тока 7. При этом если температура резца 4 увеличивается, то необходимо усилить охлаждение резца с помощью увеличения тока, подаваемого на термоэлемент резца с термоэлементом 4 от управляемого генератора постоянного тока 7. В противном случае необходимо ослабить охлаждение резца с помощью уменьшения подачи тока на термоэлемент резца 4 от управляемого генератора постоянного тока 7. Таким образом, осуществляется управляемое охлаждение резца 4, что позволяет увеличить скорость обработки детали при обеспечении заданной точности, без использования смазочно-охлаждающей жидкости.

Способ управления охлаждением резца заключается в следующем.

Первым шагом способа является формирование функций принадлежностей термов входных переменных: температуры в зоне резания T (фиг. 2), подачи режущего инструмента S (фиг. 3) и скорости резания V (фиг. 4). Выходным параметром является величина силы тока I (фиг. 5), подаваемого на элемент Пельтье:

где t - численные значения температуры режущей части резца 4 с термоэлементом; μ(t)→[0, 1] - соответствующие величинам температуры значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1); s - численные значения подачи режущего инструмента; μ(s)→[0, 1] - соответствующие величинам подачи режущего инструмента значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1); ν - численные значения скорости резания; μ(ν)→[0, 1] - соответствующие величинам скорости резания значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1); i - численные значения сила тока; μ(i)→[0, 1] - соответствующие величинам сила тока значения функции принадлежности (из интервала от 0 до 1).

Функции принадлежностей входных переменных T, S и V состоят из трех термов. Для температуры T=[Т₁]+[Т₂]+[Т₃] (фиг. 2), для подачи S=[S₁]+[S₂]+[S₃] (фиг. 3), для скорости резания V=[V₁]+[V₂]+[V₃] (фиг. 4). Функция принадлежности для выходной переменной I состоит из 11 термов - сила тока I=[I₁]+[I₂]+[I₃]+[I₄]+[I₅]+[I₆]+[I₇]+[I₈]+[I₁₀]+[I₁₁] (фиг. 5).

Вторым шагом способа является фазификация, при которой в зависимости от текущего значения температуры t, полученного от термопары 15, значения скорости резания v, и значения подачи s, полученного от датчиков 12 и 13, формируется фаззифицированный вектор значений для каждого терма функции принадлежности t′, s′ и ν′, где текущее значение температуры t является аргументом μ(t), а текущее значение подача s является аргументом μ(s), а текущее значение скорости резания ν является аргументом μ(ν), позволяя найти количественное значение из интервала [0, 1] для t′=μ(t), s′=μ(s) и ν′=μ(ν). Этап фазификации считается законченным, когда будут найдены значения t′, s′ и ν′ для трех термов функций принадлежностей входных величин T, S и V:

Третьим шагом способа является агрегация, при которой с помощью операции нечеткой логики «И» выбирается минимальное значение из термов входных переменных:

где

При этом вектор значений B={b₁, b₂, … b₂₇) ставит в соответствие каждому элементу своего множества b_i, где i=1…27 одно из двадцати семи нечетких правил управления:

НПУ 1: Если «t=t₁» И «s=s₁» И «ν=ν₁» То «i=i₁₁»;

НПУ 2: Если «t=t₁» И «s=s₁» И «ν=ν₂» То «i=i₁₀»;

НПУ 3: Если «t=t₁» И «s=s₁» И «ν=ν₃» То «i=i₉»;

НПУ 4: Если «t=t₁» И «s=s₂» И «ν=ν₁» То «i=i₁₀»;

НПУ 5: Если «t=t₁» И «s=s₂» И «ν=ν₂» То «i=i₉»;

НПУ 6: Если «t=t₁» И «s=s₂» И «ν=ν₃» То «i=i₈»;

НПУ 7: Если «t=t₁» И «s=s₃» И «ν=ν₁» То «i=i₉»;

НПУ 8: Если «t=t₁» И «s=s₃» И «ν=ν₂» То «i=i₈»;

НПУ 9: Если «t=t₁» И «s=s₃» И «ν=ν₃» То «i=i₇»;

НПУ 10: Если «t=t₂» И «s=s₁» И «ν=ν₁» То «i=i₈»;

НПУ 11: Если «t=t₂» И «s=s₁» И «ν=ν₂» То «i=i₇»;

НПУ 12: Если «t=t₂» И «s=s₁» И «ν=ν₃» То «i=i₆»;

НПУ 13: Если «t=t₂» И «s=s₂» И «ν=ν₁» То «i=i₇»;

НПУ 14: Если «t=t₂» И «s=s₂» И «ν=ν₂» То «i=i₆»;

НПУ 15: Если «t=t₂» И «s=s₂» И «ν=ν₃» То «i=i₅»;

НПУ 16: Если «t=t₂» И «s=s₃» И «ν=ν₁» То «i=i₆»;

НПУ 17: Если «t=t₂» И «s=s₃» И «ν=ν₂» То «i=i₅»;

НПУ 18: Если «t=t₂» И «s=s₃» И «ν=ν₃» То «i=i₄»;

НПУ 19: Если «t=t₃» И «s=s₁» И «ν=ν₁» То «i=i₅»;

НПУ 20: Если «t=t₃» И «s=s₁» И «ν=ν₂» То «i=i₄»;

НПУ 21: Если «t=t₃» И «s=s₁» И «ν=ν₃» То «i=i₃»;

НПУ 22: Если «t=t₃» И «s=s₂» И «ν=ν₁» То «i=i₄»;

НПУ 23: Если «t=t₃» И «s=s₂» И «ν=ν₂» То «i=i₃»;

НПУ 24: Если «t=t₃» И «s=s₂» И «ν=ν₃» То «i=i₂»;

НПУ 25: Если «t=t₃» И «s=s₃» И «ν=ν₁» То «i=i₃»;

НПУ 26: Если «t=t₃» И «s=s₃» И «ν=ν₂» То «i=i₂»;

НПУ 27: Если «t=t₃» И «s=s₃» И «ν=ν₃» То «i=i₁».

Так, например, пятый элемент вектора B, определяется с помощью пятого нечеткого правила управления НПУ 5: Если «t=t₁» И «s=s₂» И «ν=ν₂» То «i=i₉».

На четвертом шаге способа осуществляется композиция нечетких правил. На пятом шаге способа методом аккумуляции происходит объединение новых термов и формирование выходного нечеткого вектора функций принадлежности силы тока. На шестом шаге способа с помощью метода центра тяжести рассчитывается четкое выходное значение выходной переменной силы тока

где i_1…11 - численные значения выходного сила тока (от минимального до максимального значения); μ'(i)_1…11 - новые значения выходной величины сила тока в виде новых термов функций принадлежности.

В качестве примера разберем управление величиной силы тока, позволяющее контролировать интенсивность охлаждения резца с термоэлементом за счет увеличения силы тока, подаваемого на термоэлемент резца 4 от управляемого генератора постоянного силы тока 7.

Шаг 1. Строим по формуле (1) функции принадлежности для входных и выходной величин. На фиг. 2 представлен график для входной величины - температуры режущей части резца с термоэлементом 4 - T=(t₁, t₂, t₃), на фиг. 3 представлен график для входной величины - подачи режущего инструмента - S=(s₁, s₂, s₃). На фиг. 4 в представлен график для входной величины - скорость резания - V=(ν₁, ν₂, ν₃), на фиг. 5 представлен график для выходной переменной: величины сила тока - I={i₁, i₂, i₃, i₄, i₅, i₆, i₇, i₈, i₉, i₁₀, i₁₁).

Функция принадлежности для входной переменной температуры T

Для подачи S функция принадлежности запишется в виде

Для скорости резания V функция принадлежности запишется в виде

|

Для выходной переменной величины силы тока I функция принадлежности примет вид

Шаг 2. При поступлении данных в нечеткий контроллер 10 о текущем значении температуры режущей части резца от термопары 15, данных о текущем значении скорости резания и подачи от датчиков 12 и 13 в нем производится перерасчет согласно нечетким правилам управления. Например, если t=574°C, s=0,22 мм/об и ν=163 м/мин, то вектор фаззификации значений для каждого терма входной функции принадлежности t′, s′ и ν′ (фиг. 2, 3 и 4), рассчитанный по формуле 2, выглядит так:

,

,

.

Термы, имеющие нулевой результат, в дальнейших расчетах использоваться не будут.

Шаг 3. На этапе агрегации находится вектор B по формуле 3.

b₁=0, b₂=0, b₃=0, b₄=0, b₅=0, b₆=0, b₇=0, b₈=0, b₉=0, b₁₀=0, b₁₁=0.28, b₁₂=0.07, b₁₃=0, b₁₄=0.2, b₁₅=0.07, b₁₆=0, b₁₇=0, b₁₈=0, b₁₉=0, b₂₀=0.72, b₂₁=0.07, b₂₂=0, b₂₃=0.2. b₂₄=0.07, b₂₅=0, b₂₆=0, b₂₇=0.

Шаг 4. На этапе композиции отбираются нечеткие правила, которые имеют пересечение. Это нечеткие правила с номерами 11, 12, 14, 15, 20, 21, 23 и 24.

НПУ 11: Если «t=t₂» И «s=s₁» И «ν=ν₂» То «i=i₇»;

НПУ 12: Если «t=t₂» И «s=s₁» И «ν=ν₃» То «i=i₆»;

НПУ 14: Если «t=t₂» И «s=s₂» И «ν=ν₂» То «i=i₆»;

НПУ 15: Если «t=t₂» И «s=s₂» И «ν=ν₃» То «i=i₅»;

НПУ 20: Если «t=t₃» И «s=s₁» И «ν=ν₂» То «i=i₄»;

НПУ 21: Если «t=t₃» И «s=s₁» И «ν=ν₃» То «i=i₃»;

НПУ 23: Если «t=t₃» И «s=s₂» И «ν=ν₂» То «i=i₃»;

НПУ 24: Если «t=t₃» И «s=s₂» И «ν=ν₃» То «i=i₂»;

Затем методом нечеткой композиции определяются степени функции принадлежности, которые характеризуются новыми значениями выходной величины сила тока в виде новых термов функций

μ′(i)₁=0, μ′(i)₂=min{0,07; μ(i)₂},

μ′(i)₃=min{0.2; μ(i′)₃}, μ′(i′)₄=min{0,72; μ(i)₄},

μ′(i)₅=0, μ′(i)₆=min{0,2; μ(i)₆},

μ′(i)₇=min{0,28; μ(i)₇}, μ′(i)₈=0,

μ′(i)₉=0, μ′(i)₁₀=0, μ′(i)₁₁=0.

Шаг 5. На этапе аккумуляции происходит объединение всех новых термов и формируется нечеткий вектор функций принадлежности I′. Графический результат показан на фиг. 6.

Шаг 6. На этапе дефазификации по методу центра тяжести (формула 4) вектор функции принадлежности I преобразуется в единственное четкое значение (фиг. 6).

С помощью предложенного способа осуществляется расчет нового значения силы тока для управления скоростью охлаждения резца с термоэлементом 4.

Таким образом, предлагаемый способ и реализующее его устройство позволят в режиме реального времени осуществлять управление скоростью охлаждения резца с термоэлементом путем перерасчета силы тока в случае изменения параметров режима резания.