Усовершенствование автоматизированной электромеханической системы для виброобработки металлических деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбасская государственная машиностроительная академия

Усовершенствование автоматизированной электромеханической системы для виброобработки металлических деталей

Шеремет А.И.

УДК [621.313-837:621.9]:004.4 (048)

Рекомендовано к печати д.т.н., проф. Родькиным Д.Й.

15.04. 2006

Введение

Одним из наиболее эффективных и экономичных способов снижения остаточных механических напряжений в металлических деталях является виброобработка, реализуемая специальными электромеханическими системами. Предварительные исследования показали, что существующие электромеханические системы не имеют возможности вести виброобработку деталей одновременно на всех резонансных частотах, что ведет к росту энергозатрат и увеличению длительности обработки.

Цель работы. Основной целью проведенных в работе исследований было рассмотрение возможности усовершенствования автоматизированной электромеханической системы, предназначенной для виброобработки металлических деталей одновременно на всех резонансных частотах.

Материал и результаты исследований

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для автоматизированной виброобработки деталей, содержащее соединенные с обрабатываемой деталью линейный двигатель возвратно-поступательного движения и вибродатчик, компьютер, имеющий внешние порты, введены цифро-аналоговый преобразователь, усилитель мощности, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым внешним портом компьютера, а вход его соединен с выходом вибродатчика. Вход цифро-аналогового преобразователя подключен ко второму внешнему порту компьютера, а его выход через усилитель мощности подключен к линейному двигателю возвратно-поступательного движения.

Предложенная автоматизированная электромеханическая система для виброобработки обеспечивает уменьшение времени виброобработки, а также снижает энергозатраты на нее за счет того, что виброобработка ведется одновременно на всех резонансных частотах, которые предварительно определяются при помощи специальной тестовой процедуры.

Применение предложенной автоматизированной электромеханической системы для виброобработки дает возможность поднять процесс виброобработки на качественно новый уровень автоматизации, обеспечивает активный диалог оператора с компьютером и позволяет реализовать современные функциональные возможности систем автоматического управления, такие как мониторинг процесса, протоколирование, программные защиты от сбоев и т.п.

Суть усовершенствования объясняется структурной схемой предложенной автоматизированной электромеханической системы вибростабилизирующей обработки, которая представлена на рис. 1 [1].

Рисунок 1 - Структурная схема автоматизированной электромеханической системы для виброобработки металлических деталей

Автоматизированная электромеханическая система виброобработки (рис. 1) включает компьютер 1, имеющий внешние порты. Первый порт компьютера 1 подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя 2, вход которого соединен с выходом вибродатчика 3, установленным непосредственно на обрабатываемой детали 4. Второй внешний порт компьютера подключен к входу цифро-аналогового преобразователя 5, выход которого соединен со входом усилителя мощности 6. Выход усилителя мощности 6 связан с электродинамическим линейным двигателем возвратно-поступательного движения 7, который выполняет виброобработку детали 4.

Оптимальный способ управления электромеханической системой виброобработки реализуется следующим образом.

Вначале на деталь воздействуют периодическими механическими сигналами вида

,(1)

где - равные амплитуды вибровоздействия; - перестраиваемая частота в частотном диапазоне, ограниченном максимальной и минимальной резонансными частотами детали.

При определении амплитуды сигнала виброобработки необходимо учитывать два момента: во-первых, массу обрабатываемой детали и, во-вторых, коэффициент динамичности .

Для определения амплитуды виброобработки можно использовать формулу

,

где m - масса обрабатываемой детали;

g - ускорение свободного падения;

о -конструктивный коэффициент, который учитывающий наличие сухого трения в системе.

Шаг, с которым меняется перестраиваемая частота выбирается опытным путем (как правило, достаточно шага в 1 Гц).

Типовая форма тестового воздействия в относительных единицах показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Тестовое вибровоздействие в относительных единицах

Длительность теста вычисляется по формуле

,

где f - тестовая частота, Гц.

Время тестирования мало. Так, при тестировании в диапазоне частот от 1 до 15000 Гц, время теста составит 10,2 секунд. По результатам тестирования определяются резонансные частоты детали щ_pi.

Далее на деталь воздействуют периодическим сигналом, который имеет вид виброобработка электромеханический автоматизированный

,(2)

где - i-я резонансная частота детали;

- амплитуда сигнала вибровоздействия.

Типовая форма вибровоздействия для детали, имеющей три резонансные частоты (например, для прокатного валка), представляет собой или полигармонику (рис. 3), или почти периодическое воздействие [2].

Время воздействия сигналом (2) определяется периодом сложного гармонического сигнала виброобработки (3)

,(3)

где - первая (наименьшая) резонансная частота детали.

Рисунок 3 - Возможная форма вибровоздействия для детали, имеющей три резонансные частоты, построенная в относительных единицах

После вибровоздействия сигналом вида (1) повторяется операция тестирования, результатом которой являются данные о смещении значений резонансных частот в область низких. Вибровоздействие периодическим сигналом вида (2) с новыми значениями и тестирование повторяется последовательно до тех пор, пока не прекратится смещение резонансных частот в область низких.

Предлагаемый способ реализуется устройством, которое работает следующим образом [3]. Обрабатываемая деталь, жестко связанная с линейным двигателем возвратно-поступательного движения, находится под воздействием механических колебаний. Сначала компьютер (рис. 1) в соответствии с тестовой подпрограммой формирует тестовый синусоидальный сигнал вида (1).

Потом этот сигнал через второй порт компьютера, цифро-аналоговый преобразователь 5 и усилитель мощности 6 подается на вибровозбудитель 7, который непосредственно воздействует на деталь 4. Если данная тестовая частота совпадает с резонансной частотой детали, то на выходе вибродатчика 3 формируется реакция детали на это действие в виде резкого скачка электрического напряжения. Выходной сигнал с вибродатчика через аналого-цифровой преобразователь 2, где он превращается в цифровой код, поступает через первый порт в компьютер. В компьютере цифровой код с выхода аналогово-цифрового преобразователя запоминается и обрабатывается подпрограммой определения резонансных частот детали.

После проведения теста в памяти компьютера появляются ранжированные данные в виде цифровых кодов n резонансных частот детали. После этого, по специальной подпрограмме, система выполняет формирование n синусоидальных функций с определенными ранее резонансными частотами . Потом программно синтезируется периодическая функция, которая имеет вид (2).

Сигнал периодической функции (2) через второй порт, цифро-аналоговый преобразователь 5 и усилитель мощности 6 подается на вибровозбудитель 7.

Операции вибровоздействия вида (2) и тестирования вида (1) выполняется последовательно по общей программе до тех пор, пока подпрограмма тестирования не определит отсутствие смещения резонансных частот в область низких.

Параллельно с рабочими подпрограммами для управления вибровозбудителем и подпрограммами анализа входных данных, в системе работают подпрограммы оценки хода виброобработки и визуализации результатов. Оператор имеет возможность постоянно следить за ходом виброобработки и влиять на этот процесс. Мониторинг выполняется при помощи вывода графических данных на экран монитора компьютера. По окончании работы на принтере распечатывается протокол обработки. Также можно использовать плоттер для выведения больших графиков и диаграмм хода процесса виброобработки.

В схеме (рис. 1) используется IBM PC совместимый компьютер на базе процессора Intel Pentium III, который обеспечивает достаточно высокую производительность системы.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2 выполнен на базе быстродействующего прецизионного АЦП типа К1107ПВ3.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 5 выполнен на базе быстродействующего прецизионного ЦАП типа К572ПА2.

В качестве усилителя мощности 6 использован типовой электронный усилитель мощности типа УМ 22 - 2 или усилитель, выполненный на базе силового транзистора, например, типа ТКD 133 - 200 - 4 c предусилителем на базе операционного усилителя типа К140УД13.

На рис. 4 приведена блок-схема алгоритма программы автоматического управления процессом виброобработки со вспомогательными подпрограммами (ПП).

Для хранения сведений о течении процесса виброобработки управляющая программа использует два двумерных массива. Каждый массив содержит два столбца и n строк. В первый столбец записываются значения времени с шагом Дt, а во второй - значения виброускорения в эти моменты времени. Вначале виброобработки массивы данных текущего цикла обработки D₁ и предыдущего D₂ обнуляются. Затем запускается линейный двигатель и производится тестирование по закону (1). С вибродатчика поступает сигнал, который программа интерпретирует в массив D₁. Подпрограмма обработки данных проводит анализ массива D₁ для выделения наиболее ярко выраженных резонансных частот. Если значения массивов D₁=D₂ с некоторой точностью, то это значит, что смещение резонансных частот детали в область низких прекращается и процесс вибростабилизации можно завершить, остановив двигатель. Если же данные в массивах значительно отличаются, то подпрограмма формирования сигналов задает вибровоздействие по закону (2), которое длится в течение времени, определяемого подпрограммой временной задержки. Затем данные из массива D₁ копируются в массив D₂ и алгоритм повторяется в цикле. Для того, чтобы не допустить достижения виброускорением критических значений, которые могут повредить деталь, перед формированием сигнала воздействия проверяется условие D₁>D_кр, где D_кр - массив, описывающий критические значения ускорения. В случае выполнения этого условия управляющая программа немедленно прекращает виброобработку.

Кроме подпрограмм протоколирования и мониторинга в ветку, параллельную главной, можно включить те подпрограммы, которые необходимы пользователю, причем этот набор можно изменять как статически, так и динамически, т.е. непосредственно в процессе обработки можно добавить подпрограмму, например, контроля сбоев системы (максимальных и минимальных значений рабочих параметров).

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма программы автоматического управления процессом виброобработки

Так как виброобработка ведется механическими сигналами в спектре которых присутствуют только резонансные частоты, количество которых в несколько сотен раз меньше общего количества частот в диапазоне , энергетические затраты в предлагаемом способе в несколько сотен раз уменьшаются.

Приоритет предлагаемого решения подтвержден патентом [4] на способ автоматизированной виброобработки металлических деталей и автоматизированную электромеханическую систему для его реализации.

Усовершенствованная автоматизированная электромеханическая система виброобработки использует цифровую систему управления. При этом компьютер выполняет следующие задачи:

- осуществляет управление процессом виброобработки посредством программных регуляторов виброускорения и тока;

- выступает в роли задатчика сложного полигармонического или почти периодического управляющего сигнала.

Компьютер представляет собой два программных регуляторами: регулятор тока и регулятор виброускорения. Последний выполняет также функции задатчика сложного полигармонического или почти периодического сигнала. Программная структура регулятора виброускорения меняется в зависимости от режима работы: тест или виброобработка. Регулятор тока выполняет функции программного ограничителя максимального тока посредством воздействия на регулятор виброускорения, который снижает ускорение.

Выводы

1. Усовершенствованная автоматизированная электромеханическая система для виброобработки обеспечивает уменьшение времени виброобработки, а также снижает энергозатраты на нее за счет реализации ею оптимального способа обработки.

2. Разработанный способ определения собственных частот детали, используемый вибросистемой, обладает высоким быстродействием - на тестирование всего возможного диапазона резонансных частот тратится не более 10 секунд.

3. Автоматизированная электромеханическая система использует гибкий алгоритм обработки, поскольку большая часть ее регуляторов реализуется программным путем, что дает возможность поднять процесс виброобработки на качественно новый уровень автоматизации.

Литература

1. Панкратов А.И., Шеремет А.И. Автоматизация процесса релаксационной виброобработки деталей горных машин // Сб. трудов Международной НТК «Горная энергомеханика и автоматика». - Донецк: ДонНТУ, 2003. - С. 152-157.

2. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник: В 2 т. / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1 - 448 с.

3. Пат. 63094 А Україна, МПК C21D1/04, C21D10/00. Спосіб автоматичної віброобробки металевих деталей та автоматизована електромеханічна система для його здійснення / А.І. Панкратов, О.І. Шеремет (Україна). - №2002119296; Заявлено 22.11.2002; Опубл.15.01.2004, Бюл. № 1. - 5 с.

4. Пат. 56421 А Україна, МПК C21D1/04. Спосіб автоматичної віброобробки металевих деталей / А.І. Панкратов, О.І. Шеремет (Україна). - №2002043116; Заявлено 16.04.2002; Опубл.15.05.2003, Бюл. № 5. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru