Разработка автоматизированной системы управления балансировкой шлифовальных кругов на основе цифрового двойника

Введение

В отрасли металлообработки один из важнейших процессов – это шлифование деталей. Возникающие вследствие неуравновешенности круга динамические силы вызывают вибрацию шпинделя станка, вследствие чего ухудшается качество шлифуемой поверхности, чрезмерно растёт износ подшипников и круга, уменьшается срок службы станка.

На геометрическую точность обработки, в первую очередь, влияет уравновешенность шлифовального круга. Тщательная балансировка шлифовальных кругов гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию станка и высокое качество выпускаемых заготовок. 

Основная часть

Разработка автоматизированной системы управления балансировкой шлифовальных кругов на основе цифрового двойника

Цифровой двойник (ЦД) технологического процесса позволяет управлять процессом балансировки и предсказывает, когда круг разбалансируется, а также ЦД может предсказывать, через какой промежуток времени нужно сделать правку круга (рис. 1).

ЦД следит за количеством материала, и перед тем как материал будет заканчиваться, ЦД даст визуализированное сообщение о том, что нужно пополнить материал на складе. Также идёт запись в базу данных (рис. 2), сколько было израсходовано и сколько осталось на складе материала.


Входными значениями ЦД являются (рис. 3):

Разработка программного обеспечения системы управления

Система управления – это совокупность элементов и набор средств, позволяющих собирать сведения о контролируемом объекте и средствах воздействий, которые были направлены на поведение объекта для достижения поставленных целей.

Устройство для автоматической балансировки шлифовальных кругов состоит из электронного измерительного прибора с датчиком колебаний. Неуравновешенность шлифовального круга определяется измерительным устройством.

Для разработки системы управления была создана математическая модель. 

Моделирование процесса балансировки

На качество обработки и точность влияют погрешности, возникшие вследствие дисбаланса шлифовального круга. Балансирующие устройства, разрабатываемые в мире, позволяют балансировать шлифовальный круг в процессе обработки деталей. Возникает вопрос о влиянии балансировки на качество поверхности обрабатываемой детали.

Образующуюся при круглом шлифовании поверхность можно рассматривать как след движения одной производящей линии по другой: образующей по направляющей. Производящие линии задаются формирующими движениями, точность которых обусловлена классом точности станка.

Для оценки этого влияния необходимо проанализировать весь частотный спектр относительных колебаний с целью качественной оценки влияния отдельных частот на характер формо­образования и, в конечном итоге, на точность обработки (размер, продольную и поперечную геометрию).

Для создания модели процесса балансировки шлифовального круга нужно построить траекторию движения центра масс системы непосредственно во время работы шлифовального круга. Узел регулировки масс (рис. 4) представляет собой два кольца с регулируемыми массами 1 и 2, помещённые в центре тяжести шлифовального круга на плоскости 3, в пазу 4.

Производится балансировка поворотом колец поочередно 1 и 2 в сторону снижения дисбаланса при последовательном подключении привода к первому кольцу, затем вновь ко второму и т.д. Дисбаланс снижается со временем до требуемого уровня. Задачей балансировки является создание вектора силы, равного вектору дисбаланса и противоположно направленного ему, за счёт поворота регулируемых масс 2 и 1. На рис. 5a показана схема действующих сил в плоскости центра тяжести круга в начальный момент балансировки.

Здесь K₁ и K₂ – дисбалансы регулируемых масс 1 и 2, а Δ – дисбаланс шлифовального круга. Если рассмотреть случай, где показано K₁ = K₂ = D и α = 60°, то очевидно, что получить замкнутую систему трёх данных векторов (т.е. отбалансировать круг) можно поворотом K₂ на 60° против часовой стрелки. Понятно, что сила P(t), действующая на вращающийся шпиндель шлифовального круга, изменится за время поворота K₂ от P(t) = Δ до P(t) = 0.

На рис. 5б представлена упрощённая модель колебательной системы шпинделя при воздействии переменной силы P(t). Поскольку наиболее важными являются колебания в направлении радиальной силы резания, рассматриваются перемещения шпинделя вдоль оси X, совмещённой с направлением радиуса шлифовального круга.

Уравнение движения расчётной массы для этой схемы имеет вид:

где η – коэффициент затухания колебаний системы;

x – расстояние между центром масс шлифовального круга и мгновенным центром его вращения;

c – жёсткость шпинделя;

ρ=√c/m — частота собственных колебаний;

K₁, K₂ – дисбалансы регулирующих масс;

m – суммарная масса шлифовального круга и шпинделя;

α – угол между Д, К₁ и К₂;

t – время;

ω – разность между угловой скоростью регулирующей массы и угловой скоростью круга.

Работа была реализована с помощью программы SimInTech в структурной схеме, показанной на рис. 6.

Программная часть системы управления

На рис. 7 показана программа системы управления. Система управления была разработана с помощью математической модели.

Описание программных блоков:

Визуализация цифрового двойника

Цифровой двойник будет делать четыре предсказания:

ЦД будет выдавать значения дисбаланса круга, а система управления будет исправлять дисбаланс.

На визуализации показана модель ЦД, которая выполняет балансировку шлифовального круга (рис. 8 смотрите в электронной версии журнала).

На визуализации есть кнопка включения и выключения ЦД, также есть лампа, которая загорается при аварии, и кнопка для сброса аварийного режима. Дополнительно показан график правки и окно, где выводится количество правок за весь жизненный цикл шлифовального круга, также есть кнопка сброса правки. Кнопка сброса правки нужна для обнуления значения правки – это будет происходить, если система автоматически не будет сбрасывать значение после выполнения замены шлифовального круга. Состояние круга зависит от его правки, при каждой правке шлифовальный круг в среднем теряет 5 процентов от своих предыдущих размеров. Окно «Состояние станка» показывает число 1, если станок включен, и значение 0, если станок выключен. Информацию о станке ЦД получает от системы управления. Окно «Остаток на складе» и «Израсходовано материала» берётся из базы данных, которая ведёт подсчёт количества материала, база данных показана на рис. 2. Модель балансировки показывает, на какой угол происходит отклонение шлифовального круга. Примеры работы ЦД представлены на рис. 8, 9 (смотрите в электронной версии журнала). 

Визуализация системы управления (СУ)

На визуализации СУ показана балансировка шлифовального круга, на которой будет загораться сигнал о том, включён или выключен станок. Показывается, в каком состоянии находится балансир (в работе/включен/готов), также есть окна, на которых виден текущий, допустимый и программный дисбаланс круга. Кнопки выбора режима работы балансировки нужны для выбора ручного или автоматического режима, также есть лампочка аварии и кнопка сброса аварии, сигнал правки. Измерения колебаний показывает шкала, где отклонение может быть на 3 градуса вправо и 3 градуса влево. Пример работы СУ представлен на рис. 10, 11 (смотрите в электронной версии журнала). 

Заключение

В процессе работы были изучены принципы технологического процесса шлифования деталей типа «вал».
В результате работы был проведён сравнительный анализ оборудования и спроектированы система управления и цифровой двойник процесса балансировки шлифовальных кругов. Предложенный цифровой двойник прогнозирует и мониторит входные и выходные данные технологического процесса балансировки шлифовального круга, а также записывает в базу данных значения, которые обрабатывает цифровой двойник. Применение разработанной системы позволит добиться более точной обработки деталей типа «вал» и тем самым снизить затраты и время на обработку деталей.

Какими бы точными ни были станки, процесс шлифования всегда сопровождается различными возмущениями, поэтому дальнейшее повышение точности шлифования возможно лишь с применением автоматического управления и диагностики, чем и определяется актуальность данного исследования. Для диагностики процесса была предложена схема расчёта, которая позволила теоретически исследовать поведение неуравновешенного шлифовального круга в процессе работы с учётом упругих свойств абразива.

Результаты моделирования могут быть использованы для решения задач оптимизации процесса шлифования, прогнозирования качества выпускаемых изделий и проектирования систем автобалансировки. В результате тестирования прототип системы продемонстрировал стабильную и корректную работу. Выявленные недостатки были оперативно устранены. Однако систему можно развивать в дальнейшем для большего количества выполняемых задач. 

Литература