Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т - ГАБРОВО

Ф А К У Л Т Е Т „Машиностроене и уредостроене”

Катедра „Машиностроителна техника и технологии”

инж. Мадлена Васкова Жилевска

„МОДЕРНИЗАЦИЯ НА КЛАС ФРЕЗОВИ МАШИНИ”

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

на дисертация

за присъждане на образователна и научна степен

„ДОКТОР”

Професионално направление: 5.1 „Машинно Инженерство“

Научна специалност: „Металорежещи машини и системи“

Научен ръководител: доц. д-р инж. Йосиф Митев Митев "

Рецензенти:

доц. д-р инж. Асен Петков Найденов

доц. д-р.инж. Георги Иванов Иванов

Габрово, 2017

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита на заседание на разширен катед-

рен съвет на катедра „Машиностроителна техника и технологии ” към факултет „Машиност-

роене и уредостроене ” на Техническия университет – Габрово, състоял се на 17.02.2017 г.

Дисертационният труд се състои от въведение, пет глави, приложение, използвана ли-

тература, списък на публикациите по труда в общ обем от 130 страници, съдържащи текст,

27 фигури и 21 таблици и 4 внедрявания в производството. Цитирани са 86 литературни из-

точника, от които 63 на латиница и 23 на кирилица. По труда са направени 5 научни публи-

кации. Номерата на фигурите, таблиците и литературните източници в автореферата съвпа-

дат с тези от дисертацията.

Изследванията по дисертацията са извършени в катедра „Машиностроителна техника и

технологии“, факултет „Машиностроене и уредостроене“, Технически университет – Габро-

во и в лабораториите на редица фирми в областта на машиностроенето.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на …………………. от ……………. ч. в

зала ………………………………………. на Технически университет – Габрово, пред 5 член-

но жури, утвърдено съгласно решение на ФС на факултет „Машиностроене и уредостроене”.

Научен ръководител: доц. д-р инж. Йосиф Митев Митев

Автор: маг. инж. Мадлена Васкова Жилевска

Заглавие: МОДЕРНИЗАЦИЯ НА КЛАС ФРЕЗОВИ МАШИНИ

1

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Машиностроенето е основен сектор в българската икономика. Той е предимно екс-

портно ориентиран, а негов най-голям пазар са страните от Европейския съюз. Водещите

търговски партньори на българските машиностроителни предприятия са фирми от Германия,

Италия и Франция. Техническото и технологично развитие и обновяване на бранша, негово-

то развитие в съответствие със съвременните тенденции в машиностроенето, зависят изклю-

чително от възможностите за реализиране на съвместни проекти и производствена дейност с

европейски фирми, от стабилността и разширяването на потребностите на европейския па-

зар.

Членството на България в ЕС и достъпът до европейския пазар имат определящо зна-

чение за формиране на производствена и продуктова структура, както и пазарната политика

на българските машиностроителни предприятия. Външните пазари и преди всичко пазарът в

ЕС са определящи за развитието на българското машиностроене.

Интензивното развитие на промишленото производство е свързано с бързата смяна на

асортимента от произвеждани изделия, предизвикана от динамиката на пазара. Конкуренци-

ята на пазара изисква възможно най- кратки срокове на проектиране, внедряване и производ-

ство при малки производствени разходи.

Едно от главните направления за модернизация на съвременната икономика, на пре-

хода към нов стадий на социален прогрес, се явява иновационната дейност. Машиностроене-

то е естествена среда за иновационни търсения и инициативи и постоянен източник на ино-

вационни решения.

Едновременно с това развитието на технологичния прогрес налага производството на

все по- сложни изделия. Всичко това води до нуждата от разработването на все по- сложни и

обемни управляващи програми за машините с ЦПУ.

В настоящата дисертация проведените изследвания и получените резултати от научно-

изследователската работа са свързани с клас фрезови машини, към които е добавен допъл-

нителен фиксиращ модул, разработена е надеждна логическа схема с цел автоматизация на

технологичния процес и са изследвани изграждащите ги подсистеми.

ГЛАВА 1

ЛИТЕРАТУРЕН ПРЕГЛЕД

1.1. Анализиране на фрезовите машини

1.1.1. Особености

Пред съвременните металорежещи машини се поставят високи изисквания по отно-

шение на тяхната работна точност, производителност, надеждност, енергопоглъщаемост, ре-

монтопригодност и други [17, 76, 79].

Съвременните металорежещи машини обработват детайлите с отклонения от плюс

или минус една десет хилядна от инча. При специални приложения, прецизните машини мо-

гат да достигнат точност в рамките на плюс или минус 2/1000000 от инча [54, 81].

На фиг. 1.1 е представено развитието на машинната точност през годините за различ-

ни класове машини и възможните бъдещи очаквания [9, 37, 47]. От фигурата се вижда, че

тенденцията в бъдеще е към увеличаване на точността при обработка. Това от своя страна

води до повишаване на изискванията към металообработващите машини и елементите, които

ги изграждат.

2

Фиг. 1.1. Развитие на

машинната точност

през годините.

1.1.2. Фрезоване

Фрезоването е високопроизводителен метод на рязане, широко използван за обработ-

ка на равнинни повърхнини, за проразяване на прави и винтови канали с разнообразен про-

фил, за отрязване и други [16]. Процесът на рязане се осъществява чрез въртеливо движение

от инструмента [36]. Подавателното движение осъществява позиционирането на детайла или

инструмента и осъществява процеса на механична обработка. Това движение отговаря на ед-

на координатна ос и може да бъде линейно и въртеливо [80]. При някои случаи на фрезоване

се извършват няколко подавателни движения: обработката на винтов канал се осъществява

чрез две подавателни движения: праволинейно и въртеливо.

Влияние върху фрезовата обработка оказват устойчивостта на инструмента, използва-

ната система за електрозадвижване и мощността на шпиндела [74, 66, 77].

1.1.3 Архитектура и управление

На фиг.1.2 е представена архитектурата на фрезовата машина с ЦПУ и потокът на об-

работваната операция [42, 46, 73, 75].

Фиг. 1.2. Архитектура на

фрезова машина с ЦПУ.

1.1.4. Основни компоненти на системата за ЦПУ

Системата за ЦПУ се състои от три части – звено за цифрово управление, което оси-

гурява потребителския интерфейс и осъществява управление по позиция, електрически дви-

3

гател и задвижваща част.

На фиг.1.3 е представена концепцията на фрезовите машини с ЦПУ от софтуерна и

хардуерна гледна точка [24, 75].

Фиг.1.3. Компоненти

на CNC система.

1.1.6. Особености на разглеждания клас машини

Разглеждания в дисертацията клас машини принадлежат към фрезовите с ЦПУ, като

два такива представители са дадени на фиг. 1.4.

а)

б)

Фиг. 1.4. Машини от разглеждания клас.

Използваните означения са следните: 1 – тяло на машината; 2 – пулт за управление; 3

– двигател за ос х; 5 – инструментален магазин; 6 – двигател за главното движение; 7 – дви-

гател за ос z; 8 – метален шкаф, в който са разположени системата за ЦПУ и съответните

части от електрозадвижванията по съответните координатни оси и шпиндела; 9 – направля-

ващи; 10 – скоростна кутия; 11 – фрезови инструмент; 12 – хоризонтална маса, извършваща

4

линейни движения по координатните оси х и у. При модернизацията на представения клас

машини е добавен допълнителен фиксиращ модул, извършващ ъглово позициониране на де-

тайла, означен с 4 на фигурата. Използваният фиксиращ модул осигурява възможност за

твърдо позициониране на заготовката на дванадесет позиции, тоест през тридесет градуса.

Освен ъгловото позициониране на детайла, машините от разглеждания клас осъщест-

вяват линейно преместване на хоризонталната маса в двете посоки чрез координатни оси х и

у, както и на вертикално разположената ос z. Тяхното задаване се реализира чрез пулта за уп-

равление посредством ладер диаграмата.

1.1.7. Класификация на фрезовите машини

На фиг. 1.6. е предложена разширена класификация на фрезовите машини по редица

съществени признаци [2, 9, 16, 28, 34, 72, 78].

Фиг.1.6. Класификация на фрезовите машини.

1.1.8. Модернизация на фрезови машини

Модернизацията е пътят, който позволява експлоатационните параметри на метало-

режещите машини да бъдат приближени до тези на съвременните образци [9, 20] .

1.1.9. Състояние и тенденции в развитието на металообработващите машини

В днешно време, многокоординатните машини с цифрово-програмно управление

(ЦПУ) са широко използвани при обработка на матрици и сложни геометрични форми. С на-

растващите изисквания за по-добра точност при обработка и по-висока производителност,

непрекъснато се търсят методи и алгоритми за подобряване работата на металорежещите

машини [9, 23,40,82].

След извършеното проучване на множество фирми с многокоординатни машини с

ЦПУ, е направена единна класификация, според броя на управляваните оси, като резултатите

от изследването са представени на фиг. 1.9.

5

Фиг. 1.9. Класификация

според броя на управляе-

мите координатни оси.

От фигурата се вижда, че със значително по-нисък относителен дял са четири и пет-

координатните машини, които осигуряват по-големи технологични възможности в сравнение

с трикоординатните. Поради тази причина се появява необходимост от модернизиране на

съществуващи трикоординатни машини чрез добавяне на допълнителни механизми, като

целта е да се разширят технологичните възможности на машината, да се увеличи производи-

телността и да се осигури възможност за обработка на детайли със значително по-сложни

геометрични форми.

1.2. Програмируем логически контролер

1.2.1. Особености

Програмируемият логически контролер (ПЛК) е микропроцесорна система, която мо-

же да управлява много видове функции с различни нива на сложност [33, 45, 48, 53, 56]. Из-

вършен е сравнителен анализ между управление с програмируем логически контролер и та-

кова с последователно използване на контакти на релета [75].

1.2.3. Програмиране в металорежещи машини с ПЛК

Съществува голямо разнообразие от езици за програмиране, чрез които се реализират

логически условия и МЕК (Международен електрически комитет) класифицира програмния

език като графично и таблично представяне [75]. Графичният език има стълбовидна логика и

е подходящ при съставяне на електрически логически схеми. Като текстови език могат да

бъдат мнемонически таблици, Булев език и машинен език. В практиката е широко използва-

на ладер диаграмата [75].

1.3. Цел и задачи на дисертацията

Целта на дисертацията е да се подобрят възможностите на клас фрезови машини,

като се осигурят по-висока автоматизация на технологичния процес и производител-

ност, както и да бъде разработена надеждна логическа схема.

Изхождайки от поставената цел, главните задачи поставени за разработка в дисерта-

ционния труд, се свеждат до следното:

- избор на система за цифрово-програмно управление;

- разработка на логическата схема за фрезовите машини;

- изследване надеждността за работа на машината;

- въвеждане на допълнителен фиксиращ механизъм;

- реализиране на ръчно и автоматизирано управление на механизма;

- създаване на таблична част на разработената ладер диаграма;

- изследване на отделните подсистеми на машината.

6

ГЛАВА 2

ЛОГИЧЕСКА СХЕМА ЗА ФРЕЗОВИ МАШИНИ

2.1. Блокова схема на системата за ЦПУ

Системата за цифрово-програмно управление (СЦПУ) е широко използвана за управ-

ление на всички отделни възли и компоненти в металообработващите машини, с изключение

на системата за електрозадвижване. На фиг. 2.1 е представена схема на системата от три позиционни електрозадвижвания.

Използваните означения са: ДПТ х, ДПТ у и ДПТ z – двигател за постоянен ток съответно по

х, у и z ос; ДП х, ДП у, ДП z – датчик на път по съответните оси х, у и z; F/Vx, F/Vy, F/Vz –

преобразуватели на честота в напрежение.

Процесор ROM памет

Оперативна

RAM памет

RAM памет

Програмируем

логически

контролер

Входно/

изходни

сигнали

Пулт за

управление

Интерполатор

Поз. схема ос х

Поз. схема ос у

Поз. схема ос z

F/V x

F/V y

F/V z

СЦПУ

Блок

серво

упр.

х

Блок

серво

упр.

у

Блок

серво

упр.

z

ДПТ х

ДПТ у

ДП х

ДП у

ДПТ zДП z

Програматор

Фиг. 2.1. Блокова схема

на СЦПУ.

Процесорът генерира задание към интерполатора за движение, след което тази коман-

да се подава към съответната позиционна схема на координатната ос, преобразува се от чес-

тота в напрежение чрез блока F/V и се подава към блока за серво управление, който управля-

ва двигателя. Датчикът на път генерира импулси за реалната позиция и те постъпват в

СЦПУ, след което процесът се повтаря.

2.2. Методика за разработка на ладер диаграма

Разработката на релейната схема изисква детайлно познаване на всички елементи, ме-

ханизми, периферни устройства и приложения на металообработващата машина. Довеждане-

то до стадий на реална работа в конкретна машина преминава през следните по-важни етапи:

определяне на блоковата схема за разглежданата машина; съставяне на алгоритъм за разра-

ботка на ладер диаграма; изчертаване на релейната схема; съставяне на таблица на базата на

логическата схема; разработка и запис с подходящо устройство; уточняване и извършване на

електрическата инсталация; тестване и проверка на всички защити, блокировки, таймери и

условия.

2.2.1. Блокова схема

На фиг. 2.2 е показана общата блокова схема на три-координатната фрезова машина

от разглеждания клас с допълнително въведения фиксиращ модул, където използваните оз-

7

начения са: СЦПУ – система за цифрово-програмно управление; ПУ – пулт за управление;

БИМ – блок за инструментален магазин; БР – блок режими; БХ - блок хидравлика; БДМ –

блок за дозаторно мазане; БО – блок за охлаждане; БЗО – блок за задвижване по координат-

ните оси х, y, z; БФМ – блок фиксиращ модул; БГЗ – блок за главно задвижване; БА – блок

аларми; БНТ – блок нулеви точки по координатните оси; БИГ – блок импулсен генератор.

СЦПУ

ПУ

БИМ

БР

БХ

БДМ

БО

БЗО

БФМ

БГЗ

БА

БНТ

БИГ

Фиг. 2.2. Блокова схема на подсистемите на

машина от разглеждания клас.

2.2.2. Изисквания към изследваните подсистеми

Всяка от представените подсистеми има своите специфични особености и изисквания,

които трябва да бъдат отчетени при тяхното изследване и практическо прилагане.

Основните изисквания към изследваните подсистеми може да се формулират по след-

ния начин: ПУ – напълно съобразен с нуждите на потребителя; БИМ – осигуряване на твърд

избор на желаната позиция; БР – лесен избор и различни възможности за работа; БХ – нама-

ляване до минимум нейното участие поради висока разход на енергия; БДМ – осигуряване на

необходимото мазане за машината; БО – възможност за автоматизирано и ръчно спиране и

пускане, с цел намаляване на изразходваната енергия; БЗО – възможност за реверсивно уп-

равление, промяна на скоростта на подаване, наличие на бързи ходове на движение и участие

в фрезовата обработка; БФМ - възможност за ъглово позициониране на детайла, лесно уп-

равление и надеждна работа; БГЗ - възможност за реверсивно управление, промяна на ско-

ростта и участие в процеса на механична обработка; БА – необходимост от спиране на рабо-

тата на отделните подсистеми и индикация на дисплея на СЦПУ; БНТ – необходимост от

ръчно и автоматизирано търсене, с цел ориентация на машината; БИГ - възможност за регу-

лиране скоростта на подаване на отделни стъпки.

2.2.3. Алгоритъм

Блокова схема на алгоритъма за разработка на логическа схема или ладер диаграма за

металорежещи машини е представен на фиг. 2.3.

2.2.4. Приложение на алгоритъма

Разглежданият пример се отнася за трикоординатна фрезова машина от разглеждания

клас. Зададените входни данни са следните: изисквания за регулиране скоростта на подаване,

бързия ход, избор на режими, нулеви точки, включване и изключване на охлаждането, инди-

кация за аларми и други; отчитане особеностите на отделните механизми.

След преминаване през няколко последователни стъпки е разработен „пулт за управ-

8

ление“ за машина от разглеждания клас.

Фиг. 2.3. Блокова схема на ал-

горитъма за разработка на

ладер диаграма.

2.2.4.1. Дефиниране на изискванията към системата за ЦПУ

След съставянето на блоковата схема и разработката на пулта за управление за фрезо-

вата машина, може да се формулират и следните изисквания към системата за цифрово-

програмно управление: наличие на определен брой специализирани функции за управление;

бързодействие за извършване на операциите; необходимост от едновременно управление на

поне две координатни оси; автоматично превключване на кодовете EIA/ ISO; различни видо-

ве интерполации; абсолютно и относително програмиране; ръчно въвеждане на данните и

индикация; компенсация на инструмента; регулиране на скоростта на подаване и скоростта

на шпиндела; необходимия обем памет; фиксирани цикли; връщане в нулева точка; обработ-

ка на повърхности с постоянна скорост; запис и редактиране на детайл програмата; индика-

ция на позицията.

2.2.4.2. Избор на системата за ЦПУ

Особеностите, които трябва да бъдат отчетени при избора на СЦПУ, са свързани с

уточняване броя на използваните входни/ изходни сигнали. В съвременните металорежещи

машини съществуват редица възможности за избор на системи за ЦПУ [83, 84, 85]. С отчи-

тане на блоковата схема на фиг. 2.2 и разработения пулт за управление е избрана система за

цифрово-програмно управление на фирмата FANUC. Тя се отличава с висока точност на по-

зиционирането; висока стабилност и богати технологични възможности.

2.2.4.3. Съставяне на електрическите схеми

След съставяне на блоковата схема, която отчита всички основни възли на металоре-

жещата машина, е необходимо да бъдат съставени електрическите схеми, като са показани

типовете използвани двигатели, начина им свързване, контакторите, релетата и други основ-

ни особености.

2.2.4.4. Избор на проблемно ориентиран език

Управляващата програма (ладер диаграмата) се изпълнява от началото до края на ко-

дирането на релейната схема. Когато програмата завърши, тя отново започва изпълнението

си отначало, като това се нарича „непрекъснато действие на програмата“.

9

2.2.4.5. Избор на команди, променливи и отчитане на защитите

Освен основните команди, които са заложени в базовия софтуер на системата за циф-

рово-програмно управление (G00- движение на бърз ход; G02, G03 – кръгова интерполация

съответно в едната и другата посока; G98 – команда за търсене на нулеви точки и т.н.), в ла-

дер диаграмата се записват и декодират команди, по желание на потребителя.

2.2.4.6. Уточняване на базовите сигнали за СЦПУ

Базовата програма изисква използваните сигнали от програмируемият логически кон-

тролер да бъдат записани на точно определено място в СЦПУ, за да бъде изпълнена желана-

та инструкция. В табл. 2.4 са представени базови сигнали за избраната система за ЦПУ –

FANUC ( PCNC и NC PC) [21, 22].

Табл. 2.4. Таблица с базовите сигнали за СЦПУ.

PC NC

7 6 5 4 3 2 1 0

64 SA STL SPL ZPa ZPz ZPy ZPx

65 MA FMF SSP SRV DEN RST

66 DST TF SF EF MF

69 M00 M01 M02 M30

NC PC

96 Hx *SVFx *DECx *ITx Nx Px NLx PLx

97 Hy *SVFy *DECy *ITy Ny Py NLy Ply

98 Hz *SVFz *DECz *ITz Nz Pz NLz PLz

99 Ha *SVF4 *DECa *ITa Na Pa NLa PLa

100 MLK DLK SBK ВDТ DRN

101 ZRN SARA FIN ST

102 ERS *SP *ESP SPC SPB SPA

103 RT ROV2 ROV1 *JV16 *JV8 *JV4 *JV2 *JV1

104 MP2 MP1 *FV16 *FV8 *FV4 *FV2 *FV1

106 *SSTP SOR GR4 GR3 GR2 GR1

109 SIND

2.2.4.7. Уточняване на входни/ изходни сигнали и междинни условия

Системата за цифрово управление дава възможност за използване на входни и изход-

ни сигнали, чрез които се следят различни датчици, бутони, лампи и т.н. Тези сигнали са

свързани с нуждите на потребителя и разработения пулт за управление. В резултат на това, в

табл. 2.5 е показана разработена таблица, която отчита уточнените входни сигнали.

Табл. 2.5. Таблица с входните сигнали за СЦПУ.

7 6 5 4 3 2 1 0

032 Hx Квит.охл. *DECX -X +X *-Lx *+Lx

C02/34 C01/28 C02/16 C03/34 C02/39 C02/24 C02/46 C02/45

033 Hy *DECY -Y +Y *-Ly *+Ly

C02/35 C01/17 C02/17 C03/35 C02/38 C02/23 C02/48 C02/47

034 Hz От. KV1 *DECZ -Z +Z *-Lz *+Lz

C02/36 C01/26 C02/18 C03/36 C02/37 C02/22 C02/50 C02/49

035 SALM ш. SST ш

C01/27 C01/42 C01/44 C01/46 C01/29 C01/41 C01/43 C01/45

036 CLON CLOF SARш DRN RT SBK

C02/9 C02/10 C01/16 C01/14 C02/27 C02/28 C02/7 C01/15

10

Табл. 2.5. Таблица с входните сигнали за СЦПУ (Продълж.).

037 „0” x ВDТ KEY B.ST Дат.ниво Дат. нал

C02/41 C01/50 C02/26 C03/38 C02/13 C02/1 C01/32 C01/30

038 „0” y *BSP *ESP SPB SPC SPA

C02/14 C03/9 C02/2 C02/3 C01/47 C01/31 C01/48 C01/18

039 „0” z ROV2 ROV1 *JV16 *JV8 *JV4 *JV2 *JV1

C02/8 C03/40 C03/39 C02/12 C02/11 C02/44 C02/43 C02/42

40 MP1 MP2 B„ready”

C03/10 C03/8 C03/7 C03/37 C03/22 C03/6 C03/5 C03/4

C02/30 C02/31 C02/32

041 ZRN EDIT MEM T D J G STOP F

C02/25 C02/40 C02/6 C02/20 C02/19 C02/5 C02/4 C02/21

042 KV10

Д. инстр.

маг. щифт.

Инстр.

маг.разщ.

Зъбен

блок д.

Зъбен

блок г.

C03/13 C03/14 C03/21 C03/20 C03/19 C03/3 C03/2 C03/1

Изходните сигнали са представени в табл. 2.6 и те са свързани с: избора на позиция от

инструменталния магазин; разрешение за работа на шпиндела; ляво и дясно въртене; лампи,

свързани с готовността на системата за ЦПУ; нулеви точки по съответните оси; охлаждащата

система; включване на хидравликата.

Табл. 2.6. Таблица с изходните сигнали за СЦПУ.

7 6 5 4 3 2 1 0

00 T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08

C04/32 C04/45 C04/33 C04/1 C04/5 C04/36 C04/20 C04/35

C04/18 C04/30 C04/6 C04/6 C04/6 C04/6 C04/6 C04/6

01 SSRV SSFR ON

C04/43 C04/50 C04/49 C04/48 C04/26 C04/12 C04/44 C04/34

C04/28 C04/47 C04/47 C04/47 C04/42 C04/13 C04/29 C04/19

02 Л. SPL Л.READY

C03/17 C03/15 C04/46 C04/17 C03/49 C03/31 C04/27 C04/41

C04/25 C0425

03 Л.ALM Л.ZPZ Л. ZPY Л.ZPX Л. Hz Л. Hy Л. Hx Л.READY

C04/40 C04/39 C04/38 C04/37 C04/24 C04/23 C04/22 C04/21

C04/25 C04/25 C04/25 C04/25 C04/25 C04/25 C04/25 C04/25

04 R08 R07 R06 R05 R04 R03 R02 R01

C05/15 C05/14 C05/13 C05/12 C05/11 C05/10 C05/9 C05/8

C05/1.2

05 СтартТ В.охл. Доз.маз. Сп. z R12 R11 R10 R09

C04/8 C04/11 C04/9 C04/10 C05/19 C05/18 C05/17 C05/16

C04/7 C04/7 C04/7 C04/7

07 KV6 KV7 KV8 KV9

C03/41 C03/42 C03/43 C03/44 C03/44 C03/45 C03/46 C03/48

В табл. 2.7 са представени реализираните междинни условия .

Табл. 2.7. Таблица с междинните условия.

7 6 5 4 3 2 1 0

200 CW CCW R08 R07 R06 R03 R02 SPC

201 R18 R16 R15 R14 R13 R12 R11 R10

202 M09 M08 M05 M04 M03 R22 R20 R17

208 R50

209 TM01

11

2.2.4.8. Изчертаване на релейната и таблична части

След преминаване на всички последователни стъпки от разработения алгоритъм: със-

тавянето на блоковата схема на фрезовата машина; уточняването на изискванията и избор на

СЦПУ; избор на проблемно ориентиран език; уточняването на базови, входни/изходни сиг-

нали и междинни условия; се осъществява изчертаване на релейната част на разработената

ладер диаграма.

ГЛАВА 3

ИЗСЛЕДВАНЕ НАДЕЖДНОСТТА НА ФРЕЗОВИТЕ МАШИНИ

3.1. Изисквания към металорежещите машини

Пред съвременните металорежещи машини се поставят високи изисквания по отно-

шение на тяхната работна точност, производителност, надеждност, енергопоглъщаемост, ре-

монтопригодност и други. Това са взаимосвързани елементи, които трябва да бъдат отчетени

при проектирането на фрезовите машини, както и при тяхното изследване.

Надеждността е параметър, който пряко е свързан с проектирането. Върху нея влия-

ние оказват следните основни елементи: необходимост от задаване на най- тежкия режим на

работа на машината; изчисляване и избор на подходящи двигатели, преобразуватели, меха-

нични части, помпи, уплътнения, електрозадвижвания; технико- икономически параметри.

3.2. Процес на машинна обработка

Основното изискване към металообработващите машини е да бъде обработен детайл с

зададената точност и гладкост за максимално кратко време със зададени оптимални режими

на рязане.

При обработка на определена геометрична форма с металообработваща машина с

ЦПУ, се преминава през няколко етапа. Процесът на машинна обработка от системата за

компютърно проектиране и производство (CAD/CAM) до действителното формообразуване

на детайла се характеризира с така наречения „алгоритъм при процес на машинна обработ-

ка“. Обща функционална схема на такъв алгоритъм е представена на фиг. 3.1 [44].

Фиг. 3.1. Алгоритъм

при процес на ма-

шинна обработка.

3.3. Изследване надеждността на периферните устройства

Общата надеждност на фрезовите машини от разглеждания клас се определя от безот-

казната и ефективна работа на всички подсистеми, които я изграждат: СЦПУ – система за

цифрово-програмно управление; ПУ – пулт за управление; БИМ – блок за инструментален

магазин; БР – блок режими; БХ - блок хидравлика; БДМ – блок за дозаторно мазане; БО –

блок за охлаждане; БЗО – блок за задвижване по координатните оси х, y, z; БФМ – блок фик-

12

сиращ модул; БГЗ – блок за главно задвижване; БА – блок аларми; БНТ – блок нулеви точки

по координатните оси; БИГ – блок импулсен генератор.

3.3.1. Система за цифрово - програмно управление

Системата за цифрово- програмно управление представлява съвкупност от функцио-

нално взаимосвързани и взаимодействащи технически и програмни средства, осигуряващи

зададените траектории на движение на работните органи и съответните последователности

от технологични команди.

3.3.2. Фиксиращ модул

Блокът фиксиращ модул е допълнително въведен за разглеждания клас фрезови ма-

шини, като той осигурява ъглово позициониране на детайла. Върху неговата надеждност

влияние оказват следните параметри: безпроблемната работа на използвания асинхронен

двигател за движение на механизма; износването на механичната част и продължителността

на работа до необходимостта от ремонт.

3.3.3. Инструментален магазин и блок хидравлика

Инструменталния магазин е устройството, на което се закрепват инструментите, които

се използват в процеса на механична обработка. Той е свързан с блока хидравлика, тъй като

смяната се осъществява посредством хидравличната система. Надеждността на работа на

двете взаимосвързани системи се повиша, поради използването на хидравличната система

само в процеса на смяна на инструмента. Това значително повишава експлоатационния жи-

вот от една страна и намалява разхода на енергия за цялата машина.

3.3.4. Задвижване по координатните оси и шпиндела

Подавателните електрозадвижвания се използват за позициониране на детайла – х,y и

инструмента – координатна ос z , както и участват в процеса на машинна обработка.

При избора на подходящо линейно подавателно електрозадвижване се вземат под

внимание редица фактори: особеностите на процеса фрезоване, вида на обработвания мате-

риал, типа и коефициента на механичната предавка, параметрите на обработващия инстру-

мент и други. Изчисленията са извършени по методика за избор на подавателно електрозад-

вижване [8]. Извършени са изчисления, представени в табл. 3.3 при следните условия за материали

с различна твърдост, като целта е да бъдат сравнени и анализирани резултатите: директно

куплиран двигател към механична предавка, реализирана със сачмено винтова двойка;

m040 .Dg ; максимален диаметър на фрезовия инструмент m 080max .Dc ; най-тежки ре-

жими на механична обработка – алуминиева сплав и ниско легирана стомана; параметри:

45c , m 003.0max pa , m 05.0max ea , m/s 33.0max V .

Табл. 3.3. Резултати от изчисленията.

Стъпка Операция Алуминиева сплав Ниско-легирана стомана

1. Определя се BH . 130 175

2. Избор на фрезова операция. Челно фрезоване Челно фрезоване

3. Избор на инструмент. CoroMill 245 CoroMill 245

4. Определя се z . 8 зъба 8 зъба

5. Определя се zf . m 00020. m 000350.

6. Определя се maxb . m 000140. m 000250.

7. Определя се cV . m/s 584. m/s 752.

8. Изчислява се ω . rad/s 5114. rad/s 7568.

13

Табл. 3.3. Резултати от изчисленията (Прод.).

9. Изчислява се fV . m/s0290 . m/s 0310.

10. Изчислява се maxcmaxe D/a . 0.625 0.625

11. Изчислява се avb . mm 130. mm 230.

12. Определя се 1ck . MPa 700 MPa 7001

13. Определя се ψ . 250. 250.

14. Изчислява се ck . MPa 1164 MPa 82454.

15. Изчислява се maxcP . W090 5 W415 11

16. Изчислява се fP . W5254. W75570.

17. Определя се ih ,

( 41i ).

m 00501 .h

m 0102 .h

m 0203 .h

m 0404 .h

m 00501 .h

m 0102 .h

m 0203 .h

m 0404 .h

18. Изчислява се

ifω ,

( 41i ).

rad/s 884181

.ω f

rad/s 442092

.ω f

rad/s 721043

.ω f

rad/s 36524

.ω f

rad/s 884181

.ω f

rad/s 442092

.ω f

rad/s 721043

.ω f

rad/s 36524

.ω f

19. Изчислява се

ifM ,

( 41i ).

Nm 6101

.M f

Nm 2112

.M f

Nm 4323

.M f

Nm 8644

.M f

Nm 3611

.M f

Nm 7222

.M f

Nm 4453

.M f

Nm 88104

.M f

След извършените пресмятания за двата материала и отчитане на допустимото износ-

ване във времето, са избрани електрозадвижвания с постояннотоков и синхронен двигател,

като някои от получените резултати са представени в табл. 3.4.

Табл. 3.4. Някои резултати от избора на електрозадвижване.

При обработка на алуминиева сплав е избрано подавателно електрозадвижване със синхронен двигател със

следните параметри [26, 39, 61]:

- сачмено винтова двойка с диаметър 0.04 m и стъпка 0.01 m;

- синхронен двигател модел DT5-3-10 със следните номинални данни:

Nm 4.2fnomM , rad/s 68.418fnom с включен енкодер - тип резолвер за обратна

връзка;

- силов преобразувател модел KW2.

При обработка на ниско легирана стомана е избрано постояннотоково електрозадвижване със следните

параметри [61, 69, 86]:

- сачмено винтова двойка с диаметър 0.04 m и стъпка 0.02 m;

- постояннотоков двигател модел 3PI12.18 със следните номинални данни:

Nm 7fnomM , rad/s 34.209fnom ;

- силов преобразувател модел SA -12;

- енкодер – тип фоторастеров преобразувател модел 7 L с резолюция 2500 импулса/об.;

Извършен е сравнителен анализ между получените номинални стойности на момента

на двигателя при различни стъпки 41 hh на избраната сачмено винтова двойка при материа-

ли с различна твърдост. На фиг. 3.3 са представени графично получените резултати при ед-

накви стойности на параметрите на фрезовия инструмент и използваната механична предав-

ка.

14

Фиг. 3.3. Сравнителен

анализ при материали

с различна твърдост.

От представената фигура, могат да бъдат направени следните изводи:

1. Необходимият момент на двигателя за фрезова обработка значително нараства при

материали с по-висока твърдост. Това означава, че при избора на електрозадвижване, от съ-

ществено значение е да бъде точно дефиниран най-тежкия режим на механична обработка за

машината, за да не бъде усложнено и оскъпено допълнително.

2. С увеличаване на стъпката на механичната предавка, нараства и необходимият мо-

мент на двигателя за извършване на фрезова операция.

На базата на представените числени варианти и получени стойности, е извършен тех-

нико-икономически анализ на две серии постояннотоков и синхронен двигател с подобни

параметри, с включени и съответните им преобразуватели.

Надеждността на системата за задвижване по координатите x, y се повишава по след-

ните причини:

- изборът на системи за електрозадвижване с по- високи параметри от изчислените

води до значително повишаване на надеждността на работа, тъй като по – този начин, те не

работят в своите гранични режими;

- изборът на променливотоково електрозадвижване за сметка постояннотоково е една

от основните тенденции в задвижванията, като при избор на променливотоково се оскъпява

цялостната цена от една страна, но се увеличава надеждността.

Компенсиране на координатната ос z

Вертикалното разположение на координатната ос z, налага към съответното елект-

розадвижване допълнителни изисквания за компенсация и фиксиращо устройство, в сравне-

ние с другите линейни подавателни оси x и y [11].

След осъществения преглед на съществуващите варианти е установено, че възможни-

те начини за компенсация са следните: механична – чрез механична тежест; хидравлична –

посредством допълнителна или по-мощна хидравлика; електрическа – при този начин не се

компенсира реално оста, а се разчита на системата за електрозадвижване за поддържане на

цялата тежест; пневматична – чрез мощен компресор.

Всеки от анализираните варианти за компенсация има своите предимства и недоста-

тъци, които трябва да бъдат отчетени при избора. Може да се направи извода, че вариантът с

най-малка необходимост за поддръжка и най- висока надеждност от предложените решения

е чрез механична компенсация, но по този начин не може да бъде извършено прецизно и на-

пълно компенсиране на вертикалната координатна ос. Причината за това е, че броят и оттам

теглото на използваните инструменти от инструменталния магазин не е постоянна величина.

3.4. Експериментални изследвания

Проведените експериментални изследвания отчитат работата на всички подсистеми,

изграждащи машините от разглеждания клас. Данните са получени от „ Дневник“ на фирми

15

при работа от при различни натоварвания в продължение на няколко години. Резултатите са

представени в табл. 3.7.

Експерименталните резултати са направени за период от 5 години при няколко от

машините от разглеждания клас.

Табл. 3.7. Експериментални изследвания.

Набор машини

Параметри

Машина 1 Машина 2 Машина 3

Брой цикли 200000 108000 102000

Брой позиционирания 604800 432000 510000

Работни дни 1260 1260 1260

Работни часове 10000 ч. 9000 ч. 8500

Време за безотказна работа 5000 ч. 3000 ч. 1750

Време за смяна на детайл от оператор 30 сек. 45 сек. 1 мин.

Време за обработка на 1 детайл 2, 5 мин. 5 мин. 4 мин.

Смяна на инструмент 40000 пъти 108000 пъти 102000

Брой ремонти 2 3 5

Направените ремонти са свързани с износване във времето на някои от подсистемите,

но те са сравнително малко, поради тази причина като извод може да се отбележи високата

надеждността на разглежданите машини.

ГЛАВА 4

ВЪВЕЖДАНЕ НА ДОПЪЛНИТЕЛЕН

ФИКСИРАЩ МОДУЛ

4.1. Изисквания

При модернизацията на клас фрезови машини се въвежда допълнителен фиксиращ

модул. Целта е да се увеличат производителността и функционалните възможности на ма-

шините, да се осигури възможност за обработка на детайли със значително по-сложна гео-

метрична форма и да бъде осигурен значително по-евтин вариант от въртящите се маси. Та-

къв фиксиращ модул е представен на фиг. 4.1, с позициониране на детайла на 90 ̊.

Фиг. 4.1. Фиксиращ мо-

дул за фрезови машини.

16

Изискванията, които се поставят към добавения фиксиран модул са следните: твърдо

позициониране на детайла на ъгъл от тридесет градуса; позициониране с висока точност;

лесно приспособяване към машината; реализация чрез сравнително евтино управление.

4.2. Начини за управление

Съществуват различни възможности за реализиране на управлението на представения

на фиг. 4.1 допълнителен фиксиращ механизъм. Представеният модул се задвижва от асинх-

ронен двигател с накъсо съединен ротор чрез механична предавка. Механичната част се със-

тои от механизъм, който избутва напред въртящия диск, представляващ триходов винт. При

въртенето си в посока”напред” той предизвиква преместване в аксиална посока на диска, при

което се отцепва хиртовия съединител. При реверс на електродвигателя става обратното-

хиртовият съединител се зацепва зъб в зъб, което гарантира, че е фиксирана точната позиция

на въртящия диск, респективно на допълнително въведения модул.

4.2.1. Неавтоматизирано управление

Принципната електрическа схема на допълнителният модул при един вариант на уп-

равление е показана на фиг. 4.2.

Фиг. 4.2. Принципна

електрическа схема.

Чрез галетния превключвател в пулта се задава позиция (ъгъл на завъртане) през 300.

На вала на модула е монтиран втори галатен превключвател. След натискане на бутон

”Старт”, сe активира реле KV2, което чрез своя контакт включва контактора К1. Асинхрон-

ния двигател се захранва и се задвижва в посока „напред”. Започва търсене на предварително

зададената позиция. Въртенето продължава до момента на намиране на зададената позиция,

при което се включва релето KV1. При достигане на зададената позиция се включва контак-

тора К2 , при което се осъществява реверс на асинхронния двигател до достигане на положе-

ние „край на реверс”, което се следи от сензор ”край на реверса”. За всяка позиция се дава

светлинна индикация чрез светодиоди.

4.2.2. Автоматизирано управление

С добавянето на системата за ЦПУ за управлението на фиксиращия модул, се осигу-

рява възможност за: автоматизиране на технологичния процес; намаляване времето за обра-

ботка на детайла; повишаване на точността; достигане на изисквания като успоредност и

перпендикулярност на детайлите; увеличаване производителността на машината.

17

Като входни данни се задават: изисквания за избор на съответната позиция чрез М

команда; отчитане използвания механизъм в фиксиращия модул.

Началните етапи са свързани с избор на конкретна система за ЦПУ и проблемно-

ориентиран език. Прави се проверка на избраната система за ЦПУ- Fanuc; отчитат се свобод-

ните позиции във входните, изходните сигнали и междинните условия.

4.2.2.1. Уточняване на входни/ изходни сигнали и междинни условия

В табл. 4.1 са представени входните сигнали, които се отнасят за допълнително въве-

дения фиксиращ механизъм. Те са свързани със задаване на команда за избор на позиция

М11÷М22, както и Qsm – ключ, използван от фиксиращия модул. Сигналите се разполагат на

свободните места от таблицата, без да бъдат засегнати останалите управляеми периферни

устройства.

Табл. 4.1. Таблица с входните сигнали за СЦПУ, свързани с фиксиращия модул.

7 6 5 4 3 2 1 0

032 Qsm

C02/34 C01/28 C02/16 C03/34 C02/39 C02/24 C02/46 C02/45

033 M22

C02/35 C01/17 C02/17 C03/35 C02/38 C02/23 C02/48 C02/47

034 M21

C02/36 C01/26 C02/18 C03/36 C02/37 C02/22 C02/50 C02/49

037 „0” x M20

C02/41 C01/50 C02/26 C03/38 C02/13 C02/1 C01/32 C01/30

038 M19

C02/14 C03/9 C02/2 C02/3 C01/47 C01/31 C01/48 C01/18

040 M14 M15 M16 M17 M18

C03/10 C03/8 C03/7 C03/37 C03/22 C03/6 C03/5 C03/4

C02/30 C02/31 C02/32

042 M13 M12 M11

C03/13 C03/14 C03/21 C03/20 C03/19 C03/3 C03/2 C03/1

Изходните сигнали, свързани с фиксиращия модул, са представени в табл. 4.2 и са

свързани с: включване и изключване на релета за движение на модула съответно напред и

назад; включване и изключване спирачката на двигателя.

Табл. 4.2. Таблица с изходните сигнали за СЦПУ.

7 6 5 4 3 2 1 0

07 K12 K13 K14 K15

C03/41 C03/42 C03/43 C03/44 C03/44 C03/45 C03/46 C03/48

В табл. 4.3 са представени реализираните междинни условия, свързани с отчитане

действителната позиция на фиксиращия модул от галетата и използваните таймери, свързани

с подобряване на работата на устройството и увеличаване на експлоатационния живот.

Табл. 4.3. Таблица с междинните условия.

7 6 5 4 3 2 1 0

204 M11A M12A M13A M14A M15A M16A M17A M18A

205 M19A M20A M21A M22A R30 R31

206 R32

210 TM09 TM17 TM10 TM07 TM08

18

4.2.2.2. Изчертаване на релейната и таблична части

След преминаване на всички последователни стъпки от разработения алгоритъм: със-

тавянето на блоковата схема на фрезовата машина; уточняването на изискванията и избор на

СЦПУ; избор на проблемно ориентиран език; уточняването на базови, входни/изходни сиг-

нали и междинни условия; се осъществява изчертаване на релейната част на разработената

ладер диаграма.

4.2.2.3. Изследване на логическата схема

При съставяне на логическата схема на работа за определено периферно устройство

от металорежещата машина, от съществено значение се явява необходимостта от подробно

познаване на механизма, който го изгражда.

Представеният допълнителен модул се управлява от трифазен асинхронен двигател

(П1 от ел. схемите, стр. 95) с две посоки на въртене (права и реверс), като към вала на двига-

теля е куплирана електромагнитна спирачка.

Изходните сигнали, водещи до включване на съответните релета, са свързани с върте-

не на двигателя са съответно KV12 и KV13 (П1 от ел. схемите, стр. 108), а тези които включ-

ват и изключват електромагнитната спирачка са KV14 и KV15 (П1 от ел. схемите, стр. 108).

Допълнителният модул избира всяка отделна позиция като се задава някоя от М- фун-

кциите (M11÷M22). Декодирането за всяка от М функциите (П2- S13B÷13M от ладер диаг-

рамата, стр. 122) - се осъществява по строго определена последователност (задаване на базо-

вия сигнал MF, команда за декодиране с задаване на желания номер и запис в определеното

междинно условие).

При задаване на М команда, асинхронният двигател се завърта в права посока. Пър-

воначално подвижната част на модула се измества аксиално напред до освобождаване на

хиртовото съединение, след което започва въртене на подвижната част, достига избраната

позиция, като я подминава. След това двигателят се реверсира до връщане на подвижната

част в изходно положение, осигуряващо се от хиртовото съединение.

19

Аксиалното изместване на подвижната част се следи от датчик Qsm, а текущата пози-

ция се следи от галетен превключвател (П1 от ел. схемите, стр. 105).

За стартиране избора на позиция трябва да се изключи електромагнитната спирачка,

която е включена в нормално състояние, чрез изход KV14 (П2- 1F от ладер диаграмата, стр.

20

110). Изключването на спирачката се осъществява чрез изход KV15 - (П2- S1H от ладер диаг-

рамата, стр. 110).

Спирачката се изключва и след изтичането на времето на таймера ТМ7 (50 mS) се ак-

тивира изход KV12, който активира въртенето на двигателя в права посока, при което под-

вижната част се измества напред и се завърта до съответната избрана позиция. Това води до

активиране на датчик Qsm, който се обръща в 1.

Въртенето напред продължава до момента, в който бъде намерено съвпадение и се ак-

тивира условието R30, което води последователно до блокиране на съвпадението чрез меж-

динното условие R31 (П2- S12B от ладер диаграмата, стр. 121), изключването на ТМ7, а от-

там и отпадането на сигнала KV12. С въведения таймер ТМ17 (П2- S12C от ладер диаграма-

та, стр. 121) се осъществява установяване след намерена позиция. След изтичане времето на

таймера, се активира сигнала KV13 – двигателя се реверсира. Чрез ТМ10 (П2- S2B от ладер

диаграмата, стр. 111) се осъществява допълнителен реверс за сигурното заключване на меха-

низма. Това реверсиране продължава до сработване на датчика Qsm, който активира ТМ8

(П2- S1Е от ладер диаграмата, стр. 95) и включва спирачката на двигателя. Въведен е допъл-

нителен таймер TM9 (П2- S2С от ладер диаграмата, стр. 111), който изключва въртенето в

21

посока реверс на двигателя, за да не се претовари.

С въвеждането на таймерите се осигурява: повишаване на експлоатационния живот на

механизма; сигурно и твърдо позициониране на модула на зададената позиция; предпазване

двигателя от претоварване.

За приемане на завършена М команда от системата за ЦПУ (FANUC), е необходимо

активиране на сигнала FIN.

С предложеното управление, посредством системата за ЦПУ се осигурява надеждна и

значително по- евтина реализация, както и се осъществява пълна автоматизация на техноло-

гичния процес.

Част от табличната част, отнасяща се до допълнителния механизъм е дадена в табл.4.4.

Табл. 4.4. Таблица с условия за работа на фиксиращия модул.

20 RD.NOT 66.0 MF Базов сигнал PCNC „зададена

М функция“

21 OR 205.1 R30 Междинно условие

22 AND.NOT 32.4 Qsm Входен сигнал „ключ на допълни-

телния модул“

23 TM8 Таймер, свързан с допълнителния

модул“

24 WRT 210.0 TM8 Междинно условие

25 RD 210.0 TM8 Междинно условие

26 AND.NOT 7.3 KV12 Изходен сигнал „движение на мо-

дула напред“

27 AND 38.4 *B.ESP Входен сигнал „авариен стоп“

4.3. Практическа реализация

Практическата реализация на въведения модул е свързана с обработка на детайли със

значително по - сложна геометрична форма и изисквания за успоредност и перпендикуляр-

ност.

На фиг. 4.4 е представен реализирания внедрен модул в промишлени условия.

22

Фиг. 4.4. Внедрен фиксиращ модул

в промишлени условия.

На фиг. 4.5 е показан общ вид на реализираното устройство, монтирано на металооб-

работваща машина от разглеждания клас.

Фиг. 4.5. Реализираното устройс-

тво върху фрезовата машина.

На фиг. 4.6 са показани детайли, получени след фрезова обработка с машина от разг-

леждания клас.

Фиг. 4.6. Обработени детай-

ли след добавяне на фикси-

ращия модул.

Разработеното и внедрено устройство с автоматизирано управление посредством сис-

тема за ЦПУ допринася за повишаване на производителността и подобряване на качеството

на работа при обработката на детайли с металорежещи машини.

Същевременно разработената ладер диаграма повишава експлоатационния живот на

механизма и позволява пълна автоматизация на технологичния процес.

23

ГЛАВА 5 ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПЕРИФЕРНИТЕ УСТРОЙСТВА

НА ФРЕЗОВИ МАШИНИ

5.1. Съставяне на таблична част

Последният етап от разработването на логическата схема за разглеждания клас фрезо-

ви машини е съставянето на табличната част, отговаряща на релейната схема показана в

Приложение 2 (П2). Настоящата глава е насочена в изследване на периферните елементи на

разглеждания клас фрезови машини. Те са свързани с: блок за инструментален магазин

(БИМ); блок режими (БР); блок хидравлика (БХ); блок за дозаторно мазане (БДМ); блок за

охлаждане (БО); блок за задвижване по координатните оси x, y, z (БЗО); блок за главно зад-

вижване (БГЗ); блок аларми (БА); блок нулеви точки по координатните оси (БНТ); блок им-

пулсен генератор (БИГ).

5.2. Изследване на системата

Изследването на системата е свързано с детайлно описание принципа на работа на съ-

ответните механизми и отчитане на условията, водещи до тяхното управление.

5.2.1. Инструментален магазин и блок хидравлика

Инструменталният магазин е устройство, на което се закрепват използваните в проце-

са на механична обработка инструменти. Съществуват различни инструментални магазини

според броя на обработващите елементи. Разработената ладер диаграма в случая изследва

инструментален магазин с осем на брой инструмента, с възможност за автоматична смяна

(фиг. 1.4а).

Представеният инструментален магазин се управлява от трифазен асинхронен двига-

тел (П1 от ел. схемите, стр. 95). Командите за избор на съответните позиции са: Т01÷Т08,

като тяхното декодиране (П2- S14A÷14H от ладер диаграмата, стр. 123) се осъществява по

строго определена последователност (задаване на базовия сигнал TF, команда за декодиране

с задаване на желания номер и запис в определени изходни сигнали). При определена зада-

дена позиция се активира междинно условие R26 (П2- S15A от ладер диаграмата, стр. 124).

За стартиране на търсенето на зададената позиция е необходимо да бъдат изпълнени

24

следните няколко условия, които активират изход „ Старт Т“ (П2- S8K от ладер диаграмата,

стр. 117): 1. Да бъде зададена T команда, тоест да се активира базовия сигнал TF; 2. Да няма

активиран изходен сигнал за дясно въртене на вретеното - сигнал SSFR (П2- S9I от ладер ди-

аграмата, стр. 118); 3. Да няма активиран изходен сигнал за ляво въртене на вретеното - сиг-

нал SSRV (П2- S9K от ладер диаграмата, стр. 122); 4. Да бъда достигната нулева скорост на

шпиндела (сигнал SST); 5. Да бъде активирано междинното условие R26, тоест че е зададена

определена Т команда.

В резултат на това се осъществява активиране на изходния сигнал „ Старт Т“, чрез

който се задава команда за стартиране въртенето на инструменталния магазин. Стартирането

на въртене на инструменталния магазин за избор на позиция, води до активиране на изход-

ните сигнали, чрез които се стартират „включването на хидравликата“ и „вентил високо на-

лягане“, съответно KV6 и KV7. Липсата на съвпадение води до активиране на изходния сиг-

нал KV8, който осигурява включване на релето за „зъбен блок горе“ и „разщифтоване на ма-

газина“.

След намиране на съответните датчици за „разщифтоване на магазина“, „зъбен блок

горе“, и при липса на съвпадение, се активира изходния сигнал KV9 (П2- S9D от ладер диаг-

рамата, стр. 118), чрез който се осъществява реалното завъртане на магазина.

Въртенето на инструменталния магазин продължава до намиране на съвпадение. При

намиране на датчиците „магазин щифтован“ и „зъбен блок долу“, както и наличието на съв-

падение, се активира междинното условие R50 (П2- S8L от ладер диаграмата, стр. 117), което

реализира квитиране на Т функцията. Квитирането на Т функцията, води до отпадане на из-

ходите KV6, KV7 и KV8. Завършването на изпълнението на функцията в СЦПУ, се осъщест-

вява чрез сигнала FIN (П2- S16А от ладер диаграмата, стр. 125).

Разработената логика за избор на инструмент от инструменталния магазин е изцяло

модернизирана и съобразена с изискванията за разход на енергия, твърд и лесен избор на по-

зиция.

Като характерна особеност, може да бъде отбелязана, че хидравличната система ра-

боти само докато се осъществява избор на инструмент от магазина. Това води до значително

намаляване разхода на енергия и увеличава надеждността на цялата машина.

25

5.2.2. Блок режими

Съществуват различни режими в металорежещите машини, като по този начин се оси-

гурява възможност за работа: по програма; автономно движение по координатните оси; тър-

сене на нулеви точки; ръчно въвеждане на данни и други. По този начин значително се улес-

нява работата на оператора и се осигурява възможност за пълното използване на машината.

Използваните режими във фрезовата машина от фиг. 1.4а могат да се разделят на

следните видове: ръчно въвеждане на данни (D); режим лента (Т) – активира се входен сиг-

нал Т и се записва в базов сигнал Т; редактиране на програми (EDT) – активира се входен

сигнал EDT и се записва в базов сигнал EDT; памет/ цикъл (MEM) – активира се входен сиг-

нал MEM и се записва в базов сигнал MEM; импулсен генератор (H) – активира се входен

сигнал H и се записва в базов сигнал H; ръчно движение (J) – активира се входен сигнал J и

се записва в базов сигнал J; нулева точка (ZRN) – активира се входен сигнал ZRN и се запис-

ва в базов сигнал ZRN; блок по блок (SBK) – активира се входен сигнал SBK и се записва в

базов сигнал SBK; подчинени изречения (BDT) – активира се входен сигнал BDT и се запис-

ва в базов сигнал BDT.

5.2.3. Блок дозаторно мазане

Блокът за дозаторно мазане осигурява мазането с масло на направляващите, по които

се придвижват координатните оси. Той е особено значение за увеличаване експлоатационния

живот на цялата машина.

Дозаторното мазане се реализира чрез включване на трифазен асинхронен двигател,

който задвижва хидравлична помпа, осигуряващо циклично мазане (П1 от ел. схемите, стр.

94). За включване на дозаторното мазане е необходимо да се изпълнят няколко условия. При

натискане на бутон READY от пулта за управление се включва релето KV1 – авариен стоп

(П1 от ел. схемите, стр. 98), при което се самоблокира.

С друг контакт на релето, при недостигнато мазане, KV1 е включен, „д. ниво“ осигу-

рява наличието на масло, което води до активиране на междинното условие R03 (П2- S3D от

ладер диаграмата, стр. 112).

Условието R03 активира изходния сигнал „Доз. мазане“ (П2- S3F от ладер диаграмата,

стр. 112), който активира помпата за достигане на налягане.

От друга страна активирането на R03, и „д.н.“ не е сработил, води до активиране на

междинното условие R01 (П2- S3C от ладер диаграмата, стр. 112).

При достигане на налягане, „д.н.“ става в 1, и се активира междинното условие R02

(П2- S3A от ладер диаграмата, стр. 112) и по самоблокиращата верига, остава в 1. Условието

R02 активира изходния сигнал „лампа READY“, който представлява индикация на пулта за

управление.

Отпадат условия R01 и R03, след което се преустановява работата на помпата за вди-

гане на налягане.

26

Достигнатото мазане и „д.н.“, активират ТМ1 (П2- S3Е от ладер диаграмата, стр. 112),

който е нагласен да се включва през 20 минути, което осигурява необходимото мазане по ко-

ординатните оси.

5.2.4. Блок за охлаждане

Охлаждащата система в металорежещите машини е от особено значение, тъй като тя

влияе върху качеството на обработвания детайл и енергийната консумация на цялата маши-

на. При механична обработка в почти във всички случаи се включва охлаждането. Чрез въ-

веждане на допълнителни ключове и команди в ладер диаграмата, се осигурява възможност

за стопиране работата на охлаждащата система при необходимост.

Блокът за охлаждането се реализира чрез включване на трифазен асинхронен двигател

(П1 от ел. схемите, стр. 95). Логическото включване на охлаждането се осъществя с активи-

ране на изходния сигнал „ В. охл.“ (П2- S11B от ладер диаграмата, стр. 120), при задаване на

команда М08 или включване на ключ, въздействащ върху входния сигнал „CLON“.

Изключването на охладителната система се осъществява чрез команда М09 или ключ

„CLOF“.

Декодирането на командите М08 и М09 се осъществява, аналогично на останалите М

команди (П2- S12G, S13A от ладер диаграмата, стр. 121, 122).

Завършването на изпълнението на командата в СЦПУ, се осъществява чрез сигнала

FIN, както и при останалите функции (П2- S16А от ладер диаграмата, стр. 125).

27

5.2.5. Блок за задвижване по координатните оси

В фрезовата машина от разглеждания клас, броя на управляемите координатни оси е

три. Тяхното задвижване се осъществява посредством различни двигатели за постоянен и

променлив ток, съответните им преобразуватели и датчици. Техният позиционен контур се

реализира чрез системата за ЦПУ.

В случая чрез ладер диаграмата са реализирани бутоните, разположени върху пулта за

управление на машината, които задават посоката на движение и скоростта.

При натискане на бутона за движение в посока +х и не е избран режим за „търсене на

нулеви точки“, се активира базовия сигнал +х (П2- S6А от ладер диаграмата, стр. 115). Кога-

то е избран режим за търсене на нулева точка с междинното условие R06 (П2- S4I от ладер

диаграмата, стр. 113) се осъществява възможност за нейното търсене само с едно натискане

на бутона. Това улеснява значително работата на оператора.

При натискане на бутон –х, водещ до активиране на съответния входен сигнал и не е

28

избран режим „търсене на нулеви точки“, се активира базовия сигнал - х (П2- S6B от ладер

диаграмата, стр. 115).

По аналогичен начин са реализирани задаването на движение за осите y и z.

Посредством сигнала RT, се дава възможност за движение на бърз ход по координат-

ните оси (П2- S6G от ладер диаграмата, стр. 115).

Съществува и възможност за въвеждане и на лимитни изключватели (*+LX, *-LX,

*+LY, *- LY, *+LZ ), които служат като защита на осите (П2- S8F÷8G от ладер диаграмата,

стр. 117).

5.2.6. Блок за главно задвижване

За завъртане на вретеното или шпиндела е необходимо да се осигури сигнал ON –

разрешение за въртене, сигнал за посока на въртене (SSFR или SSRV) и аналогово задание,

съответстващо на оборотите на въртене. Командите за въртене на шпиндела са съответно

М03 и М04, както и неговото спиране с М05. Декодирането се осъществява по аналогичен

начин както и при допълнителния механизъм, в случая (П2- S12D÷12F от ладер диаграмата,

стр. 121).

При избор на завъртане на вретеното в посока на часовниковата стрелка (команда

М03 или чрез съответен бутон в режим „Ръчен режим”) е необходимо да се активира сигна-

ла CCW.

След активирането на сигнала SSFR, се показва светлинна индикация на пулта за уп-

равление, показваща завъртането на вретеното (П2- S9I от ладер диаграмата, стр. 118).

Активирането на SSFR и при условие, че електрозадвижването на шпиндела е в го-

товност (сигнала RDш.), се активира сигнала ON (П2- S10A от ладер диаграмата, стр.119) за

разрешение на въртене на вретеното.

Потвърждаването на изпълнението на избраната посока на завъртане на вретеното

(М03 или М04) се осъществява чрез сигнала SARш., който активира условието R18 (П2- S15I

29

от ладер диаграмата, стр.124), а оттам и необходимия сигнал FIN (П2 -S16A от ладер -

диаграмата, стр. 125).

За завъртане на вретеното в посока обратна на часовниковата стрелка се осъществява

с команда М04 или съответния бутон, като разсъжденията са аналогични на досега направе-

ните за въртене по часовниковата стрелка.

5.2.7. Блок аларми

Алармите в металорежещите машини се използват за сигнализация на някаква неизп-

равност; защита от липса на масло, необходимо за дозаторното мазане; при авариен стоп и

при аларма в шпиндела.

Наличието на аларма, води до активиране на изходния сигнал „HALM“, който дава

светлинна индикация на пулта за управление (П2-S11A от ладер диаграмата, стр.120). Тя

може да бъде активирана от междинните условия R17, R20 или R22 (П2- S10G÷10I от ладер

диаграмата, стр. 119).

Освен представения начин за следене на неизправности, съществуват и защити, които

са осигурени от системата за ЦПУ.

5.2.8. Блок нулеви точки по координатните оси

Нулевите точки са характерна особеност на всяка управляема координатна ос. Чрез

тях се осъществява ориентиране на металорежещата машина. Информация за тях се получава

от съответни датчици монтирани върху оста, съответно *DECX, *DECY, *DECZ.

Търсенето на нулева точка ос „х“ – преминава се през следните няколко условия (П2-

S4I от ладер диаграмата, стр. 113): избира се режим нулева точка (ZRN); натиска се бутон за

търсене на нулева точка, който активира входния сигнал „0 х“; за стартиране на търсенето е

30

необходимо първо да бъде намерена нулева точка по ос z – това е защита, с която се осигуря-

ва безопасна работа; не е активиран сигнала RST.

По аналогичен начин се осъществява търсенето и по другите координатни оси (П2-

S4G, S5A от ладер диаграмата, стр. 113, 114).

5.2.9. Блок импулсен генератор

Импулсният генератор в фрезовата машина се използва при необходимост от прециз-

но позициониране на малки стъпки по координатните оси, като за целта се активират базови

сигнали.

Активирането на сигнала за ос х - Hx1 (П2-S6H от ладер диаграмата, стр. 115) се осъ-

ществява в следната последователност: избор на ос х за импулсен генератор, който активира

входния сигнал Hx; да не бъдат избрани y, z за импулсен генератор, активиращи входните

сигнали Hy и Hz; да бъде избран режим „импулсен генератор“ – H.

Активирането на режима Hx1, води до показване на индикация, посредством, „л. Hx“

(П2- S6I от ладер диаграмата, стр. 115).

По аналогичен начин е реализиран избора на импулсен генератор по другите коорди-

натни оси.

ОСНОВНИ РЕЗУЛТАТИ В ДИСЕРТАЦИОННАТА РАБОТА

Резултатите от проведените в дисертационния труд теоретични и експериментални

изследвания, се свеждат до следните основни приноси:

Научно-приложни приноси:

1. Предложен е алгоритъм за разработка на ладер диаграма за металорежещи машини,

отчитащ разработения пулт за управление, изискванията на потребителя и специфичните

особености на подсистемите, които ги изграждат.

Приноси с приложен характер:

1. Въведен е допълнителен фиксиращ модул с цел разширяване на технологичните

възможности на разглеждания клас фрезови машини.

2. Реализирано е ръчно и автоматизирано управление на фиксиращия модул, пос-

редством системата за ЦПУ.

3. Изследвана е надеждността на работа на машината и е разработена ладер диаграма

за управление на съответните подсистеми.

4. Решени са конкретни инженерни задачи, свързани с изследване поведението на под-

системите при реално взаимодействие помежду им и със системата за ЦПУ.

5. Разработени са гама фрезови машини, в които са приложени резултати от изследва-

нията. Машини от разглеждания клас са внедрени в следните фирми: „ Балкан“ – гр. Ловеч,

„Алфа 3“ - гр. Плевен и други.

31

СПИСЪК НА ПУБЛИКАЦИИТЕ ПО ДИСЕРТАЦИОННАТА РАБОТА

1. Дочев М., М. Жилевска, Св. Тонкова, Модернизиране на металорежещи машини

чрез въвеждане на автономно управление на позициониране на ножодържаща с фиксирани

деления, 23 МНТК, София, АДП – 2014, стр. 452-456.

2. Дочев М., Жилевска М., Тонкова Св., Модернизация на стругове чрез въвеждане

на цифрово-програмно управление със система FANUC 3T, ХХІV МНТК „АДП 2015“, Созо-

пол, 2015.

3. Zhilevski, M., M. Zhilevska, Problems in modernization of milling machines, Unitech -

Gabrovo, т. 1, 383-386, 2015, ISSN 1313-230X.

4. Zhilevska, M., M. Zhilevski, Algorithm for development of ladder diagram for machine

tools, Unitech - Gabrovo, т. 1, 387-391, 2015, ISSN 1313-230X.

5. Жилевска, М., Автоматизирано управление на фиксиращ модул за фрезови маши-

ни, Научни известия на НТС по машиностроене, №. 8, 109-112, 2016, ISSN 1310-3946.

32

ABSTRACT

This PhD thesis is dedicated to research on solutions for modernization of a class of milling

machines, aiming at ensuring higher productivity, better accuracy and functionality, with a view to

processing details with significantly more complex geometric shape.

MAIN RESULTS OF THE PhD THESIS

The contribution derived from both theoretical and experimental research carried out can be

summarized as follows:

1. An algorithm for development of a ladder diagram for machine tools is proposed, consid-

ering developed control panel, user requirements and the specific features of sub-systems building

them.

2. An additional fixing unit for milling machines is introduced, aiming to expand the techno-

logical capabilities for the studied class of machine tools.

3. Manual and automated control of the fixing unit for milling machines is realized through

the digital control system.

4. The reliability of operation is examined and an expedient ladder control diagram for the

studied class of machine tools has been developed.

5. Specific engineering tasks have been solved, related to the study of sub-systems behavior

in both real interaction with each other and with the digital control system.

6. A range of milling machines has been developed, where the research results have been

applied. Machines of the considered class have been implemented in many companies, namely:

“Balkan” – Lovech, “Alpha 3” Ltd – Pleven etc.