Исследования кинематических и энергосиловых параметров процесса резания

В качестве примера исследования параметров процесса резания приведем результаты работ, выполненных на роторной пиле РЗ-2500 в соответствии с договорами с ОАО ВТЗ в 2011 году. Ниже на фото - роторная пила РЗ-2500 в ТПЦ-3, вид на зону реза и прижимы.

С использование аппаратных и программных средств ПТК УМИКОН был реализован измерительный комплекс. Для проведения измерения скорости вращения двигателей использовались инкрементные датчики угловых перемещений (оптические энкодеры) производства СКБ-ИС (РФ, г. Санкт-Петербург) с разрешающей способностью 3600 импульсов на 1 оборот. Датчики устанавливались на хвостовиках наращенных валов тахогенераторов двигателей приводов диска и водила. Данные энкодеров обрабатывались микропроцессорным контроллером (МК) DU102, разработанным и изготовленным ЗАО ИНКОММЕТ для проведения исследований. МК реализован с использованием двух однокристальных микропроцессоров производства Atmel (AT91SAM7S32, AT91SAM7A3). Сканирование импульсов от энкодеров выполняется периферийным процессором с тактом не более 1 мкс. Используется оптимизированный алгоритм “Quadrature decoder”. Сумма импульсов за 1 мс передается центральному процессору с тактом 1 мс. Центральный процессор выполняет обработку данных, а также прием данных измерений токов и напряжений от МК AI401 (см. ниже) с тем же тактом и их синхронизацию по временной шкале для записи в виде файла в энергонезависимую память МК.

Для проведения измерений токов использовались датчики мгновенного тока производства российского подразделения компании LEM (США) типа LEM LT500-T/SP92. Для проведения измерений напряжений использовались делители напряжения на высокоточных резисторах. Обработку данных выполнял МК AI401 (Olimp_PC), разработки ЗАО ИНКОММЕТ, применяемый для построения универсальных приводов с двигателями постоянного и переменного тока, а также высокоскоростных измерений электрических величин. Использовалась дифференциальная схема подключения входных сигналов, что позволило исключить влияние помех посредством дальнейшей математической обработки. Все каналы АЦП (8 каналов АЦП с обработкой по дифференциальной схеме, всего – 4 канала измерений) обрабатывались с частотой 24 кГц с точностью до 10 двоичных разрядов. Результат математической обработки за 1 мс передавался МК DU102 для синхронизации и записи в файл.

МК DU102 подключался к инструментальной ЭВМ (ноутбук), посредством которой в автоматическом или ручном режимах данные измерений переписывались в его память для дальнейшей обработки. При этом использовалось оригинальное программное обеспечение производства ЗАО ИНКОММЕТ, разработанное специально для задач исследований. Файлы данных после предварительной обработки экспортировались в электронные таблицы Excel, где проводилась их окончательная обработка.

Точность измерений скоростей вращения двигателей составляла 0.8%.

Точность измерений напряжений и токов двигателей составляла 0.5%.

Точность синхронизации данных по времени и их привязки к временной шкале составляла 0.1%.

Измерительная аппаратура была смонтирована в двух мини-шкафах, один из которых устанавливается около пилы, а другой – в машзале около шкафов управления приводами пилы. Измерения скоростей вращения двигателей производились как синхронно с измерениями токов и напряжений, так и раздельно с привязкой по шкале времени.

Для измерения разгонных характеристик двигателя привода диска использовалась временная дискретизация 100 мс за время 20 с. Для измерения остальных характеристик использовалась временная дискретизация 1 мс за время 10,4 с или 31,2 с в зависимости от набора измеряемых параметров.

Замеры проводились в октябре-ноябре 2011 года при следующих условиях:

диск диаметром 2496 мм после первой заточки;
шаг зубьев 80 мм;
заготовки диаметром 340 и 410 мм;
выполнялось подряд два реза заготовки с паузой между резами около 30 секунд.

Ниже представлены типовые графики изменений. Исходные данные резов представлены без синхронизации с моментом началом реза. Обозначения на графиках:

n1, i1, u1 – скорость вращения, ток и напряжение двигателя привода диска;
n2, i2, u2 – скорость вращения, ток и напряжение двигателя привода водила.

Первый рез заготовки диаметром 340 мм новым диском. Скорости вращения двигателей:

Токи и напряжения на двигателях:

Второй рез заготовки диаметром 340 мм диском после 800 резов. Скорости вращения двигателей:

Токи на двигателях:

Первый рез заготовки диаметром 410 мм новым диском. Скорости вращения двигателей:

Токи и напряжения на двигателях:

Второй рез заготовки диаметром 410 мм новым диском. Скорости вращения двигателей:

Токи на двигателях:

Результаты измерений были обработаны с использованием оригинального программного обеспечения собственной рзработики и были получены графики исследуемых параметров за время реза.

Первый рез заготовки диаметром 340 мм новым диском. Зона реза:

Второй рез заготовки диаметром 340 мм диском после 800 резов. Зона реза:

Первый рез заготовки диаметром 410 мм новым диском. Зона реза:

Второй рез заготовки диаметром 410 мм новым диском. Зона реза:

По данным, отраженных на выше приведенных графиках, были проведены расчеты кинематических и энергосиловых параметров процесса резания.

Анализ кинематических параметров процесса реза выполнялся при помощи оригинального программного обеспечения собственной разработки (rotarySaw2). Процесс резания круглой заготовки можно условно разделить на четыре фазы:

вход диска в контакт с заготовкой;
наибольшая длина дуги резания;
выход диска из контакта с заготовкой (завершение реза);
вывод диска из прорези.

Это проиллюстрировано рисунком:

Параметры резания между фазами характеризуются различным количеством зубьев диска, находящимся в контакте с заготовкой и рассчитываются по длине дуги резания. Усилия на зуб определяются по модифицированной методике, предложенной в работе "Экспериментальные исследования процесса резания проката дисковыми пилами" (Н.И. Крылов, Н.М. Баранов и др.).

По данным фактических значений углов в разных фазах реза и расчета кинематики ПО рассчитывает энергосиловые параметры: усилия, работу резания, толщину стружки и просадку скорости в разные моменты момент времени реза заготовки. Подставляя эти значения в кинематический расчет, ПО выдает окончательные значения кинематических и энергосиловых параметров пилы. Программное обеспечение выполнено в автономном варианте (включающем средства визуализации технологического цикла реза) для ПЭВМ, а также в варианте для управляющего МК в составе АСУТП. Для программы rotarySaw2 данные, полученные в результате измерений, могут быть использованы как исходные, и по ним определены кинематические и энергетические параметры резания, что иллюстрируется таблицами ниже (для заготовок диаметром 340 и 410 мм):

Полученные энергосиловые параметры (в частности, работа привода диска) после учета холостого хода оказываются очень близки к проектным.

На основе результатов анализа и расчетов выданы рекомендации по режимам резания, настройкам приводов двигателей пилы, необходимым изменениям вспомогательного оборудования, системе автоматики пилы, приводов и др.

Средства для получения кинематических и энергосиловых параметров процесса резания включаются нами в систему управления роторной пилы, что дает возможность управлять приводами не только по циклограмме, но и в зависимости от текущего состояния диска и параметров заготовки, а также определять износ диска для выдачи рекомендаций по моменту его замены.