Управление регенеративными автоколебаниями в процессе фрезерования

Рассматривается проблема возникновения и оперативного подавления автоколебаний, возникающих в процессе фрезерования с помощью робота-манипулятора. Предполагается, что инструмент (фреза) связан с роботом упругим подвесом, который используется для силового очувствления робота. На основе математической модели регенеративных автоколебаний (chattering) проведено моделирование системы "робот—инструмент—обрабатываемая поверхность". Инструмент равномерно двигается вдоль обрабатываемой поверхности с заданным прижатием к ней. Прижатие фрезы, обеспечивающее необходимую осевую глубину резания (axial depth of cut), осуществляется с помощью позиционно-силового алгоритма управления. Данный алгоритм управления реализуется средствами двух ПИД регуляторов с позиционной и силовой обратными связями. Равномерное движение вдоль обрабатываемой поверхности, обеспечивающее требуемую подачу инструмента, осуществляется с помощью алгоритма управления по скорости. Управление по скорости осуществляется средствами отдельного ПИД регулятора. Настройки всех регуляторов обеспечивают быстродействие и плавность переходных процессов. Для сглаживания нежелательной динамики при нелинейной форме обрабатываемой поверхности возможно использование обучения на пробных циклах движения. Рядом авторов экспериментально и аналитически показано, что при фрезеровании "по следу", который остается на обрабатываемой поверхности при предыдущем проходе инструмента, возможно возникновение неустойчивых (регенеративных) автоколебаний. Неустойчивые автоколебания являются сдерживающим фактором для повышения производительности, которая главным образом зависит от глубины резания и скорости вращения инструмента. В настоящей работе рассматривается возможность оперативного детектирования начала возникновения неустойчивых автоколебаний по амплитудному спектру показаний датчиков горизонтальных сил взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью. Амплитудный спектр строится с помощью быстрого преобразования Фурье, что позволяет оперативно определять начало ухода процесса резания в неустойчивую зону. Следующее за этим небольшое уменьшение осевой глубины резания (в пределах 1...2 %) практически полностью стабилизирует процесс резания. В работе предлагается вариант построения контура адаптации для системы управления вертикальным движением робота, основанный на допустимом изменении осевой глубины резания.

1. Панов А. А., Аникин В. В., Бойм М. Г. и др. / под общ. ред. А. А. Панова. Обработка металлов резанием. Справочник технолога. М.: Машиностроение, 2004. 784 с.

2. URL: https://www.youtube.com/watch?v=VJqvMY5cTl0

3. URL: https://www.youtube.com/watch?v=iBfPC88xaJo

4. Кудинов В. А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.

5. Кедров С. С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. 200 с.

6. Мурашкин Л. С., Мурашкин С. Л. Прикладная нелинейная механика станков. Л.: Машиностроение, 1977. 192 с.

7. Tobias S. A., Fishwick W. The chatter of lathe tools under orthogonal cutting conditions // Transactions of ASME. 1958. Vol. 80, Iss. 1. P. 1079—1088.

8. Tlusty J., Polacek M. The stability of the machine tools against self-excited vibrations in machining // International Research in Production Engineering. 1963. Vol. 1, Iss. 1. P. 465—474.

9. Tobias S. A. Machine tool vibration. New York: Wiley, 1961. 352 p.

10. Воронов С. А., Непочатов А. В., Киселев И. А. Критерии оценки устойчивости процесса фрезерования нежестких деталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. № 1. С. 50—62.

11. Altintas Y. Metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. Cambridge University press, 2012. 382 p.

12. Altintas Y., Stepan G., Merdol D., Dombovari Z. Chatter stability of milling in frequency and discrete time domain // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2008. № 1. P. 35—44

13. Budak E. Maximizing Chatter Free Material Removal Rate in Milling through Optimal Selection of Axial and Radial Depth of Cut Pairs // CIRP Annals — Manufacturing Technology. 2005. Vol. 54, Iss. 1. P. 353—356.

14. Свинин В. М. Исследование кинематических и динамических характеристик головки для модуляции скорости резания и выбор ее конструктивных параметров // Ученые записки Забайкальского государственного университета. Физика, математика, техника, технология. 2010. С. 85—97.

15. Иванов И. И., Воронов С. А., Николаев С. М., Куць В. А. Моделирование вибраций при плоском фрезеровании с коррекцией частоты вращения в режиме реального времени // Наука и Образование МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. Журн. 2017. № 3. С. 1—16.

16. van Dijk N., van de Wouw N., Doppenberg E., Oosterling H., Nijmeijer H. Chatter control in the high-speed milling process using -synthesis // American Control Conference (ACC). 2010. P. 6121—6126.

17. van Dijk N., van de Wouw N., Doppenberg E., Oosterling H., Nijmeijer H. Robust active chatter control in the highspeed milling process // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2012. Vol. 20, Iss. 4. P. 901—917.

18. Юревич Е. И. Сенсорные системы в робототехнике: учеб. пособ. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 100 с.

19. Гориневский Д. М., Формальский А. М., Шнейдер А. Ю. Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях / Под ред. В. С. Гурфинкеля и Е. А. Девянина. М.: Физматлит, 1994. 368 с.

20. Егоров И. Н. Позиционно-силовое управление робототехническими и мехатронными устройствами. Владимир: Изд-во Владимир. гос. ун-та, 2010. 192 с.

21. Байдина Т. А., Шагниев О. Б., Бурдаков С. Ф. Управление вибрационным состоянием робота при силовом взаимодействии с шероховатой поверхностью неопределенного профиля // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2016. № 4. С. 43—52.

22. Бурдаков С. Ф., Шагниев О. Б. Модели механики в задаче управления силовым взаимодействием робота с поверхностью неопределенного профиля // Научно-технические ведомости СПбПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2015. № 4. С. 68—79.

23. Юревич Е. И., Каляев И. А., Лохин В. М., Макаров И. М. Интеллектуальные роботы: учебное пособие для вузов / Под общей ред. Е. И. Юревича. М.: Машиностроение, 2007. 360 с.