Адаптивное управление и оптимизация в реальном времени на станках с ЧПУ: от опыта к алгоритму
абстрактный
При традиционной обработке с ЧПУ после того, как параметры резки установлены, они фиксируются в процессе выполнения и не могут справиться с динамическими изменениями, такими как колебания твердости материала, постепенный износ инструмента или неравномерный допуск на заготовку. Это приводит либо к консервативным параметрам и потере эффективности, либо к агрессивным параметрам, которые вызывают повреждение или лом инструмента. Технология адаптивного управления динамически регулирует скорость подачи и скорость шпинделя, контролируя мощность шпинделя, усилие резания, вибрацию или сигналы акустической эмиссии в режиме реального времени, так что процесс обработки всегда работает на наилучшей границе безопасности и эффективности. В этом документе технология анализируется по трем параметрам: слой восприятия сигнала, слой принятия решений (экспертная система / нечеткая логика) и слой адаптивного управления исполнением. В основном внедрены принцип контроля нагрузки шпинделя и его метод интеграции программирования (например, Siemens OMATIVE). Далее обсуждается применение алгоритмов ИИ (нейронные сети, обучение с подкреплением) для прогнозирования остаточного ресурса инструмента и оптимизации адаптивных стратегий. На примере обработки аэрокосмических деталей Inconel 718 приведены конкретные данные сравнения срока службы инструмента, времени обработки и качества поверхности до и после адаптивного управления. Наконец, анализируются узкое место в текущем продвижении адаптивного управления - стоимость датчиков и сложность калибровки, а также то, как периферийные вычисления 5G и маломощная сенсорная сеть будут способствовать популяризации этой технологии.
Зачем нужен адаптивный контроль?
Нарушение в процессе обработки является повсеместным. Типичные сценарии включают в себя:
Поля, вызванные грубым литьем или ковкой, неравномерны, что приводит к мгновенному увеличению глубины разреза.
Материал партии различия в твердости (например, прочность на разрыв титанового сплава Ti6Al4V может колебаться между 900 и 1050MPa).
Постепенный износ инструмента постепенно увеличивает силу резания, пока он не рухнет.
Естественное изменение касательной ширины в сложном профиле (внезапное увеличение касательного контакта на углах).
Единственный способ зафиксировать параметры перед лицом этих возмущений - установить достаточно безопасный нижний предел, чтобы тратить время впустую. Адаптивное управление, с другой стороны, эквивалентно установке "гаптиков" на станки с ЧПУ - оно может ощущать изменения нагрузки и, как опытный мастер, уменьшать подачу при увеличении сопротивления и автоматически увеличивать подачу при снижении сопротивления, всегда приближаясь к пределу machine-tool-workpiece системы.
Во-вторых, техническая архитектура адаптивного управления
Типичная адаптивная система управления с ЧПУ состоит из трех уровней:
2,1 Сенсорный слой
Датчик мощности / тока шпинделя: наиболее часто используемый сигнал легко получить, а время отклика составляет около 20-50 мс. Преимущество заключается в низкой стоимости, но недостатком является то, что на него влияет изменение скорости шпинделя.
Платформа для измерения усилия напряженного типа или пьезоэлектрический датчик силы: непосредственно измеряйте трехстороннюю силу резания с быстрой реакцией.
Акселерометр / датчик акустической эмиссии: чувствителен к стружкам и трепетанию инструмента, подходит для раннего предупреждения.
В промышленных применениях мониторинг мощности шпинделя стал мейнстримом благодаря своей простоте. Например, OMATIVE, встроенный в систему Siemens SINUMERIK, регулирует скорость подачи в реальном времени, анализируя отклонение фактической мощности шпинделя от установленного предела.
2,2 Уровень принятия решений
Адаптивные алгоритмы принятия решений эволюционировали от "сравнения порогов + корректировки масштаба" до "нечеткой логики / нейронных сетей".
Классическая система правил: установите верхний предел мощности (например, 90% номинальной мощности), уменьшите подачу, если она превышает, увеличьте подачу, если она ниже 70%, и зафиксируйте размер шага. Простой и эффективный, но плохой адаптируемость к различным этапам обработки.
Нечеткое управление: нечеткое "отклонение мощности" и "скорость изменения отклонения" и вывод суммы регулировки подачи с помощью нескольких правил IF-THEN, что ближе к методу принятия решений человеком.
Нейронные сети / экспертные системы: обученные модели, которые отображают шаблоны датчиков непосредственно на оптимальную скорость подачи, могут предвидеть влияющие тенденции.
2,3 Уровень исполнения
Система ЧПУ должна открыть адаптивный интерфейс управления. Siemens, Heidenhain, Fanuc предоставляют интерфейсы настройки подачи в реальном времени (т. Е. Динамически изменять скорость подачи через PLC или определенный API). Цикл выполнения должен быть в пределах 50 мс, иначе задержка отклика может привести к перегрузке.
В-третьих, мониторинг износа инструментов и прогностическая адаптация
Текущим интеллектуальным направлением является встраивание модели прогнозирования износа инструмента в адаптивное управление. Собирая несколько характеристик в процессе обработки (компонент постоянного тока шпинделя, характеристики спектра вибрации, среднеквадратичное значение акустической эмиссии резки), извлекайте индикаторы, которые монотонно меняются с износом инструмента, и используйте машину опорных векторов или сеть долговременной памяти (LSTM) для прогнозирования оставшегося срока службы. Когда прогнозируемое значение ниже порогового, система автоматически выдает запрос на замену инструмента или снижает скорость подачи для задержки окончательного отказа.
Экспериментальные данные показывают, что при концевом фрезеровании Inconel 718 комплексная обработка в сочетании с адаптивной стратегией износа инструмента снижает стоимость инструмента на 27% и позволяет избежать риска повреждения заготовки из-за внезапного разрушения инструмента.
IV. Дело: Авиационная обработка подшипникового кольца Inconel 718
Материал детали Inconel 718, твердость HRC45, наружный диаметр 350 мм, внутренний диаметр 220 мм, толщина 40 мм. При грубой обработке канавок из-за неравномерного пустого припуска на ковку традиционное программирование должно устанавливать консервативную скорость подачи 300 мм / мин. Оснащенная адаптивной системой OMATIVE, система контролирует нагрузку на шпиндель в режиме реального времени: автоматически увеличивает подачу до 550 мм / мин, если припуск небольшой, и снижает припуск до 260 мм / мин, если припуск большой. Весь процесс свободен от ручного вмешательства. Окончательное время обработки сокращается со 115 минут до 79 минут, экономя 31%. В то же время пиковая нагрузка шпинделя всегда контролируется в пределах 85% от номинального значения, кривая износа инструмента гладкая, а срок службы инструмента продлевается на 22%.
V. Проблемы и перспективы на будущее
Основными препятствиями для продвижения адаптивного управления являются начальная стоимость интеграции датчиков с системой (для модернизации старых станков может потребоваться дополнительное оборудование и разрешения); высокие требования к обучению технологического персонала, необходимость установки разумных верхних и нижних пределов и скоростей срабатывания; и риск отставания некоторых адаптивных систем в быстро меняющихся траекториях фрезерования.
Будущие тенденции: маломощные беспроводные сенсорные узлы и пограничные вычислительные шлюзы, позволяющие существующим мастерским развертывать сети мониторинга режущей силы при низких затратах. В то же время цифровое двойное адаптивное управление - использование двойных моделей, управляемых данными в реальном времени, для обратного вычисления оптимальных параметров - станет важным направлением для систем управления ЧПУ следующего поколения.
Статья 4: Технология обработки с ЧПУ для difficult-to-machine материалов: прорывы в титановых сплавах, суперсплавах и композитах
Ключевые слова: difficult-to-machine материалы, обработка титановых сплавов, обработка инконелей, резка суперсплавов, фрезерование композитов, терморегуляция резки, механизм износа инструмента, охлаждение под высоким давлением
difficult-to-machine материалы, титан Ti6Al4V, инконель 718, сплав на основе никеля, обработка CFRP, температура резки, износ инструмента, охлаждающая жидкость высокого давления, трохоидальное фрезерование
абстрактный
Титановые сплавы (Ti6Al4V), суперсплавы на основе никеля (Inconel 718, Waspaloy) и композиты из углеродного волокна (CFRP) широко используются в аэрокосмической, энергетической и медицинской имплантатах из-за их отличного отношения прочности к весу и термостойкости. Однако их "трудно обрабатываемые" характеристики - низкая теплопроводность, высокое химическое сродство, упрочнение и анизотропия - создают серьезные проблемы для традиционных стратегий резки: износ инструмента чрезвычайно быстр, целостность поверхности выходит из-под контроля и даже возникают неприемлемые подземные повреждения. Основываясь на теории резки TCE-металла, в этой статье анализируются доминирующие механизмы накопления кромок, диффузионного износа и термомеханической усталости при механической обработке титановых сплавов и суперсплавов, а также представлена целевая геометрия инструмента и схемы покрытия. Стремясь к CFRP, расслаиванию, разрыву и методам подавления быстрого износа абразивного инструмента. На уровне технологических параметров систематически излагаются эффекты применения технологии СОЖ высокого давления (HPC), циклоидального фрезерования и микросмазки (MQL). Проверенное окно параметров резки и ключевые моменты контроля качества обеспечиваются на примерах корпуса аэродинамического двигателя и композитного шпата. Наконец, отмечаются перспективы гибридной обработки (лазерная резка, низкотемпературное охлаждение) в области difficult-to-machine материалов.
Классификация и показатели перерабатываемости difficult-to-process материалов
1,1 Титановый сплав Ti6Al4V
Теплопроводность составляет около 1 / 6 от стали, что приводит к высокой концентрации тепла резки на наконечнике инструмента.
Модуль упругости низкий, и его легко отскочить во время обработки, что усиливает трение задней режущей поверхности.
Высокая химическая активность позволяет легко диффундировать и соединяться с инструментальными материалами (особенно WC-Co).
Типичный срок службы инструмента: резкое снижение при скоростях резания, превышающих 60 м / мин.
1,2 Суперсплав на никелевой основе Inconel 718
Высокая температурная прочность (прочность на растяжение еще 200 МПа при 1000 ° C).
Тяжелая тенденция упрочнения при работе (поверхностный упрочняющий слой до 1,5 раза перед резкой).
Содержит твердые частицы карбида, которые увеличивают абразивный износ.
Экономичная скорость резки обычно составляет всего 20-40 м / мин.
1,3 CFRP
Анизотропия, направление волокна имеет большое влияние на силу резания.
Расслоение и заусенцы легко образуются на стороне выхода.
Высокая твердость углеродного волокна приводит к чрезвычайно короткому сроку службы инструмента за пределами поликристаллических алмазных (PCD) покрытий.
Во-вторых, выбор инструмента и технология покрытия
Для титановых сплавов и суперсплавов рекомендуемой подложкой инструмента является сверхмелкозернистый цементированный карбид (размер зерна 0.2-0 мкм), обладающий высокой прочностью на изгиб и термической твердостью. Для нанесения покрытий предпочтительны многослойные нанопокрытия на основе AlTiN или AlCrN, которые могут достигать термической стабильности выше 1100 ° C и снижать сродство с материалом заготовки. Геометрически для предотвращения микроколлапса требуются большой угол спирали (35-45), положительный угол грабли (8-12) и усиленная инверсия края.
Для CFRP первым выбором являются твердосплавные инструменты с алмазным покрытием или монолитные инструменты PCD. Режущая кромка должна быть как можно более острой, а конструкция канавки сжатия спирали должна использоваться для преобразования усилия расслоения в напряжение сжатия.
III. Стратегия параметров резки и технология охлаждения
3,1 Для титановых сплавов
Рекомендуемая стратегия "низкая скорость, высокая подача, небольшая радиальная глубина резки". Например: VC = 40-60 м / мин, fz = 0.08-0 мм / з, радиальная глубина резки ae = 5% -10% от диаметра инструмента, осевая глубина резки ap≤1.5D. Теплоноситель высокого давления (выше 70 бар) непосредственно воздействует на граблю из холодного отверстия в инструменте, что может снизить температуру зоны резки более чем на 200 ° C.
3,2 Для Inconel 718
Скорость резки строго контролируется на 25-35 м / мин, а циклоидное фрезерование используется для избежания резких изменений в дуге резки. Охлаждение под высоким давлением (HPC) имеет важное значение, а низкотемпературное охлаждение (от -30 ° C до -70 ° C) с жидким азотом или углекислым газом можно использовать в условиях, которые могут увеличить срок службы инструмента в 2-3 раза.
3,3 Для углепластика
Используйте высокоскоростное фрезерование (VC = 200-400 м / мин), фрезерование вниз, чтобы избежать расслоения режущей кромки. Используйте жертвенные опорные пластины или подкладку дерева под заготовку. Предпочтительны инструменты PCD, и каждое лезвие подается 0.03-0. 06 мм.
IV. Дело: Inconel 718 Aviation Case Фрезерование
Детали представляют собой кольцевой кожух, толщина стенки 2,5 мм, материал Inconel 718. Традиционный обрабатывающий инструмент меняется каждые 15 минут, а уровень лома составляет 8%. Вместо этого используется следующая схема: Нож из карбида с покрытием Ø 12 мм AlTiN, VC = 30 м / мин, fz = 0,05 мм / з, радиальная глубина резки 0,8 мм, циклоидальный путь, охлаждающая жидкость высокого давления 80 бар. Срок службы инструмента увеличивается до 55 минут, а весь внешний профиль кожуха обрабатывается только дважды, а уровень остаточного лома снижается до 2,5%. Испытание поверхностным напряжением показывает, что поверхность находится в сжимающем напряженном состоянии, что соответствует требованиям авиационных стандартов.
В-пятых, передовая технология смешанной обработки
Лазерная резка (LAM) использует высокоэнергетические лазеры для мгновенного смягчения материалов в зоне резки, снижая силу резки Inconel 718 более чем на 50%, что позволяет увеличить скорость резки до 80 м / мин. Технологии низкотемпературного охлаждения (прохождение жидкого азота через внутреннее отверстие инструмента) уже имеются в продаже. Эти технологии восстановят экономичность переработки difficult-to-machine материалов.
BQUQ является профессиональным экспертом по производству с ЧПУ, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.
