Mechatronic technological system based on CNC and intelligent mechatronic mechanism

Abstract

A mechatronic technological system (MTS) has been developed. It consisting of a CNC metal-cutting machine tool and a mechatronic spindle, made on the basis of an intelligent mechatronic mechanism (IMM). The main elements of the technological system – the CNC and IMM devices – are parts of a single hierarchical, two-level control system, representing, respectively, the upper and lower control levels in this system. The upper control level – the CNC device – ensures stabilization of the kinematic parameters of machining (displacement, speed, acceleration) and their software change in accordance with the CNC control program. The lower control level – the IMM device – ensures stabilization of the power parameters of mechanical machining (cutting axial force and torque) and their software change in accordance with the technological requirements for the surface quality and the physical-and-mechanical state of the surface layer of the machined parts. At both control levels (the upper and lower ones), closed automatic control systems “by deviation” of the adjustable kinematic (upper control level) and power (lower control level) parameters of mechanical machining are functioning. Moreover, the automatic control system of the lower control level of the hierarchy in relation to a similar automatic control system of the upper control level, implements the method of automatic control “by disturbance”. This, in addition to directly ensuring surface finish and surface integrity, allows improving the quality of stabilization of kinematic cutting parameters at the upper control level. Experimental studies of MTS were carried out when machining parts from various materials (steel, polymer composite materials, superhard crystals and stones, other difficult-to-machine materials).

Розроблено мехатронну технологічну систему (МТС), що складається з металорізального верстата з ЧПК та мехатронного шпинделя, який виконано на основі інтелектуального мехатронного механізму (ІММ). Основні елементи технологічної системи – пристрої ЧПУ та ІММ – входять до складу єдиної ієрархічної дворівневої системи управління, представляючи відповідно верхній та нижній рівні управління в цій системі. Верхній рівень – пристрій ЧПУ – забезпечує стабілізацію кінематичних параметрів обробки (переміщення, швидкість, прискорення) та їх програмну зміну відповідно до керуючої програми ЧПК. Нижній рівень – пристрій ІММ – забезпечує стабілізацію силових параметрів механічної обробки (осьова сила та крутний момент різання) та їх програмна зміна відповідно до технологічних вимог до якості поверхні та фізико-механічного стану поверхневого шару оброблюваних деталей. На обох рівнях управління функціонують замкнуті системи автоматичного управління «з відхилення» регульованих кінематичних (верхній рівень управління) і силових (нижній рівень управління) параметрів механічної обробки. Причому система автоматичного управління нижнього рівня ієрархії по відношенню до аналогічної системи автоматичного управління верхнього рівня реалізує спосіб автоматичного управління «з обурення». Це, крім прямого забезпечення якості поверхні та необхідного її фізико-механічного стану, дозволяє покращити якість стабілізації кінематичних параметрів різання на верхньому рівні управління. Експериментальні дослідження МТС які виконані при обробці деталей з різних матеріалів (сталь, полімерні композиційні матеріали, надтверді кристали та каміння, інші матеріали, що важко обробляються).