CC BY
21
УДК 674.05:62-51
А. А. Гришкевич, А. Ф. Аникеенко, П. А. Бараненко
Белорусский государственный технологический университет
ПРОЕКТ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОМ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ УГЛОВЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
В данной статье предлагается вариант системы дистанционного управления фрезерным инструментом с изменяемыми угловыми параметрами. Система управления имеет возможность производить контроль и изменение углов резания лезвийного инструмента непосредственно во время его работы. Реализация такой системы дистанционного управления инструментом с изменяемыми угловыми параметрами обеспечит: уменьшение ассортимента лезвийного инструмента на производстве при работе с различными древесными материалами, имеющими различные физико-механические характеристики и требования к качеству обработки; сижение потребления электроэнергии на единицу площади обработанной поверхности; увеличение производительности оборудования; уменьшение времени на наладку машины.
Ключевые слова: инструмент, углы резания, дистанционное управление, система, сервопривод.
A. A. Grishkevich, A. F. Anikeyenko, P. A. Baranenko
Belarusian State Technological University
PROJECT OF REMOTE TOOL CONTROL SYSTEM WITH VARIABLE ANGULAR PARAMETERS
This article proposes a variant of the remote control system of milling tools with variable angular parameters. The control system has the ability to control and change the cutting angles of the blade tool directly during its operation. Implementation of such system of remote control of the tool with changeable angular parameters will provide: reduction of the range of the blade tool at production at work with the various wood materials having various physical and mechanical characteristics and requirements to quality of processing; reduction of power consumption per unit area of the treated surface; increase of equipment productivity; reduction of time for adjustment of the machine.
Key words: tool, cutting angles, remote control, system, servo.
Введение. Устойчивое экономическое развитие современных предприятий требует постоянного внимания его экономической эффективности. Проводятся модернизация или замена старого оборудования, используемых технологий, рассчитываются энергетические затраты и вводятся мероприятия по их уменьшению.
В настоящее время на деревообрабатывающих предприятиях применяются следующие основные виды механической лезвийной обработки древесины и древесных материалов, такие как пиление, фрезерование, сверление, шлифование, строгание, лущение. Для получения определенного вида конечной продукции могут быть использованы различные вышеперечисленные виды обработки. Однако эффективность их применения будет различна: разная производительность процесса, потребляемая мощность на единицу продукции, период стойкости инструмента, полезный выход и так далее. Так, например, применение в технологических процессах при делении материалов ленточных пил позволило увеличить полезный выход продукции. Это особенно важно, когда ведется обработка ценных пород древесины.
Значимое место при обработке древесных материалов занимает и фрезерование. При получении фасонных или профильных поверхностей этому виду резания порой нет и замены. Поэтому дальнейшее проведение работ по совершенствованию или созданию новых фрезерных инструментов, системы управления технологическим процессом является задачей актуальной и своевременной.
На кафедре «Деревообрабатывающие станки и инструменты» ведутся работы по совершенствованию деревообрабатывающего оборудования и инструментов, инновационного их развития, обеспечивающих ресурсосбережение [1-4].
Предлагаемая к рассмотрению система управления позволит производить контроль и установку заданных угловых параметров базовому инструменту непосредственно во время обработки древесных материалов. Ее реализация в производстве позволит уменьшить ассортимент инструментального хозяйства, потребление электроэнергии во время обработки материала и повысить производительность процесса за счет уменьшения времени на переналадку оборудования.
Основная часть. Целью работы является разработка системы дистанционного управления фрезерным инструментом с изменяемыми угловыми параметрами, обеспечивающей уменьшение мощности на резание, улучшение качества получаемой поверхности и увеличение производительности машин.
На начальном этапе разрабатывается структурная схема механизма. Проектируемое устройство должно производить поворот сегментов во время вращения фрезы, задание угла поворота сегментов осуществляться дистанционно с помощью смартфона. Также дистанционно должен производиться и контроль угла поворота.
При разработке структурной схемы были соблюдены следующие правила:
а) структурная схема должна состоять из минимально возможного количества элементов, что позволит уменьшить время диагностики неполадок в случае их появления, а также снизить себестоимость всего механизма;
б) схема должна быть читабельна для понимания принципа ее работы;
в) использовать, по возможности и целесообразности, наиболее распространенные элементы. Например, использование смартфона в качестве устройства ВВОДА и мониторинга информации о положении режущего элемента.
Придерживаясь данных правил, была разработана следующая структурная схема (рис. 1).
Структурная схема состоит из устройства управления (смартфона) и фрезы, внутри которой находятся считывающее устройство, преобразователь и исполнительный механизм.
Посредством Wi-Fi соединения между смартфоном и считывающим устройством фрезы происходит постоянный обмен данными. Благодаря этому имеем возможность постоянного контроля угла поворота сегментов.
Далее выбираем составные элементы системы.
1) Плата управления.
Arduino - это небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно
подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, роутеры, магнитные дверные замки и все, что работает от электричества.
В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму.
Платформа Arduino Nano - открытая и компактная платформа из семейства Arduino, построенная на микроконтроллере ATmega328 (Arduino Nano 3.0) или ATmega168 (Arduino Nano 2.x), имеет небольшие размеры [5].
На рис. 2 представлена плата Arduino Nano.
Рис. 2. Плата Arduino Nano
Arduino Nano - это уменьшенный аналог Arduino Uno, отличающийся формфактором платы, которая в 2-2,5 раза меньше, чем Arduino Uno, отсутствием силового разъема постоянного тока.
2) Сервопривод.
Под сервоприводом понимают механизм с электромотором, который может повернуться на заданный угол и удерживать это положение.
Сервопривод - это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению. Иными словами, сервопривод получает на вход значение управляющего параметра. Например, угол поворота, блок управления сравнивает это значение со значением на своем датчике, на основе результата сравнения привод производит некоторое действие, например поворот, ускорение или замедление, так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра.
Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол, и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.
Типичный хобби-сервопривод изображен на рис. 3 [6].
Рис. 3. Типичный хобби-сервопривод
3) Wi-Fi модуль.
ESP8266 - микроконтроллер с интерфейсом Wi-Fi, который имеет возможность выполнять программы из Flash-памяти. Устройство было выпущено в 2014 г. китайской фирмой Espressif и практически сразу же стало популярным.
Контроллер недорогой, обладает небольшим количеством внешних элементов и имеет следующие технические параметры:
- поддерживает Wi-Fi протоколы 802.11 b/g/n с WEP, WPA, WPA2;
- обладает 14 портами ввода и вывода, SPI, I2C, UART, 10-бит АЦП;
- поддерживает внешнюю память до 16 МБ;
- необходимое питание от 2,2 до 3,6 В, потребляемый ток до 300 мА в зависимости от выбранного режима.
Важной особенностью является отсутствие пользовательской энергонезависимой памяти на кристалле. Программа выполняется от внешней SPI ПЗУ при помощи динамической загрузки необходимых элементов программы. Доступ к внутренней периферии можно получить не из документации, а из API набора библиотек [7].
ESP-01 - плата-модуль Wi-Fi на базе популярного чипсета ESP8266EX (рис. 4). На борту платы находится микросхема Flash-памяти объемом 2 МБ, чип ESP8266EX, кварцевый резонатор, два индикаторных светодиода и миниатюрная антенна из дорожки на верхнем слое печатной платы в виде змейки. Flash-память необходима для хранения программного обеспечения. При каждом включении питания про-
граммное обеспечение автоматически загружается в чип ESP8266EX.
По умолчанию модуль настроен на работу через «AT-команды». Управляющая плата посылает команды - Wi-Fi модуль в свою очередь выполняет соответствующую операцию.
Внутри чипа ESP8266 находится полноценный микроконтроллер, который является самодостаточным устройством. Прошивать модуль можно на разных языках программирования.
Родное напряжение модуля - 3,3 В. Его пины не «толерантны» к 5 В. Если подать напряжение выше, чем 3,3 В на пин питания, коммуникации или ввода-вывода, модуль выйдет из строя. Поэтому для передачи данных на модуль с 5-вольтовых управляющих плат используют делитель напряжения, чтобы перевести напряжение в допустимый диапазон.
Рис. 4. Плата-модуль Wi-Fi на базе чипсета ESP8266EX
Никаких посредников для приема данных не нужно. Сигнал в 3,3 В воспринимается управляющей платой, как логическая единица.
Модуль потребляет в пике 220 мА. Регулятора напряжения, используемого на пятиволь-товых платах Arduino для пина 3,3 В, может оказаться недостаточно. Например, Arduino Uno и Arduino Leonardo могут выдать не более 50 мА с пина 3,3 В, поэтому с ними нужно обязательно использовать внешний регулятор; а Iskra Neo может выдать до 800 мА, поэтому с ней можно питать ESP8266 прямо от платы.
Далее следует подобрать сервопривод.
При фрезеровании древесины и древесных материалов на фрезерный инструмент действуют как внешние, так и внутренние силы. К внешним силам относятся касательная и радиальная составляющие силы резания. Внутренним - сила трения и инерции.
Величина силы трения, возникающая в направляющих сегментов, и касательная составляющая силы резания, влияют на габаритные размеры фрезы. При повышении этих сил возникает необходимость в увеличении крутящего момента сервопривода, вращающего поворотный валик, что существенно влияет на габариты фрезы.
Для выбора сервопривода необходимо решить следующие задачи:
1) рассчитать касательную и радиальную составляющие силы резания при полном использовании мощности двигателя привода резания;
2) вычислить силу инерции, действующую на сегмент в сборе;
3) найти силы трения, вызванные действием силы инерции и радиальной составляющей силы резания;
4) определить момент, создаваемый силами сопротивления.
По данным вычислений необходимо определить минимально допустимый крутящий момент сервопривода.
В качестве базовой машины будем использовать многооперационный станок с ЧПУ модели Rover 22, имеющий следующие параметры:
- мощность электродвигателя P = 7,5 кВт;
- частота вращения фрезы n = 10008000 мин-1;
- диаметр фрезы D = 80 мм.
Касательная составляющая силы резания Ft,
Н, определяется по формуле (1):
F - 1000 • рдв
(1)
где V - скорость главного движения, м/с.
Скорость главного движения V, м/с, определяется по формуле (2):
п • D • n
V -
60 000
где n - частота вращения фрезы, мин1. 3,14 • 80 • 1000
(2)
V - •
min
- 4,2 м / с;
60 000
3,14 • 80 • 8000
V ---33,5 м / с,
max 60 000
- 1000 • 7,5-1785 н.
'max 4 2
Радиальную составляющую силы резания F, Н, находим по формуле (3):
Fr - m • Ft
(3)
где m - переходный множитель, принимаем m - 1. Fr -1785 Н;
'max
Fr . -223,9 Н.
'min
Сила инерции FHH, Н, рассчитывается по формуле (4):
FHK =-an ■m = -Ю Ан
(4)
где ап - нормальное (или центростремительное) ускорение, м/с2; т - масса сегмента, кг; Лин - расстояние от оси вращения фрезы до центра масс сегмента, м.
Масса сегмента и расстояние от оси вращения фрезы до центра масс сегмента определены по трехмерной модели, созданной в программе SolidWorks, и равны соответственно: т = 0,049 кг и Дин = 0,026 м.
Угловая скорость вращения фрезы ю, мин-1, рассчитывается по формуле (5):
п • n
ю =
30
(5)
Для облегчения расчета используем программный пакет Excel. Расчет приведен в табл. 1.
Таблица 1
Расчет силы инерции
n, мин 1 ю, с 1 Fnn, Н
1000 105 14
2000 209 56
3000 314 126
4000 419 224
5000 524 350
6000 628 504
7000 733 686
8000 838 896
Частоту вращения фрезы принимаем в интервале от 1000 до 8000 мин-1 с шагом 1000 мин-1.
Силу трения ^Гр, Н, определяем по формуле (6):
тогда
F = N • ц,
тр
(6)
F - 1000 •7,5 - 223,9 Н; w 33,5
где N - нормальная реакция опоры, Н; ц - коэффициент трения.
v
Принимаем, что коэффициент трения сталь по стали равен ц = 0,1.
На рис. 5 приведена расчетная схема для определения нормальной реакции опоры.
Радиальная составляющая силы резания в данном случае направлена от режущей кромки лезвия в материал. Для определения реакции опоры ее следует развернуть. Составляем уравнение, определяющее нормальную реакцию опоры N (формула (7)).
N = Ъ - Ъ
(7)
Так, при фрезеровании на частоте п = 1000 мин-1 нормальная реакция опоры будет равна:
N = 14 -1790 = -1776 Н.
Сила трения в данном случае:
^ = 1776 • 0,1 = 177,6 Н.
В табл. 2 приведен расчет силы трения для разных частот вращения фрезы.
Таблица 2
Расчет силы трения
п, мин 1 Ъин, Н Н N Н Ътр, Н
1000 14 1790 - 1776 178
2000 56 895 - 839 84
3000 126 597 - 471 47
4000 224 448 - 224 22
5000 350 358 - 8 1
6000 504 298 206 21
7000 686 256 430 43
8000 896 224 672 67
Знак минус указывает на то, что сегмент прижимается к корпусу фрезы по верхней поверхности направляющей.
Плюс - по нижней поверхности направляющей.
К силам сопротивления относится касательная составляющая силы резания ^ и сила трения Ътр.
Момент касательной составляющей силы резания относительно собственной оси вращения М, Н м, определяется по формуле (8):
М = ъ • я,,
(8)
где я - расстояние от собственной оси вращения сегмента до точки приложения силы Ъ, м.
Из чертежа инструмента находим расстояние от собственной оси вращения сегмента до точки приложения силы которое равно Я1 = = 0,007 м.
Момент от силы трения Мф, Нм, определяется по формуле (9):
М = Ъ • Я ,
тр тр тр'
(9)
где ят - асстояние от собственной оси в аще-ния сегмента до точки приложения силы Ътр, м.
Это расстояние зависит от поверхности, по которой базируется сегмент на корпусе фрезы. Если по верхней поверхности, то Ятр = 0,0245 м. По нижней - Ятр = 0,0305 м.
На рис. 6, приведена расчетная схема для определения моментов сил сопротивления.
В табл. 3 дан расчет момента сил сопротивления для различных частот вращения фрезы.
Суммарный момент сил сопротивления Мсум, Н м, определяется по формуле (10):
Мум = мt + Мтр. (10)
По результатам проведенных расчетов можно подобрать сервопривод БМ^2000МБ со следующими техническими характеристиками [8]:
- напряжение питания и = 6,0-1,2 В;
- крутящий момент М = 2000 Нм;
- габаритные размеры 40 X 20 X 38,5 мм.
Далее приведен возможный вариант исполнения инструмента (рис. 7).
3
Рис. 7. Вариант инструмента с системой дистанционного управления: 1 - корпус; 2 - корпус инструмента; 3 - хвостовик; 4 - валик поворотный; 5 - крышка; 6 - поворотный сегмент; 7 - прижимной элемент; 8 - нож; 9 - сервопривод
Таблица 3 Расчет момента сил сопротивления для различных частот вращения фрезы
п, мин 1 Fь Н ^тр, Н Mt, Н-м MTр, Нм Mcyм, Нм
1000 1790 178 12,53 5418 5431
2000 895 84 6,27 2560 2566
3000 597 47 4,18 1436 1440
4000 448 22 3,13 682 685
5000 358 1 2,51 25 27
6000 298 21 2,09 504 506
7000 256 43 1,79 1054 1056
8000 224 67 1,57 1647 1649
Заключение. Разработанная система дистанционного управления позволит производить изменение углов резания без остановки инструмента, что существенно повлияет на производительность процесса фрезерования, так как время на переналадку становится минимальным.
Подобран вариант элементной базы проектируемой системы.
В результате расчетов определен момент сил сопротивления и на основании этого подобран сервопривод, позволяющий преодолеть его.
Литература
1. Цилиндрическая фреза: пат. 666080 СССР, МПК B27G13/02 / Л. В. Лабурдов, А. П. Клубков, А. П. Фридрих; заявитель Белорусский технологический институт № 2424015; заявл. 29.11.76; опубл. 06.06.79 // Нац. центр интелектуал. собственности. 1979. С. 4.
2. Гришкевич А. А., Макаревич С. С. Дереворежущий фрезерный инструмент с изменяемыми углами резания ножей, установленных на опоре качения // Труды БГТУ. 2011. № 2 (140): Лесная и деревообрабатывающая промышленность. С. 219-224.
3. Гришкевич А. А., Гаранин В. Н., Аникеенко А. Ф. Результаты лабораторных испытаний рефлекторного фрезерного инструмента при обработке ламинированных ДСтП // Труды БГТУ. 2015. № 2: Лесная и деревообрабатывающая промышленность. С. 250-253.
4. Гришкевич А. А., Вихренко В. С., Гаранин В. Н. Особенности расчета сопрягаемых поверхностей рефлекторного фрезерного инструмента // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: труды X Междунар. Евразийского симпозиума, Екатеринбург, 22-25 сентября 2015 г. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2015. С. 149-156.
5. Arduino NANO. URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardNano (дата обращения: 21.12.2018).
6. Сервоприводы. URL: http://wiki.amperka.ru/робототехника:сервоприводы (дата обращения: 21.12.2018).
7. Подключение Arduino UNO к Wi-Fi модулю. URL: https://arduinoplus.ru/podkluchenie-wi-fi-modulya-k-arduino (дата обращения: 21.12.2018).
8. S2000MD сервопривод. URL: http://domanrchobby.com/content/7113.html (дата обращения: 21.12.2018).
References
1. Laburdov A. V., Klubkov A. P., Fridrikh A. P. Tsilindricheskaya freza [Cylindrical cutter]. Patent USSR, no 666080, 1979.
2. Grishkevich A. A., Makarevich S. S. Wood-cutting milling tool with variable cutting angles of knives mounted on a rolling support. Trudy BGTU [Proccedings of BGTU], 2011, no. 2: Forest and Woodworking Industry, pp. 219-224 (In Russian).
3. Grishkevich A. A., Garanin V. N., Anikeyenko A. F. The results of laboratory tests the reflex of the milling tool in the processing of laminated Chipboard. Trudy BGTU [Proccedings of BGTU], 2015, no. 2: Forest and Woodworking Industry, 2011, pp. 250-253 (In Russian).
4. Grishkevich A. A., Vikhrenko V. S., Garanin V. N. Features of calculation of mating surfaces of the reflex milling tool. Trudy X Mezhdunar. Yevraziyskogo simpoziuma "Derevoobrabotka: tekhnologii, oborudovaniye, menedzhment XXI veka" [Proceedings of the X International Eurasian Symposium "Woodworking: technologies, equipment, management of the XXI century". Yekaterinburg, 2015, pp. 149-156.
5. Arduino NANO [Arduino NANO]. Available at: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardNano (accessed 21.12.2018).
6. Servoprivody [Servo-motion]. Available at: http://wiki.amperka.ru/робототехника:сервоприводы. (accessed 21.12.2018).
7. Podklycheniye Arduino UNO k Wi-Fi moduly [Connecting an arduino to the wi-fi module]. Available: https://arduinoplus.ru/podkluchenie-wi-fi-modulya-k-arduino (accessed 21.12.2018).
8. S2000MD servoprivod [S2000MD servo-motion]. Available: http://domanrchobby.com/content/ 7113.html (accessed 21.12.2018).
Информация об авторах
Гришкевич Александр Александрович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой деревообрабатывающих станков и инструментов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: dosy@belstu.by
Аникеенко Андрей Федорович - кандидат технических наук, доцент кафедры деревообрабатывающих станков и инструментов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: dosy@belstu.by
Бараненко Павел Александрович - магистрант кафедры деревообрабатывающих станков и инструментов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: dosy@belstu.by
Information about the authors
Grishkevich Aleksandr Aleksandrovich - PhD (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Woodworking Machines and Tools. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: dosy@belstu.by
Anikeyenko Andrey Fedorovich - PhD (Engineering), Assistant Professor, the Department of Woodworking Machines and Tools. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: dosy@belstu.by
Baranenko Pavel Aleksandrovich - Master's degree student, the Department of Woodworking Machines and Tools. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: dosy@belstu.by
Поступила 15.10.2019
