Адаптивная САУ фрезеровального станка с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Брестский государственный технический университет»

Магистерская диссертация

на соискание академической степени магистра

«Адаптивная САУ фрезеровального станка с ЧПУ»

1-53 80 01 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»

На правах рукописи

Ин Ли

Брест, 2020



Введение

деталь адаптивный фрезерный привод

Новые системы управления существенно повлияли на изменение конструкции токарных станков, что повлекло за собой высокую стоимость новых моделей этого оборудования и недостаточную их надежность. Более половины отказов у станков с числовым программным управлением (ЧПУ) связано с электронными и электрическими устройствами, 19% -- с механическими, 11% -- с гидравлическими, 12% --с ошибками в обслуживании и программировании. Наименее надежными являются устройства автоматической смены инструмента (револьверные головки, дисковые или цепные магазины). Важнейшей особенностью современных станков с ЧПУ является принцип агрегатирования как внутри определенной их группы, так и между станками различного технологического назначения. Автоматическая смена инструмента, встройка в шпиндельный узел датчиков при адаптивном управлении и автоматической диагностике предъявляют дополнительные требования к этим узлам. Основным видом тягового устройства в приводе подач станков с ЧПУ является передача винт--1 гайка качения, обеспечивающая высокую долговечность, низкие потери.

Станок электроэрозионный копировально-прошивочный координатный особо высокой точности с адаптивно-программным управлением.

Для автоматизации управления процессом ПМО при модернизации станков создаются адаптивные системы, предназначенные для станков с числовым программным управлением, на которых предположено применение плазменного подогрева обрабатываемого материала. Такие системы еще полностью не разработаны, хотя отдельные их узлы уже проходят промышленную проверку. В качестве управляющего сигнала может использоваться изменение составляющих сил резания или мощности, потребляемой двигателем станка. Адаптивная система может воздействовать как на изменение режима резания, так и на изменение режима плазменного подогрева. Поскольку плазменная дуга действует на обрабатываемый материал впереди резца, а всякого рода изменения (например, колебания припуска) носят в производстве стохастический характер, в устройство для адаптивного управления должна включаться система задержки ответного сигнала или система осреднения управляющих импульсов. ?

Пути повышения производительности при шлифовальной обработке могут быть различными улучшение качества абразивных инструментов, повышение степени автоматизации станков, оснащение их измерительно-управляющими устройствами, одновременная обработка нескольких поверхностей на многокруговых станках или станках с широкими кругами, форсирование режимов резания (скоростное шлифование). Перспективны шлифовальные станки с числовым программным управлением на базе микропроцессоров и микроЭВМ, оснащенные адаптивными устройствами программного управления обработки деталей и способные автоматически выбирать режимы обработки, исходя из критерия получения требуемой точности и качества обработки при минимальных затратах.

Широкое использование станков, сочетающих числовое программное управление с адаптивными системами, оптимизирующих процессы резания, будет интенсифицировать процессы механической обработки.

На исполнительном уровне осуществляется индивидуальное адаптивное программное управление отдельными роботами и станками, входящими в состав РТК- На координирующем уровне производится координация и синхронизация работы индивидуальных систем управления в соответствии с тем технологическим процессом, который должен быть автоматизирован с помощью РТК- Таким образом, речь идет, по существу, об организации группового адаптивного управления оборудованием РТК.

Рассмотрим принципиальную схему токарного станка с адаптивной системой программного управления, позволяющей обрабатывать заготовку при постоянном значении силы резания. Обрабатываемая заготовка 1 приводится во вращение электродвигателем 2.

В наиболее совершенных системах с числовым программным управлением содержатся устройства адаптивного управления. При этом значительно упрощается программирование работы станков технолог приближенно решает задачу, а система, определив с помощью специальных датчиков условия резания, сама выбирает наиболее целесообразные условия работы.

Как показали проведенные международные выставки металлорежущих станков в Ганновере (1967 г.), Москве (1968 г.), Париже (1969 г.) основными тенденциями в развитии станков с ПУ являются 1) создание станков типа обрабатывающий центр , оснащенных инструментальными магазинами и устройствами для автоматической смены инструмента, позволяющими выполнять комплекс сверлильно-фрезерно-расточных работ по заданной программе 2) оснащение как тяжелых фрезерных, так и высокоточных координатно-расточных станков системами числового программного управления 3) применение адаптивных систем в станках с программным управлением 4) широкое использование возможностей ПУ для применения в станках активного контроля с подналадкой инструмента (коррекции диаметра и длины обработки показа величины перемещений и размеров снимаемых слоев металла при шлифовании с помощью световой индексации) 5) расширение типажа фрезерных станков с контурным и пространственным копированием, а также для обработки по чертежу .

Адаптивные станки с ЧПУ. Числовое программное управление позволило на современном этапе автоматизировать в мелкосерийном производстве собственно процесс обработки детали (перемещения исполнительных органов станка, смену режущего инструмента и др.).

Основные направления развития автоматического оборудования определялись еще в начале 60-х годов [2--4]. К ним относятся увеличение концентрации операций, выполняемых на одной машине все более широкое применение многопозиционных автоматов и автоматических линий интенсификация технологических процессов и сокращение длительности рабочих и холостых ходов повышение требований к точности обработки и сборки, выполнение которых осложнилось в связи с применением многопозиционных машин с высокой концентрацией операций, а также в связи с увел ь чением быстроходности автоматов широкая автоматизация загрузки оборудования заготовками, материалами, инструментом и автоматизация межоперационной транспортировки деталей увеличение доли оборудования, построенного из унифицированных узлов (агрегатные станки, сборочные и упаковочные автоматы, роторные машины и линии, автоматические манипуляторы) применение при автоматизации мелкосерийного и серийного производства машин с программным управлением, в том числе с числовым программным и адаптивным управлением, а также станков типа обрабатывающий центр.

Адаптивное управление размерной настройкой, поднастройкой и перенастройкой системы СПИД. Эффективность процесса обработки деталей в целом в значительной мере зависит от качества проведения таких важных этапов, как размерная настройка, поднастройка и перенастройка системы станок--приспособление--инструмент--деталь СПИД. Это имеет большое значение в условиях серийного производства, особенно при использовании станков с программным управлением. В этой связи были разработаны основы оптимизации этих важных этапов процесса обработки.

Все это говорит о несомненных преимуществах адаптивных систем управления роботами и технологическим оборудованием РТК по сравнению с традиционными системами программного управления. И хотя реализация таких более совершенных систем наталкивается на известные трудности, она вполне осуществима уже сегодня на базе современных микроЭВМ и микропроцессоров. Тем самым открывается реальная перспектива создания станков и роботов второго и третьего поколений, обладающих высокоразвитой способностью адаптации к заранее неизвестным и меняющимся условиям эксплуатации.

Комплексирование станков и роботов с общим программным, адаптивным или интеллектуальным управлением от ЭВМ позволяет создавать РТК новых типов и поколений. Эти адаптивные РТК представляют собой основное технологическое оборудование как для некоторых современных, так и для многих перспективных ГАП.

Приборы автоматического переключения на разные подачу и глубину резания, управляемые системой ЧПУ, обеспечивают оптимальное использование электроэрозионных станков, так как в зависимости от хода процесса обработки режим работы согласуется с технологическими требованиями к деталям. Применяемые адаптивные системы программного управления позволяют своевременно определять отклонения в ходе обработки и устранять их. Изменения параметров процесса обработки вносятся в устройства.

Переходные функции адаптивной системы, полученные в результате моделирования при различных коэффициентах усиления АГа в цепи адаптивного устройства, показаны на рис. 67, б. Адаптивное устройство практически не влияет на быстродействие системы управления, однако оказывает сильное воздействие на ее устойчивость. Чем больше коэффициент /С тем ниже устойчивость системы числового программного управления станка.

Большие перспективы открывают системы числового программного управления от ЭВМ. В этих системах ЭВМ может собирать исходную информацию о ходе производственного процесса, например, о производительности, загрузке, простоях и техническом состоянии оборудования, о режимах обработки и т. д. обрабатывать исходную информацию, анализировать ее и выдавать управляющую информацию. Вычислительной машине можно также передавать управление транспортными системами. Таким образом, переход на управление станками с ЧПУ непосредственно от ЭВМ создает реальную возможность объединения систем управления технологическими процессами, управления производством (АСУП) и оптимизации технологических процессов (адаптивных систем) в единый комплекс.

Отечественный опыт применения системы автоматического управления упругими перемещениями показывает, что эти системы эффективно могут быть использованы на многих моделях нового металлорежущего оборудования и особенно в станках с программным управлением. Целесообразно также установить эти системы на станках, находящихся в эксплуатации на заводах и, в первую очередь, на станках с гидроприводом, не требующих больших материальных и трудовых затрат на проведение такой модернизации. Системы адаптивного управления металлорежущими станками несомненно получат в ближайшие годы широкое распространение.

АПМП -- это совмещение программного и адаптивного управления. Системы, оснащенные станками с числовым программным управлением (с ЧПУ), широко внедрены в современном производстве. Однако самостоятельно они уже не решают до конца всей проблемы. Нужны системы, переналаживаемые как в зависимости от изменяемой продукции, так и от режима функционирования самой системы. Адаптивное управление позволяет выработать оптимальную стратегию производства без предварительного учета априорной информации. ?

Проблему управления технологическими процессами следует рассматривать и решать в ее развитии, в связи с прогнозом технического прогресса. Решениями XXV съезда КПСС намечен в перспективе переход в массовом производстве к комплексной автоматизации всего производственного цикла и управления им на основе автоматизированных систем, сочетающих комплексы станков с числовым программным управлением с ЭВМ. Такие системы позволяют быстро осуществлять перестройку оборудования на производство новых видов изделий и обладают адаптивностью, т. е. способностью вырабатывать оптимальную технологию и режимы обработки, само настраиваться на основе анализа, отбора, запоминания и реализации оптимальных решений. Условием применения таких систем являются разработка и внедрение новых технологических процессов, связанных с применением новых методов формообразования, максимального приближения формы и размеров заготовок к форме и размерам готовых деталей, резкого сокращения объема механической обработки и др.

В перспективе получат массовое распространение станки с числовым программным управлением, допускающие быструю переналадку на другие типы изделий. Производство таких станков увеличивается постоянно. Но и эти станки в их современных моделях еще не решают задач комплексной автоматизации. Будущее -- за автоматическими программными системами, объединяющими комплексы станков с числовым программным управлением с электронно-вычислительными машинами. Такие системы обеспечат необходимую гибкость и приспособляемость производства к быстрой переналадке на выпуск новых видов изделий и будут обладать адаптивностью, т. е. способностью вырабатывать оптимальную технологию и режимы оборудования самонастраиваться на основе анализа, отбора, запоминания и реализации наилучших решений.

Наиболее эффективным является последний способ. Так работают электрохимические станки мод. 4421ФЦ и 4А423ФЦ с адаптивно-программным управлением и импульсно-циклическим подводом энергии, что позволило повысить точность обработки до 0,05...0,1 мм. Выпускается несколько моделей электрохимических станков для снятия заусенцев с различной степенью механизации и автоматизации.

Устройство адаптивного управления фрезерными станками, оснащенными числовым программным управлением, предназначено для повышения производительности и точности контурной обработки и выполнено в виде отдельного пульта, устанавливаемого около станка совместно с основным устройством ЧПУ. Блок-схема устройства состоит из трех отдельных блоков блока измерения сил резания Р , и их записи блока коррекции координатных перемещений X и F и блока оптимизации режимов резания. В блоке коррекции сигналы о деформации фрезы преобразуются в соответствующее число импульсов по каждой координате, которые алгебраически суммируются с числом импульсов исходной программы. Результирующий сигнал поступает на отработку в схему управления приводом подач. Блок оптимизации рассчитан на работу в функциональном или предельном режиме. При предельном регулировании задается предельное значение результирующей силы резания. Если она превышается, включается световая сигнализация, предупреждающая оператора, работающего на станке. Изменение подачи при функциональном регулировании осуществляется в зависимости от результирующей силы резания. Оно производится посредством изменения частоты управляемого генератора в блоке оптимизации режимов резания. Значения коэффициентов настройки адаптивного устройства задаются программой или устанавливаются вручную. Устройство, в зависимости от модификации, может применяться в станках как с шаговым, так и со следящим приводом.

Системы адаптивного программного управления (АПУ) станками сложнее обычных систем ЧПУ, поэтому для их программно-аппаратной реализации обычно используются DN -системы на базе мини-ЭВМ с развитым программируемым интерфейсом. В ряде случаев оказывается возможным реализовать адаптивное управление и на базе мультимикропроцессорных систем ЧПУ типа N посредством введения соответствующих элементов адаптации. Расширение функциональных и адаптационных возможностей систем ЧПУ достигается посредством их простого усовершенствования за счет наращивания программного обеспечения или подключения дополнительных микропроцессоров, реализующих алгоритмы адаптации и искусственного интеллекта. При этом станок может работать в основном в обычном режиме ЧПУ, а переход к АПУ производится автоматически в тот момент, когда в этом возникает необходимость.

В универсальных копировально-прошивочных электроэрозионных станках используют две системы ЧПУ систему адаптивного управления с предварительным набором координат и режимов по программе и систему адаптивно-программного управления по трем координатным осям. В станках этого типа системы ЧПУ обеспечивают планетарное движение заготовки в следящем режиме.

Станки-полуавтоматы, у которых все операции одного цикла автоматизированы Станки-полуавтоматы с активным автоматическим контролем со следящим приводом а цикловым программным управлением с адаптивным управлением с гидро- ила пневмоавтоматикой высокой точности Полуавтоматыа о ЧПУ многошпиндельные) многопозиционные многосторонние многопоточные роторные непрерывного действия Станки-автоматы, обработка деталей, на которых производится автоматически с повторением цикла без участия человека Станки-автоматы о ЧПУ многошпиндельные многопозицвонаые многосторонние многопоточные роторные непрерывного действия) о активным автоматическим контролем с автоматической сменой инструмента с цикловым программным управлением о адаптивным управлением) о ЭВМ высокой точности с роботом ?

Тенденции к сокращению вспомогательного времени при шлифовании и стабилизации качества обработки особенно четко проявляются в расширении выпуска и типажа шлифовальных станков с числовым, программным, цикловым и адаптивным управлением. Высокую эффективность показывают станки для обработки ступенчатых валов в серийном и крупносерийном производстве, оовободившие рабочего от необходимости утомительного слежения за измерительными приборами при переходе от обработки одной шейки к другой, от ручного перегона стола и ручного позиционирования шлифовальной бабки.

Примером такого решения является гамма шлифовальных станков с ЧПУ фирмы Toyoda (Япония), включающая в себя пять моделей станков девяти типоразмеров с диаметром устанавливаемого изделия 400 мм 1) круглошлифовальный модели GON-20 2) универсальный круглошлифо-вальный модели GUN-20 3) модели GUN-15 для шлифова-вания кулачковых валиков 4) модели G N-400 для шлифования плоских кулачков и 5) модели GON-20A с адаптивным управлением. За исключением последней модели, станки оснащаются оборудованием программного управления FANU 220.

Станок модели 6Р13ФЗ предназначен для фрезерования по контуру и для объемного фрезерования деталей. Этот станок создан на базе вертикально-фрезерного станка модели 6Н13. Станок оснащен устройством программного управления и адаптивной системой управления, т. е. устройством для автоматического поддержания какого-либо параметра (например, сила резания) в заданных пределах. Адаптивное устройство производит измерение составляющих сил резания и осуществляет регулирование подачи в зависимости от изменения величины составляющей силы резания в соответствии с изменением условий обработки (припуск, ширина фрезерования, твердость материала, износ инструмента и др.).

Все большее распространение находят самоприспосабливаю-щиеся системы программного у(1равлени5 (с автоматическим регулированием, адаптивные), изменяющие ражимы работы станка в зависимости от условий резания. Адаптивные системы управления повышают производительность работы станка, повышают точность обработки, предохраняют режущие инструменты от случайных поломок, исключая чрезмерные нагрузки на них.

Выпускаются станки, оснащенные системами абтоматичееком (адаптивного) управления. Эти системы применяют и в станках программного управления. За разработку и внедрение системы адаптивного управления станками группа сотрудников Московского станкоинструментального института во главе с заслуженным деятелем науки и техники РСФСР проф. д-ром техн. наук Б. С. Балакшиным удостоена в 1972 г. Ленинской премии. Применение этих систем позволяет оптимизировать режим обработки. Оптимизация улучшает условия работы инструмента, способствует повышению его стойкости, дает ош,утимую прибавку в производительности и стабилизирует точность обработки.

Одним из перспективных путей развития систем программного управления станками является разработка самонастраивающихся или адаптивных систем управления. Особенностью этих систем является их способность самостоятельно вносить в заданную программу режимов обработки, величины и направления перемещений такие коррективы, которые вытекают из складывающихся условий обработки. При этом программа может разрабатываться более укруп-ненно, с учетом именно этих способностей системы, само программирование упрощается. Станку в этом случае можно задать только общие, принципиальные установки, на основе которых он будет действовать самостоятельно, оптимизируя процесс обработки по тому или иному показателю (производительности, точности, экономичности). В выполненных разработках системы адаптивного управления используются, в основном, для автоматического регулирования режимов обработки. Оно может быть предельным или функциональным.

При активном контроле возникают дополнительные погрешности, вызванные вибрациями станка, попаданием абразива или охлаждающей жидкости под измерительные поверхности, нагревом детали при обработке и т. д. Для уменьшения влияния вибраций увеличивают измерительное усилие и применяют демпфирующие подвески. Измерительный преобразователь целесообразно выносить за зону обработки, а измерительные наконечники необходимо защищать от попадания охлаждающей жидкости. Для уменьшения изнашивания измерительных поверхностей применяют твердосплавные или алмазные наконечники, а также виброконтакт-ные измерительные преобразователи и бесконтактные методы измерения. Для уменьшения влияния прогиба изделия при его обработке ось измерительного наконечника необходимо располагать перпендикулярно к направлению усилия резания. При этом целесообразно контактировать изделие в двух или трех точках. Наибольший эффект по обеспечению стабильности режима и оптимизации цикла обработки дают системы с адаптивным и программным управлением Эти системы учитывают температурные и упругие силовые деформации, скорость резания и подачу, изнашивание режущего инструмента, управляют станками по величине оставшегося и начального припуска, ведут поднастройку по результатам обработки предыдущей детали.

Эффективность станков с ЧПУ зависит в значительной степени от уровня автоматизации подготовки управляющих программ. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется автоматизации программирования процесса обработки. В СССР и за рубежом разработаны специальные системы автоматизации программирования (САП-3, САПС, САПР, Гран , APT, Адарт и др.). Эти системы не только снижают трудоемкость процесса подготовки управляющих программ, но и придают станку дополнительную гибкость и адаптивность. Последнее обстоятельство позволяет относить системы программного управления, снабженные средствами автоматизации программирования процесса обработки, к адаптивным системам управления. Адаптация этих систем к неопределенным и изменяющимся характеристикам станка, инструмента и детали (тепловые и упругие деформации, износ инструмента и т. п.) проявляется в автоматической коррекции программы обработки. Реализация этого свойства требует разработки соответствующего алгоритмического и программного обеспечения.

Организация адаптивного управления РТК сводится к построению микропроцессорных систем АПУ для роботов и технологического оборудования, входящего в состав РТК, и обеспечению их согласованной работы с помощью координирующей микро-или мини-ЭВМ. Принципы построения и особенности программноаппаратной реализации систем АПУ на базе микропроцессоров для станков, манипуляционных роботов, транспортных и контрольно-измерительных средств подробно изложены в предыдущих главах. Поэтому в настоящей главе рассмотрим только вопросы компоновки и координации работы указанного автоматического оборудования в составе адаптивных РТК различного назначения. В принципе компоновка таких РТК аналогична компоновке РТК с программным управлением. Вследствие этого адаптивные РТК могут использоваться как в обычном режиме программного управления, так и в адаптивном режиме. Переход от одного режима управления к другому осуществляется автоматически.

На примере моделирования адаптивной системы управления фрезерного станка с электрическими приводами подач рассмотрим некоторые особенности моделирования систем числового программного управления с учетом изменения силы резания. Принципиальная схема адаптивной системы управления фрезерного станка по одной координате X показана на рис. 65, а. В данном случае адаптивной системы задача состоит в стабилизации силы резания Рх за счет регулирования подачи по координате. Со считывающего устройства 1 сигнал программы i/ц поступает на интерполятор 2, после которого сигналы заданных перемещений у, и х, поступают на системы управления по координатам. Далее х, сравнивается с сигналом Хд, который поступает с датчика 6, измеряющего действительное перемещение стола. Сигнал рассогласования Ах преобразуется и усиливается блоком 3 и суммируется с напряжением 0 с тахогенератора ТГ. С помощью электрического привода подачи, состоящего из усилителя постоянного тока 4, усилителя мощности УМ, двигателя постоянного тока Д, безлюфтового редуктора ВР, шариковой винтовой пары и тахогенератора, стол станка перемещается по координате X в соответствии с сигналом программы.

Советские ученые и инженеры первыми создали принципиальные схемы программного управления станками. В 1958 г. на Брюссельской всемирной выставке советский токарный станок 1К62ПР получил премию Гран-при. Нашей стране принадлежит приоритет в разработке устройств адаптивного управления станками. За разработку таких самоприспосабливающихся систем группа ученых во главе с профессором Б. С. Балакшиным в 1972 г. была удостоена Ленинской премии. Эта работа стала фундаментом для создания саморегулирующихся станочных комплексов, открывающих путь к внедрению цехов с безлюдной технологией. Основа этих комплексов -- многооперационные станки, на которых за одну установку заготовки можно произвести столько операций и переходов, сколько ранее их выполнялось на всех позициях автоматической линии.

Системы числового программного управления делятся на незамкнутые (а), замкнутые (б) и замкнутые с адаптивным управлением (в) Незамкнутые (разомкнутые) системы имеют один поток информации от УЧПУ на исполнительный привод. В приводах подач этих систем используются управляющие шаговые двигатели (ШД) с гидроусилителями или силовые шаговые двигатели (СШД). Такие системы находят широкое применение в несложных станках небольших размеров. Недостаток данной системы -- отсутствие информации об истинном положении рабочих органов во время обработки детали, что значительно снижает точностные показатели системы, так как точность будет определяться погрешностью отработки импульсов ШД и гидроусилителем, а также погрешностями механических передач. О перемещении имеется только априорная информация, связанная с числом подаваемых импульсов.

Группа вырезных станков с размерами обрабатываемого контура от 200X 125 до 950X 550 мм оснащена системой программного управления типа 15ИПЧ.3.001 или 2М-43. В качестве программоносителя используется магнитная или перфорированная бумажная лента. Станки комплектуются генераторами типа ГКИ 300-200 А с устройством адаптивного управления. Генератор позволяет применять на станках биметаллическую проволоку, что повышает производительность обработки на 60--70 %. Станки оснащены устройством для обработки конических поверхностей.

В процессе развития станков с программным управлением намечается создание самонастраивающихся, (адаптивных) систем программного управления. Если в открытой системе поток информации имеет только одно направление от элемента Ввод программы к рабочему органу, а в замкнутой, помимо указанного основного потока, еще дополнительную корректирующую информацию по линии обратной связи о фактическом перемещении рабочего органа, то в идеальном случае следовало бы также учитывать ряд факторов случайного характера, связанных с конкретным состоянием режущего инструмента, возможными отклонениями физичёских свойств заготовки, температурных колебаний процесса резания, а также различных силовых и других воздействий на систему СПИД. Система программного управления, в которой, помимо основного потока информации, Имеется ряд дополнительных, позволяющих корректировать процесс обработки с учетом маловероятных воздействий, называется самонастраивающейся.

Одной из o новых причин применения числового программного управления (включая системы ПЦУ и МЧПУ) является тот факт, что оно уменьшает непроизводительные затраты времени на операциях обработки. Экономия времени достигается за счет сокращения таких его составляющих, как время на подачу и установку деталей, время на замену инструментов и прочие задержки. Поскольку доля этих непроизводительных затрат времени по отношению к общему циклу производства снижается, больше времени отводится собственно на обработку деталей. Хотя внедрение ЧПУ сильно сокращает время простоев, оно сравнительно мало ускоряет сами процессы обработки по сравнению с работой на обычных универсальных станках. Наиболее перспективный путь к сокращению времени обработки лежит через использование адаптивного управления. Если при числовом программном управлении задается требуемая последовательность положений или траектория движения инструмента, то система адаптивного управления определяет нужные скорости резания и (или) подачи непосредственно в процессе обработки как функцию изменений твердости материала детали, ширины или глубины резания, наличия полостей в геометрической конфигурации детали и т.п. Адаптивное управление дает возможность реагировать на эти изменения, компенсируя их в процессе обработки. Числовое программное управление такой возможностью не обладает.

1. Анализ технологического процесса как объекта управления

Адаптивные системы управления станком ЧПУ можно разделить на две группы: предельного управления и оптимального управления.

Адаптивные системы предельного управления обеспечивают постоянное значение заданных параметров процесса резания при действии различных возмущений (рис. 1). Так, в условиях переменных припуска и твердости материала заготовки (возмущения) эта система управления стабилизирует заданное предельное значение силового параметра резания (например, силу резания Р, крутящий момент на шпинделе Mкр или мощность резания N), получая от измерительного преобразователя сигнал, соответствующий действительному значению этого параметра.

Рис. 1. Схема построения адаптивной системы предельного управления

Это производится соответствующим увеличением или уменьшением подачи S (на величину ДS), скорости резания v (на величину Дv) и получения в результате этого скорректированных значений Sк и vк, подаваемых на приводы станка. Наибольшее применение получило адаптивное управление станками предельного типа, в которых регулируемой величиной является только подача S.

Рассмотрим пример черновой обработки заготовки 1, имеющей припуск 3 с твердым включением 4, на фрезерном станке с ЧПУ фрезой 2 (рис. 2).

Величина припуска на заготовке переменная по длине обработки (от tmin до tmax), и кроме того, все заготовки в данной партии имеют разное случайное распределение этого припуска.

В случае выбора подачи Sоб в обычном случае мы можем принять припуск равным tmax. В этом случае подача Sоб имеет минимальное значение и инструмент работает в хороших условиях с точки зрения износа, но получаем большое время обработки и низкую производительность.

При выборе Sоб исходя из величины припуска tmin ее величина получается очень большой, время обработки сокращается, а стойкость инструмента резко падает, а при съеме припуска с твердым включением наступает критический износ и возможна даже поломка инструмента.

Рис. 2. Пример обработки заготовки на фрезерном станке при обычном (Sоб) и адаптивном (Sад) управлении станком

При выборе значения Sоб исходя из среднего значения припуска результат получается лучше, но здесь частично теряем и в стойкости, и в производительности.

При обработке данной заготовки на станке с адаптивной системой управления подача Sад будет переменной в зависимости от величины снимаемого припуска. Система адаптивного управления на основе измерения силы резания в процессе обработки и сравнения ее с заданным предельным значением регулирует величину подачи (ДS на рис. 4.13), поддерживая постоянное значение силы резания. Поэтому при увеличении или уменьшении припуска сила резания, измеряемая измерительным преобразователем, возрастает или уменьшается. Система адаптивного управления станка снижает или увеличивает подачу, чтобы возникающая сила резания была равна ее установленному предельному значению.

Как видно из рис. 2, при наличии твердого включения 4 подача фрезы Sад резко падает, чтобы не было повышенного износа или поломки инструмента. Это особенно важно при сверлении небольших отверстий, когда система адаптивного управления работает как предохранительная система.

Предельные значения параметров, которые задаются данной системой при управлении обработкой, определяются на основе предварительного исследования процесса обработки.

Адаптивные системы оптимального управления (рис. 3) при обработке заготовок осуществляют автоматический поиск и поддержание таких сочетаний скорости резания v и подачи S, которые обеспечивают экстремальное значение целевой функции Н обработки (точность, производительность или себестоимость обработки) при наличии технических ограничений и действии возмущающих воздействий (колебаний припуска, твердости материала заготовки, изменения режущих свойств инструмента и др.) (рис. 4).



Рис. 3. Схема построения адаптивной системы оптимального управления

Техническими ограничениями являются максимальные и минимальные значения параметров, допустимых на данном станке: Smax, Smin, nшп(max), nшп(min), максимально допустимая глубина резания, уровень вибраций и др.

Основой для построения адаптивного управления станками оптимального типа является математическая модель управляемого процесса обработки, задающая аналитически систему технических ограничений области поиска оптимальных режимов резания и выражающая зависимость критерия оптимальности от параметров процесса обработки.



Рис. 4. Схема поиска оптимальных значений критерия производительности Н

Адаптивные системы управления особенно эффективно применяют на фрезерных станках при обработке сложных заготовок концевыми фрезами небольшого диаметра, на токарных станках -- при обработке заготовок сложными фасонными резцами с поперечной подачей, на электроэрозионных станках и др. Однако широкое внедрение адаптивных систем управления в металлообработке сдерживается пока большой сложностью и высокой стоимостью этих систем (особенно адаптивных систем оптимального управления), а также часто еще недостаточной эффективностью их применения, обусловленной целым рядом причин:

а) недостаточными знаниями математических зависимостей для разработки моделей управляемых процессов резания, особенно при обработке новых материалов;

б) отсутствием во многих случаях необходимых измерительных средств (измерительных преобразователей требуемых размеров, точности, надежности, быстродействия, помехоустойчивости и др.);

в) неприспособленностью конструкции многих металлорежущих станков и их отдельных механизмов к наиболее рациональному размещению этих преобразователей на станке, недостаточностью быстродействия отдельных механизмов станка и др.



2. Разработка математической модели системы управления

2.1. Определение структуры основного контура системы

САУ предназначена для стабилизации, либо изменения силы резания при фрезеровании за счет управления приводом подач.

Рис. 1 - Конструктивная схема САУ

Фрезерный станок с ЧПУ предназначен для обработки различных сложных поверхностей деталей машин. Деталь 1 устанавливается на столе 2 которому сообщаются движения подачи в двух взаимно перпендикулярных направлениях для формирования фрезой 3 требуемой формы паза (см. вид А). На рисунке показан только один привод стола 2. Он состоит из приводного двигателя 4 постоянного тока с тахогенератором 5, редуктора б и винта 7. Кроме того, в систему автоматического управления входят также преобразователь перемещения 8, сравнивающие устройства 9 и 10, усилитель 11 и тиристорный преобразователь 12.

САУ работает следующим образом. Сигнал, вырабатываемый системой ЧПУ, через цифро-аналоговый преобразователь (на схеме не показан) в виде напряжения U3 поступает на вход сравнивающего устройства 9. На другой вход сравнивающего устройства 9 поступает сигнал U0 преобразователя перемещения 8. Напряжение U1 ошибки через усилитель 11 поступает на вход сравнивающего устройства 10. На другой вход устройства 10 поступает напряжение, вырабатываемое тахогенератором 5. Таким образом, напряжение на входе тиристорного преобразователя 12 определяет скорость вращения двигателя 4, а, следовательно, и величину подачи стола 2. Система автоматического управления приводом подачи сообщает столу 2 и детали 1 движение по одной из управляемых координат в соответствии с напряжением U3 задания. Аналогичным образом работает привод подачи по другой координате. В результате сложного движения детали 1 фрезой 3 формируется требуемый контур. В качестве объекта управления в САУ приводом входят процесс резания и замкнутая технологическая система станка.

2.2. Определение математической модели ОУ и управляющего устройства основного контура

Схема системы автоматического управления подачей при копировании приведена на рисунке 2. В систему автоматического управления необходимо ввести элементы:

Рис. 2 - Функциональная схема САУ

где: ЭУ - усилитель, Д - двигатель, Р - механический редуктор, ТП - тиристорный преобразователь, ПЛП - преобразователь линейных перемещений, ХВ - ходовой винт, ПР - процесс резания, УСС - упругая система станка, ТГ - тахогенератор.

Преобразователь линейного перемещения в цепи питания двигателя, вырабатывает сигнал пропорциональный силе резания. В результате этот сигнал поступает на вход сравнивающего устройства и сравнивается с входным заданным сигналом. В результате на вход электронного усилителя поступает сигнал ошибки, который вызывает изменение напряжения питания двигателя постоянного тока, а, следовательно, и скорость подачи стола.

2.3. Обоснование необходимости адаптивного управления

В изучении курса нам были представлены автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют (или поддерживают неизменными) какие-либо физические величины (координаты движущегося объекта, скорость движения, электрическое напряжение, частоту, температуру, давление и пр.) в том или ином управляемом процессе.

Характерным для не замкнутой системы является то, что процесс работы системы не зависит непосредственно от результата ее воздействия на управляемый объект. Естественным дальнейшим усовершенствованием АС является замыкание ее входа (контрольные приборы) с входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольные приборы, измерив, некоторые величины, характеризующие определенный процесс в управляемом объекте, сами служили бы одновременно и источником воздействия на систему, причем величина этого воздействия на управляемый объект от требуемых значений. Таким образом, возникает замкнутая система.

В замкнутой АС имеется полная взаимозависимость работы всех звеньев друг от друга, изменение внутренних параметров системы и внешних возмущений сказывается значительно меньше на регулируемом объекте, чем в разомкнутой АС.

Принципиальная особенность: автоматически сравнивается действительное значение регулируемого параметра с заданным. Разность этих значений приводит в действие данную систему так, чтобы в процессе ее работы рассогласование автоматически сводилось к нулю или к достаточно малой величине.

Современная сложная автоматическая система должна выполнять две задачи:

1. Обеспечить требуемой точностью изменение выходной величины системы в соответствии с поступающей извне входной величиной, играющей роль программы. При этом необходимо преодолеть инерцию объекта управления и других элементов системы, а также компенсировать искажение, возникающее вследствие неточного знания характеристик отдельных элементов и нестабильности их параметров. Иногда это называется управлением в узком смысле или слежением.

2. При заданном значении входной величины система должна, по возможности, нейтрализовать действие внешних возмущений, стремящихся отклонить выходную величину системы от предписываемого ей в данный момент значения. В этом смысле говорят о задаче регулирования или стабилизации.

В этой работе наглядно прослеживается решение этих двух задач на примере системы автоматического управления (САУ) стабилизации, либо изменения силы резания.

В данной работе проанализирована САУ стабилизации силы резания и синтезирована новая система с заданными показателями качества [5, 4 стр.].



3. Разработка структуры адаптивного управления

3.1. Выбор класса адаптивной системы управления

Электронный усилитель

где: ТЭУ - постоянная времени электронного усилителя, с;

ДU1 - выходное напряжение, В;

ДU - входное напряжение, В;

КЭУ - коэффициент усиления.

Передаточная функция усилителя (апериодическое звено I порядка)

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Тиристорный преобразователь



где: ТЭУ - постоянная времени электронного усилителя, с;

ДUТП - выходное напряжение, В;

ДU1 - входное напряжение, В;

КЭУ - коэффициент усиления.

Передаточная функция усилителя (апериодическое звено I порядка)

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Двигатель (ДПТ)

где ТЯ - электромагнитная постоянная времени якоря, с;

ТМ - электромеханическая постоянная двигателя, с;

щ - угловая скорость, с-1;

KД - коэффициент передачи электродвигателя, 1/сВ;

ДUТП - напряжение якоря, В.

Передаточная функция электродвигателя постоянного тока (колебательное звено)

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Редуктор

где Кр - коэффициент передачи;

щ - входная угловая скорость, рад/с;

щР - выходная угловая скорость, рад/с;

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Ходовой винт

где t - шаг винта, мм;

щР - входная угловая скорость, рад/с;

S - выходное линейное перемещение, мм.

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Процесс резания

Передаточная функция процесса резания (апериодическое звено I порядка):

где Кр - коэффициент резания

Тр - постоянная времени стружкообразования, с.

Сила резания при равномерном фрезеровании цилиндрической фрезой:

При полном фрезеровании торцовой фрезой:

; ,

где: СР - постоянный коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала;

t - глубина резания, мм;

S - подача, мм/об;

V - скорость резания, мм/сек.

Z - число зубьев

Подставляя значения получим:

;

;

;

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Эквивалентная упругая система станка



где щ0 - собственная частота колебаний, с-1;

о - коэффициент затухания колебаний;

х - деформация упругой системы станка, мм;

С - жесткость упругой системы станка, Н/мм;

FР - входной силовой параметр, Н.

Передаточная функция эквивалентной упругой системы станка (колебательное звено):

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

Тахогенератор

Т.к. значение КТГ равно нулю, то передаточная функция тахогенератора будет равна нулю, таким образом можно убрать блок ТГ и обратную связь, в которой он находится.



Рисунок 3.2 - Структурная схема САУ

Преобразователь линейного перемещения

где U - выходное напряжение преобразователя, В;

Кn - коэффициент передачи, В?А;

S' - входное перемещение, мм.

Согласно исходным данным (таблица 1) получим:

3.2. Разработка структурной схемы адаптивной САУ

Разработка структурной схемы САУ осуществляется на основе функциональной схемы системы (рисунок 2). В структурной схеме в отличие от функциональной должны быть определены все передаточные функции.



Рис. 3.1 - Структурная схема САУ

3.3. Выбор метода и алгоритма адаптивного управлении

Устойчивость - это свойство системы возвращаться в исходный или близкий к нему установившийся режим после всякого выхода из него в результате какого-либо воздействия [1, 158 стр.].

При исследовании и проектировании САУ часто используют ЛАХ и ЛФХ разомкнутых систем. Это объясняется тем, что разомкнутые САУ более просто исследовать экспериментально, чем замкнутые. В то же время по ним можно получить исчерпывающую информацию о поведении данной САУ в замкнутом состоянии.

Если система неустойчива, то достаточно любого толчка, чтобы в ней начался расходящийся процесс ухода из исходного установившегося состояния.

Принято использовать следующие типовые (стандартные) показатели качества переходного процесса, отражённые на типичном графике переходного процесса в следящей системе.

- tp - время переходного процесса: tp - время окончательного попадания в 5% окрестность установившегося значения.

- eуст - установившаяся ошибка (статическая точность):

eуст = e() = 1 - yуст.

Если eуст=0, то система астатическая.

- (%) - относительное перерегулирование:

- n - число колебаний за время переходного процесса .

Это - стандартные (типовые) показатели качества, они понятны для заказчиков. Оказывается, что все четыре показателя теснейшим образом связаны с запасами устойчивости по амплитуде и по фазе. Поэтому, обеспечение стандартных показателей качества обеспечивает необходимую устойчивость.

Исследуем заданный объект на устойчивость, найдём передаточную функцию разомкнутой системы.

Набираем передаточную функцию на ЭВМ в пакете MatLab 7.1, при помощи команды step(W), получаем график переходного процесса (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Переходный процесс системы



Рисунок 4.2 - ЛАХ и ЛФХ системы

ЭВМ выдает график переходного процесса, из графика видно, что система при исходных данных устойчива, но не удовлетворяет требуемым показателям качества (M ? 3).

Передаточная функция ошибки по управляющему воздействию:

Коэффициенты ошибок найдем по передаточной функции ошибки управления путем деления числителя передаточной функции на знаменатель, т.о. получили:

С0 = 0,001104;

С1 = 0,000276;

С2 = 0,000005.

Для того чтобы добиться заданных показателей качества (tp = 2 с; коэффициент перерегулирования ) вводим корректирующее устройство.

Применим последовательное корректирующее устройство. Передаточная функция разомкнутой скорректированной системы равна исходной, умноженной на передаточную функцию корректора:

[WP(p)]Ж = WP(p)Н · WP(p)КУ.

Корректирующее устройство включено последовательно в контуре системы в любом месте. Для исследования идеально подходят ЛАЧХ (так как они складываются при последовательном соединении). Задаются желаемые ЛАХ и ЛФХ и тогда:

LЖ() = LН() + LКУ();

цЖ() = цН() + цКУ();

3.4. Разработка функциональной схемы адаптивной САУ

Получили, что передаточная функция системы имеет вид:



T1 = 0,02 c;

T2 = 0,23 c;

К = 905; 20•lg(K) = 59,13.

По полученным данным строим неизменяемую ЛАХ (НЛАХ) (рисунок 5.2).

По номограмме Солодовникова (рисунок 5.1) определяем диапазон частоты среза в зависимости от заданного времени регулирования и величине перерегулирования . Вычислим частоту среза.

Рисунок 5.1 - Номограмма Солодовникова

Желаемая ЛАХ определяется показателями качества и точностью процесса регулирования. Среднечастотная часть желаемой ЛАХ характеризуется частотой среза. Частота среза определяется с помощью номограммы Солодовникова. Для наиболее простой реализации корректирующего устройства последовательные изломы наклонов высокочастотной желаемой ЛАХ и ЛАХ неизменяемой части системы должны совпадать.

Показатели устойчивости определяем из таблицы 5.

Таблица 5 - Показатели устойчивости

Тип системы	Показатели устойчивости для диапазона частот
	От 0,01 до 100	От 100 до 1000	От 1000 до 10000	Более 100000
	Системы с высокими показателями качества:
гC	45	50	55	60
HM	16	18	20	22
-HM	14	16	18	20

Показатели устойчивости:

HM = 16;

-HM = -14;

KЖ = K = 509;

20·lg(KЖ) = 20·lg(509) = 59,13;

Строим желаемую логарифмическую амплитудную характеристику (ЖЛАХ) (рисунок 5.2).

Найдем корректирующее устройство. Чтобы построить ЛАХ корректирующего устройства (КУЛАХ) необходимо вычесть неизменяемую ЛАХ из желаемой.

Из графика рисунка 5.2 видно, что:

lg щЖ1 = -2,24;

lg щЖ2 = -0,04;

lg щЖ3 = 1,46;

20•lg(KКУ) = 0; .

Таким образом, получили, что передаточная функция корректирующего устройства имеет вид:

.



Рисунок 6.1 - Структурная схема желаемой САУ

Рисунок 6.2 - ЛАХ и ЛФХ синтезированной САУ



Рисунок 6.3 - Переходный процесс синтезированной системы

По рисунку 6.2, определяем:

Запас устойчивости по фазе: ц = 149°;

Запас устойчивости по амплитуде: h > ?, т.к ЛФХ > -180?.

По рисунку 6.3, определяем:

Время перерегулирования: tp = 1,7 с;

Коэффициент перерегулирования:

;

Число колебаний: М = 1.

Точность регулирования определяется ошибкой системы.

Передаточная функция ошибки:

где: g(t) - единичный входной сигнал,

С0 - коэффициент ошибки по входному воздействию,

С1 - коэффициент ошибки по скорости,

С2 - коэффициент ошибки по ускорению.

Так как система обладает астатизмом первого порядка с начальным наклоном -20 дБ/дек., то:

С0 = 0; С1 = 1/DV; С2/2=1/DE,

где: DV - добротность по скорости;

DE - добротность по ускорению.

DV = щV; DE =.

По рисунку 5.2 определяем щV и щE.

lg(щV) = 2,957; щV = 905;

lg(щE) = 0,36; щE = 2,29;

DV = 905; DE = 2,29;

C1 = 1/ DV = 0,0011;

C2/2 = 1/ DE = 0,437.

е(t) = 0.

3.5. Синтез адаптивной САУ

По виду передаточной функции корректирующего устройства определим схему корректирующего устройства.



Выбираем электрическую схему, передаточную функцию типового корректирующего устройства. Она будет содержать в себе следующие электрические схемы:

1. Передаточная функция корректирующего звена [2, 474 стр.]:

k = 1 / R1 • C; T = R2 • C.

Рисунок 7.1 - Схема корректирующего звена

Таким образом, получили, что:

R1 = 10 Ом; R2 = 10,96 Ом; C = 0,1 Ф.

2. Передаточная функция корректирующего звена [2, 474 стр.]:

k = 1 / R1 • C; T = R2 • C.



Рисунок 7.2 - Схема корректирующего звена

Таким образом, получили, что:

R1 = 10 Ом; R2 = 2,3 Ом; C = 0,1 Ф.

3. Передаточная функция корректирующего звена [2, 474 стр.]:

k = R2 · C; T = (R1 + R2) ? C.

Рисунок 7.3 - Схема корректирующего звена

Таким образом, получили, что:

R1 = 1727,8 Ом; R2 = 10 Ом; C = 0,1 Ф.

Реализация передаточной функции корректирующего устройства через четырёхполюсники, имеет вид:

Рисунок 7.4 - Схемотехническая реализация передаточной функции корректирующего устройства

R1 = 10 Ом; R2 = 10,96 Ом; R3 = 10 Ом; R4 = 2,3 Ом; R5 = 1727,8 Ом; R6 = 10 Ом; C1 = 0,1 Ф; C2 = 0,1 Ф; C3 = 0,1 Ф.

При коррекции с помощью интегрирующих устройств система менее подвержена влиянию помех.



4. Анализ системы по результатам моделирования

Анализ результатов моделирования позволяет выделить схему фазометра на компараторах с транзисторными ключами. Эта схема имеет максимальную чувствительность и линейную прямо пропорциональную зависимость выходного напряжения от разности фаз входных сигналов. Такой сигнал на выходе схемы может использоваться для управления ключами коммутации конденсаторных батарей с минимальной корректировкой.

Можно сделать вывод о том, что в сетях со специфическими нагрузками (к ним относят нелинейные, несимметричные и резкопеременные нагрузки) существуют определенные особенности компенсации реактивной мощности, которые заключаются в следующем:

...