Адаптивное управление для станков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Адаптивное управление для станков

Эффективные технологические процессы характеризуются высокой производительностью обработки (целевая функция для оптимизации) при выполнении требований по качеству поверхности, поверхностного слоя и точности размеров обрабатываемых заготовок. Поэтому задача поиска эффективных технологических процессов является задачей технологической оптимизации.

Задача обеспечения указанных выше требований решается на двух этапах жизненного цикла изделия: этапе технологической подготовки производства и этапе собственно производства [1].

Наиболее сложно оптимизировать процесс на этапе его выполнения с учетом индивидуальных особенностей элементов технологической системы и возникающей при обработке ситуации. Задача ситуационного управления может быть успешно решена при наличии достоверной информации о фактических параметрах процесса и конечных показателей обработки. Это можно обеспечить двумя путями: контролем процесса и контролем результата. Контроль результата (фактические значения показателей обработки) часто невозможен или трудоемкий. Поэтому выходом из создавшегося положения может быть эффективный контроль процесса, в том числе по промежуточным параметрам, предопределяющим указанные выше конечные показатели (требования чертежа). Эффективным методом решения этой задачи в условиях автоматизации производства является встроенная диагностика состояния технологической системы (ТС) и адаптивное управление процессом обработки.

Идея адаптивного управления, высказанная в 70-х годах прошлого века профессором Балакшиным Б.С., заключается в обеспечении требуемой точности замыкающего звена - получаемого размера детали на основании следующего соотношения [2]:

, (1)

где , , - размеры установки, статической (без рабочих нагрузок на режущие кромки инструмента) и динамической (добавочное перемещение режущих кромок относительно баз станка или приспособления) настройки.

На станках с ЧПУ, т.е. при минимальном участии рабочего в автоматизированном процессе, требуемая точность деталей должна получаться автоматически. Отсюда вытекает важность адаптивного управления именно на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах. Стабилизация размера установки на этих станках обеспечивается обработкой с наименьшим числом установок, в лучшем случае с одной установки, причём номинал размера обычно принимается равным нулю.

Следует отметить, что точность обработки на станках, настроенных на размер, как правило, обеспечивается за счёт квалифицированной наладки этих станков, позволяющей учитывать отклонение размера за счёт трудоёмкой предварительной проверки, которую осуществляет наладчик. Учитывая, что наладчик добивается приемлемого результата на самом нагруженном (по силе резания) участке обработки заготовки (вносит коррекцию в размер на этом нагруженном участке), можно заключить, что все другие участки обработки заготовки будут недогружены. Это, по мнению проф. Балакшина Б.С., приводит к отклонению размера и к низкой производительности обработки. Причём при стабилизации размера уменьшение и увеличение величины припуска на обработку сопровождается увеличением и уменьшением подачи соответственно. Кроме того, автоматическое управление упругими перемещениями, например путём изменения подачи, благодаря равномерной и более постоянной нагрузке в ТС повышает размерную стойкость режущего инструмента. Таким образом, кроме достижения требуемой точности обработки, при наличии адаптивного управления обработка ведётся с наиболее высокой производительностью, которая возможна в ТС [2].

С учётом вышеизложенного можно заключить, что известный в технологии машиностроения метод автоматического получения размеров не гарантирует автоматического получения размеров без адаптивного управления упругими перемещениями и должен быть дополнен автоматическим регулированием размера . Это приводит к увеличению производительности и размерной стойкости режущего инструмента. Формула проф. Балакшина Б.С. характеризует результат, получаемый в ТС (станок, приспособление, инструмент и заготовка). Изменение во времени элементов ТС обуславливает нестабильность технологического процесса и получаемого при обработке результата. Адаптивное управление предназначено для компенсации этого изменения.

На этапе технологической подготовки производства невозможно предсказать и оценить влияние индивидуальных особенностей элементов ТС на показатели качества обработки, а также оценить соответствие выбранных (на этапе технологической подготовки производства) режимов обработки условию ее максимальной производительности. Это можно сделать путем контроля фактических показателей качества обработки и сравнением их с требованием чертежа. Или это можно сделать путем контроля промежуточных технологических параметров (типа удельной работы резания), если известны связи этих параметров с указанными выше конечными показателями.

Оценка влияния индивидуальных особенностей элементов ТС на процесс резания должна выполняться на этапе обработки, где эти особенности проявляются. Следовательно, должны быть соответствующие источники информации как конечных, так и промежуточных параметров и показателей. Эту информацию необходимо учитывать для оптимизации процесса обработки и желательно без применения ручного труда. Такая задача может быть возложена на систему ЧПУ станка, если в ее состав будут включены соответствующие средства (измерительные преобразователи исходной информации, автоматические регуляторы режимов резания).

В 70-х гг. прошлого века пытались решить задачу оптимизации процесса обработки с помощью адаптивных систем (работы проф. Балакшина Б.С., проф. Якимова А.В. и других ученых). Указанные системы были самостоятельным объектом и результатом работы и не всегда устанавливались на станках ЧПУ или станках с автоматическим циклом работы. Часто такие системы устанавливали на станки с ручным управлением. Опыт эксплуатации станков с адаптивными системами показал неоднозначные результаты. Часто такие станки не обеспечивали стабильности обработки по причине неудовлетворительного качества автоматического регулирования. Позднее выяснилось, что эти системы представляли собой обычные системы автоматического регулирования, которые могут удовлетворительно работать только в некотором ограниченном интервале режимов резания. Для того чтобы повысить надежность таких систем с точки зрения качества регулирования (расширить их технологические возможности) приходилось добавлять к ним дополнительные контуры управления, которые обеспечивали постоянство передаточной функции замкнутой системы регулирования. Промежуточным шагом в решении этой задачи являлось использование специальных корректирующих звеньев, встроенных в замкнутый контур системы (в этом же контуре находится объект управления - процесс резания, передаточная функция которого не предсказуема, но может быть оценена в каждом конкретном случае с помощью второго контура управления) [3]. Оказалось, что такое «двойное управление» (управление подачей и управление передаточной функцией) характеризует адаптивную систему управления в том виде, как это рассматривается в теории автоматического управления.

Следующим шагом в совершенствовании адаптивных систем было использование гибких алгоритмов самонастройки и самообучения. Однако и этого было недостаточно для обеспечения их надежной работы. Недоставало главного - гарантированного обеспечения условий, в которых возможности адаптивного управления могут быть реализованы. Эти условия можно обеспечить с помощью применения ЧПУ и адаптивного управления.

Современные системы ЧПУ в отличие от предшествующих аналогов выполнены на основе персональных компьютеров с открытой архитектурой. Это позволяет решать задачи автоматического регулирования путём программирования соответствующих алгоритмов («прописывать математику») в отличие от аппаратного метода реализации адаптивного управления. Это означает, что функции ЧПУ и адаптивного управления могут быть решены на основе составления как программы обработки на станке, так и коррекции этой программы с учетом индивидуальных особенностей элементов ТС. Появляется возможность прописывать (отдельными строками) адаптивное управление в тексте управляющей программы [4]. При этом ЧПУ может обеспечивать штатный режим работы адаптивной системы путем контроля передаточной функции процесса резания и ее корректировки в автоматическом режиме, используя соответствующие предварительно подготовленные библиотеки настроек. Следовательно, появляется реальная возможность повысить надежность адаптивной системы, которая является подсистемой в системе ЧПУ станка.

В качестве параметра регулирования в адаптивных системах часто используют какой-либо силовой параметр резания (крутящий момент, мощность, силы резания). Этот параметр предопределяет некоторые технологические показатели обработки, например, удельную работу резания. В качестве примера установим связь между измеряемым крутящим моментом на шпинделе (сверле) и удельной работой резания при сверлении.

Известно [5], что

, (2)

станок поверхность заготовка резание

где - удельная работа резания, Дж/м³;

- тангенциальная составляющая силы резания, Н;

- скорость резания, м/с;

- съем металла за единицу времени, м³/с.

Съем металла при сверлении определяют по формуле

, (3)

где - радиус сверла, м;

- осевая подача сверла, м/с.

Преобразуем , м/с, в оборотную подачу , мм/об. Для этого введем минутную подачу , мм/мин, причем

. (4)

Известно, что

, (5)

где - оборотная подача, мм/об;

- частота вращения сверла, мин^-1.

С учетом (4) формулу (3) запишем в виде

. (6)

Тогда по формуле (2) при , м, получим

. (7)

Если измеряется в миллиметрах, то

. (8)

Крутящий момент при сверлении

, (9)

где - крутящий момент, Н·м;

- диаметр сверла, м.

Отсюда находим составляющую силы резания с одновременным переходом к диаметру , измеряемому в миллиметрах. Получаем

. (10)

В формуле (2) скорость резания можно записать в виде

. (11)

С учетом формул (8), (10) и (11) по формуле (2) находим , Дж/м³:

(12)

Переходя от кубических метров к кубическим миллиметрам, получаем , Дж/мм³:

. (13)

С учетом (5) выражение (13) может быть записано в виде

. (14)

Например, при = 2,85 мм, = 0,025 мм/об (при = 50 мм/мин и =2000 мин^-1) расчет , Дж/мм³, можно производить по рабочей формуле

. (15)

Так, при = 0,459 Н•м (1,7% при 100% шкале, соответствующей 27 Н•м) получим = 18,08 Дж/мм³.

Если станок оснащен системой измерения активной мощности , то вместо величины в указанных выше формулах следует использовать величину.

Связь между величинами и можно установить исходя из следующих соотношений:

, (16)

где - мощность резания, Вт;

- тангенциальная составляющая силы резания, Н;

- скорость резания, м/с.

С учетом формул (10) и (11) формулу (16) можно записать в виде

, (17)

где - угловая скорость, рад/с. Это выражение совпадает с аналогичным выражением, приведенным в работе [3].

Отсюда

. (18)

Подставляя выражение (18) в формулу (14) получаем

. (19)

Например, по формуле (17) при = 0,459 Н•м, = 2000 об/мин, мощность резания = 96,1 Вт. Тогда при = 2,85 мм, = 0,025 мм/об удельная работа сверления = 18,08 Дж /мм³, как по аналогичному примеру расчета по формуле (15).

Выполненный анализ позволил получить математические выражения для удельной работы сверления в зависимости от силового параметра резания ( или ), которые используются в системах адаптивного управления металлорежущими станками. Это позволяет оптимизировать режимы сверления по величине и поддерживать эту величину или экстремум целевой функции на требуемом уровне путем контроля силового параметра резания и автоматического регулирования соответствующих подач на станках с ЧПУ.

Аналогичный анализ можно выполнить по описанной методике для других процессов резания (точение, фрезерование, шлифование и т.п.).

Размещено на Allbest.ru