УДК 62

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ АДАПТИВНОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Ярута С.П.1, Усачев П.А.1
1Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

Аннотация
В статье приведены принципы создания систем адаптивного контроля технологических процессов для станков с числовым програмным управлением (ЧПУ).

Ключевые слова: Адаптивное управление, станки с ЧПУ


PRINCIPLES OF CREATION OF ADAPTIVE PROCESS CONTROL FOR CNC MACHINE TOOLS

Yaruta S.P.1, Usachev P.A.1
1National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute"

Abstract
This paper presents the principles of the creation of systems of adaptive process control for machine tools with numerical control (CNC).

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ярута С.П., Усачев П.А. Принципы создания систем адаптивного контроля технологических процессов для станков с ЧПУ // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/04/11652 (дата обращения: 04.06.2017).

Системы адаптивного контроля играют важную роль в гибком автоматизированном производстве (ГАП). Дело в том, что обычные встроенные системы автоматического управления (САУ), допускающие вмешательство человека-оператора, в условиях гибкой безлюдной технологии могут потерять работоспособность или привести к аварийным ситуациям. Такие ситуации могут возникнуть, например, при внезапной поломке инструмента (резца, фрезы и т. п.). Поэтому адаптивный контроль в условиях ГАП предполагает диагностику состояния инструмента, основанную на автоматических измерениях (например, определение положения режущей кромки инструмента после каждого технологического прохода). Без текущего контроля и диагностики внезапная поломка инструмента может привести к поломке всего технологического оборудования.

Особенность задачи адаптивного контроля в условиях ГАП заключается в том, что технологическое оборудование со встроенным САУ должно находиться не в стабильной обстановке массового производства с устоявшейся технологией и номенклатурой, а в не детерминированной и постоянно меняющейся обстановке мелкосерийного или даже единичного производства. Поэтому САУ должны обладать способностью автоматически перенастраиваться при переходе ГАП на выпуск новых изделий, а также приспосабливаться к непредсказуемым изменениям производственных условий. Иначе говоря, встроенные САУ должны быть достаточно универсальными, гибкими и адаптивными.

Важно отметить, что программы управления ГАП (в том числе и программы, разработанные с помощью САПР) принципиально не могут предусмотреть всех факторов и особенностей, возникающих в процессе фактического изготовления каждой конкретной детали и непосредственно влияют на качество продукции. К таким факторам и особенностям можно отнести непредсказуемые изменения физико-механических свойств заготовок и инструментов в процессе гибкого производства, колебания припусков, диапазон параметров исполнительных приводов и механизмов и многое другое. Эти скрытые факторы, которые не учитываются в программах управления станками и САУ, могут сильно влиять на точность изготовления деталей и часто приводят к браку. Поэтому для обеспечения заданного качества продукции необходимо, чтобы все технологическое оборудование и САУ, входящие в состав ГАП, обладали способностью адекватно реагировать на текущие изменения параметров и условий производства за счет самонастройки системы управления технологическим оборудованием и САУ. Обычно эта способность реализуется с помощью алгоритмов и программ адаптивного управления и контроля. Благодаря указанным алгоритмам и программам система управления ГАП сохраняет работоспособность и эффективность в широком классе непредсказуемых изменений условий производства, характерных для мелкосерийного многономенклатурного производства.[1]

Оборудование с ЧПУ может быть полностью оптимизировано путем внедрения дополнительных адаптивных систем управления, которые постоянно отслеживают процесс обработки резанием в режиме реального времени. Такая оптимизация машинных систем необходима, если дорогие станки с ЧПУ постоянно работают на полную мощность, и если режущие инструменты должны быть использованы максимально долго, а не подвергаясь в процессе обработки износу, что приводит к простою оборудования. [2]

Одним из наиболее привлекательных особенностей этих систем является то, что они применяют оптимальную подачу в режиме реального времени на основе основных параметров, влияющих на процесс механической обработки для каждого конкретного инструмента и обрабатываемого материала. Эти параметры могут быть введены, если необходимо, из внешних библиотек. Оператор не обязан знать определенный порог нагрузки для каждого инструмента, а внутренняя экспертная система определяет эти границы для себя.

Можно выделить два подхода при разработке систем адаптивного контроля [3]

• Адаптивное управление с оптимизацией

• Адаптивное управление с ограничениями

Адаптивное управление с оптимизацией. При такой форме адаптивного управления задается критерий качества, который служит показателем эффективности всего процесса в целом (например, производительность, затраты на единицу объема удаленного металла). Цель адаптивного управления состоит в оптимизации этого критерия качества путем изменения скоростей резания и (или) подачи в процессе механической обработки. Хотя в этом направлении были разработки, но большой популярности адаптивное управление с оптимизацией не нашло. Основной проблемой было отсутствие датчиков, которые могли измерить необходимые переменные не прекращая обработку резанием.

Адаптивный процессор включает в себя подсистему обработки данных куда поступают данные с датчиков, а также рассчитана подача и число оборотов и набор ограничений. Подсистема производит 2 сигналы: Слой металла снят за 1 проход и скорость износа режущего инструмента.

                                                       MRR=w*a*V                                                              ( 1.1)

Слой металла снят за один проход требуется для расчета ограничений, которые определяются по формуле.

                                       TWR=K1(MRR)+K2Q+K3dT/dt                                          ( 1.2)

Где Q – температура инструмента

dT/dt – скорость изменения крутящего момента

K1,K2,K3 – константы зависящие от инструмента и обрабатываемой детали

MRR и TWR сигналы поступают к компьютеру, который рассчитывает производительность индекса Ф.

                               Ф=MRR/c1+ (c1t1+c2b)(TWR)/W0                                        (1.3)

c1 -стоимость станка и оператора за единицу времени

c2- стоимость инструмента за смену

t1 -время перестановки инструмента

W0 -срок допустимого износа режущего инструмента

Индекс Ф отправляется в процессор оптимизации, который выбирает стратегию, в отношении котороой оптимизация продуктивна.

Адаптивное управление с ограничениями. В производственных системах накладывают ограничения на определенные измеряемые переменные, характеризующие процесс обработки; тем самым устанавливаются границы их изменений. Согласно этому, такие системы носят название систем АК с ограничениями. Цель этих систем состоит в такой коррекции скорости резания или (и) подачи, чтобы значения измеряемых переменных процесса содержались не выше уровня заданных ограничений.

Практически все АК для грубого точения и фрезерования базируются на принципе адаптивного управления с ограничением и редко включают более одного измеряемую переменную. [4, 5]

Наиболее часто используют константы: усилия резания, крутящий момент. [6, 7] Рабочие параметры, как правило, скорость резания V (в миллиметрах в минуту или дюймах в минуту) и скоростью вращения шпинделя N (в оборотах в минуту), ими легко манипулировать с помощью компьютера. Подача s определяется отношением

                                                                    S = V / pN                                                        (1.4)

p – количество зубьев фрезы в фрезерной операции (при точении и сверлении p = 1)

N-количество оборотов в минуту.

V-скорость резания.

Система адаптивного контроля является логическим продолжением ЧПУ-механизма. В механизме с ЧПУ скорость резания и подача предусмотренные частью программы. В отличие от этого адаптивные системы способствуют улучшению скорости производства и снижения стоимости обработки в результате расчета и установления оптимальных параметров в процессе обработки. Этот расчет основан на измерении технологических параметров в режиме реального времени и поддается обработке для того, чтобы оптимизировать производительность системы в целом.


Библиографический список
  1. Гибкое автоматическое производство/Под ред. С. А. Майорова, Г. В. Орловского, С. Н. Халкиопова. Л.: Машиностроение, 1985. 454 с.
  2. Koren, Y. and Masory, O. (1981). Adaptive control with process estimation . .4nnals ,if the ClRP, 30 0). pp. 373-376.
  3. Koren, Y, (1983). Computer Control of Mamifacturing Systems, McGrawHill. New York
  4. Inamura. T. Senda. T. and Sata. T. (1977). Computer control of chattering in turning operation. Annals oj the CIRP. 25. (I). pp. 181-186.
  5. Donahue. E J, (1976). Applications of adaptive control in the aerospace industry. SME Paper No. MS76·274.
  6. Yen, D W. and Wright, P K. (1983). Adaptive control in machining-A new approach based on the physical constraints of tool wear mechanisms. ASME Journal oj’ Engineaing Jar IndustrY. 105 (I). pp. 31-38.
  7. Sata. T. et al.. (1975). Newly developed adaptive control systems of the turning process. CIRP Seminars on ManuJacturing Systems.

 



Все статьи автора «Sergey Yaruta»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: