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 ΔS), скорости резания v (на величину Δv) 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 (ΔS 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.
