Система управления ЧПУ станком, внешние воздействия окружающей среды (температура, колебания фундамента и др.), а также с внутренние свойства системы (прочность, износостойкость, виброустойчивость, сопротивляемость температурным деформациям и др.), снижающими вредные внешние воздействия, все это оказывает влияние на выходные показатели технологической системы станка (рис. 1, α), такие как производительность, качество и себестоимость. Таким образом, качество технологической системы станка зависит от ее конструкции, размеров, материалов деталей и др. Между различными факторами имеют место сложные взаимосвязи.
Рис. 1. Влияние на выходные показатели обработки детали: α - действующих факторов и технологической системы станка; б - силы резания и жесткости станка
Для повышения эффективности автоматизированной обработки обычно идут по традиционному пути, связанному с повышением жесткости и точности технологической системы. Второй путь - это внедрение адаптивной системы управления ЧПУ станком для координации тех или иных параметров, определяющих ход технологического процесса и позволяющими даже при низкой жесткости системы получить высокую эффективность обработки по точности и производительности.
Сущность адаптивной системы управления процессом обработки деталей на станках заключается в поддержании одного или нескольких параметров процесса, определяющих выходные показатели обработки, на заданном уровне независимо от изменения условий его протекания, например, независимо от колебаний припуска и твердости материала, затупления режущего инструмента и др. Для этого станок оснащают различными чувствительными элементами и преобразующими устройствами, с помощью которых контролируют параметры протекания технологического процесса. Станки, имеющие систему адаптивного управления, называют самонастраивающимися или самоприспосабливающимися. В этих станках возможно автоматическое управление следующими параметрами процесса:
- упругими перемещениями звеньев;
- траекторией относительного движения обрабатываемой детали и инструмента;
- температурными деформациями звеньев;
- силами, действующими в системе;
- скоростью изнашивания инструмента;
- уровнем вибраций и др.
Принципы построения станков ЧПУ с системой управления адаптивного типа сводятся к тому, что в обычную систему ЧПУ станка вводится дополнительный блок, управляющий дополнительными параметрами, характеризующими состояние технологической системы или элементов системы управления станка.
Дополнительный блок позволяет корректировать программу работы станка таким образом, чтобы исключить или максимально снизить влияние внешних возмущающих воздействий на работу станка и качество обрабатываемой детали. Это обстоятельство дает возможность автоматически выбирать оптимальный режим обработки для станка, максимально использовать мощность станка, снижать цикловые и внецикловые потери, упрощать программирование и значительно повышать надежность работы станка с программным управлением.
Самонастраивающиеся, или самоприспосабливающиеся системы управления ЧПУ станков можно разделить на три группы - адаптивные, самоорганизующиеся и самообучающиеся.
Адаптивные системы управления ЧПУ станка
Адаптивные системы управления ЧПУ станка имеют адаптивный блок, содержащий различные вычислительные устройства, позволяющие ему получать дополнительную информацию, необходимую для оптимального управления процессом обработки. Для этого в адаптивный блок поступает информация о состоянии процесса обработки и о возмущениях. В настоящее время принципы самонастройки получили широкое применение в станках с ЧПУ.
Самоорганизующиеся системы управления ЧПУ станком
Самоорганизующиеся системы управления станков - это системы, в которых структура дискретно или плавно изменяется таким образом, что в изменяющихся внешних условиях и воздействиях эти системы выполняют свои функции наилучшим образом. В процессе работы в этих системах изменяются связи между элементами (одни ослабевают или ликвидируются, другие усиливаются), изменяются пороги срабатывания различных элементов.
Самоорганизующиеся системы управления ЧПУ станком по своей структуре аналогичны адаптивным системам, но для обеспечения экстремального показателя качества их устройство адаптации изменяет не только параметры управляющего устройства, но и его структуру.
Самоорганизующиеся системы управления станком ЧПУ способны воспринимать и классифицировать информацию, поступающую в них из внешней среды, и самостоятельно разрабатывать программы переработки информации, оценивать эффективность этих программ по конечным результатам и запоминать оптимальные программы для дальнейшего использования в аналогичных ситуациях и в соответствии с условиями и задачами управления перестраивают свою собственную структуру. Очевидно, что в таких системах связи между элементами заранее жестко не предопределяются, а устанавливаются в результате приспособления к условиям работы станка.
Самообучающиеся системы управления ЧПУ станком
Самообучающиеся системы управления ЧПУ станком - это системы, в которых в процессе работы, наладки и подготовки к работе станка в управляющем устройстве происходит постепенное накопление данных о характеристиках работы системы. Это накопление информации производится в блоке памяти системы управления. В этих системах программа работы управляющего устройства определяется вычислительной машиной, которая обрабатывает всю информацию об управляемом процессе и постепенно вырабатывает алгоритм для классификации ситуаций, соответствующих определяемым параметрам выполняемого технологического процесса.
Эта задача представляет собой процесс распознавания образов, причем термин «образ» соответствует здесь термину «ситуация» или «состояние».
На рис. 2 представлены принципиальные схемы рассматриваемых систем управления ЧПУ станками. Адаптивная система управления (рис. 2, α) имеет постоянную структуру; в процессе работы имеются лишь управляющие воздействия или параметры системы управления. Сигнал х через устройство ввода УВ и управляющее устройство УУ вызывает перемещение системы «Станок». Перемещение S рабочего органа станка происходит после коррекции в системе датчика обратной связи ДОС. Информация поступает также в логический блок ЛБ, где производится анализ контролируемых параметров, сравнение их с заданными, предварительное формирование команд. Блок адаптации АБ на основе информации от логического блока вырабатывает стратегию управления и воздействует на управляющее устройство с целью максимально возможной оптимизации процесса обработки и его конечных результатов.
Рис. 2. Принципиальные схемы систем ЧПУ станков: α - адаптивная система ЧПУ станка; б - самоорганизующаяся система ЧПУ станка; в - самообучающаяся система ЧПУ станка.
Адаптивные системы управления ЧПУ станком позволяют автоматически компенсировать такие возмущающие воздействия, как колебание припусков, твердости, глубины резания, ошибок положения и перемещения, а также автоматически приспосабливаться к режиму (выбирать оптимальный режим). Эти системы позволяют также учитывать в процессе управления упругие деформации, изменение мощности и других параметров.
В самоорганизующейся системе (рис. 2, б) происходит непрерывный контроль процесса обработки. С помощью логических блоков в зависимости от условий обработки дается команда на подключение того или иного блока адаптации: АБ1, АБ2, ...., АБn. Эти блоки подбираются таким образом, чтобы охватить максимальный спектр возможных сочетаний режимов обработки, материалов инструмента и детали, состояния управляющего устройства и технологической системы станка.
В самообучающуюся систему управления ЧПУ станком (рис. 2, в) в отличие от обычного станка с ЧПУ включается еще дополнительный блок 1, состоящий из логического блока, блока адаптации и устройства памяти УП. По мере функционирования системы накапливается положительный опыт работы, который используется для направленного изменения алгоритма с целью достижения экстремума выбранного критерия оптимальности функционирования системы.
На рис. 3 представлена система управления одношпиндельного токарного станка 1Б732Ф3 с адаптивным управлением.
Рис. 3. Принципиальная кинематическая схема токарного полуавтомата 1Б732Ф3 с адаптивной системой управления.
Обрабатываемая деталь 4 приводится во вращение электродвигателем 5, а подача суппорта с резцовой головкой 3 осуществляется ходовым винтом 2 продольной подачи. Измеряемым возмущением здесь служит изменение силы резания, происходящее вследствие изменения условий обработки. Колебания силы резания приводят к пропорциональному изменению мощности электродвигателя главного движения 5, что регистрируется датчиком 6. Возникший сигнал через усилитель 7 передается в схему сравнения 8, где он сравнивается с сигналом задающего устройства 9 силы резания. Разность сигналов датчика 6 и устройства 9 после усилителя 10 поступает в устройство программного управления 11 станка. После этого сигнал адаптации суммируется с сигналом программы и поступает в шаговый коммутатор 12, шаговый двигатель 13, гидроусилитель 14 и редуктор 15, вращающий ходовой винт и сообщающий рабочую подачу продольному суппорту 1.
Таким образом, в зависимости от знака разности сигналов датчика 6 и задающего устройства 9 увеличивается или уменьшается рабочая продольная подача, на которую влияет сила резания, измеряемая датчиком 6. Это позволяет:
- обрабатывать детали практически при постоянной силе резания, сводя к минимуму разброс упругих деформаций в технологической системе, приводящих к погрешностям обработки;
- максимально использовать мощность станка;
- упрощать программирование;
- повышать стойкость инструмента.
В зависимости от принципа работы самонастраивающиеся системы управления ЧПУ станком делят на 2 группы: предельного управления (рис. 4, α) и оптимального управления (рис. 4, б).
Рис. 4. Структурные схемы самоприспосабливающихся систем управления ЧПУ станком: α – предельное управление; б – оптимальное управление.
В процессе обработки детали на станках с ЧПУ предельного управления (рис. 4, α) по заданной программе управления (ПУ) определяются один или несколько параметров, характеризующих процесс, на который действуют возмущения f, и сравниваются в регуляторе с заданными граничными или предельными значениями (ПЗ). Возникающее рассогласование в значениях этих величин устраняется изменением подачи S и скорости резания v на величины ∆Ѕ и ∆v. Наибольшее применение получают более простые системы управления ЧПУ станком с регулируемой подачей S (рис. 5). Примерами служат фрезерование с переменным припуском, подрезка торцов, отрезка и разрезка деталей при использовании полной мощности станка, максимально допустимой нагрузки при резании и т. д.
При обработке детали на станках с ЧПУ с применением систем оптимального управления (см. рис. 4, б) по заданной программе управления (ПУ) производят автоматическое определение сочетания скорости v и подачи S для обеспечения экстремального значения целевой функции Ф процесса обработки (точности, производительности или себестоимости обработки) при наличии технических ограничений (ТО) и действия возмущающих воздействий f (колебаний припуска, твердости материала заготовки, режущих свойств инструмента и др.). Оптимизатор варьирует регулируемые параметры v и S путем введения поправок ∆v и ∆Ѕ до тех пор, пока значение целевой функции Ф не попадает в оптимальную зону. Возмущения f, которые будут смещать оптимальную зону, также компенсируются системой управления.
Примерами применения систем оптимального управления ЧПУ станком могут служить: станок фирмы «Bendix» (США), в основу работы системы которого положен критерий производительности; фрезерный станок с системой, разработанной в Пизанском университете (Италия), где оптимизируется стоимость снятия стружки.
Рис. 5. Примеры обработки деталей и графики изменения подачи S в зависимости от длины обработки l: α - с переменной глубиной резания; б - обработка детали с разным припуском на участках и с необработанным участком
