Система «станок – процесс резания» как объект управления

В общем виде систему управления механической обработкой на станках с ЧПУ структурно можно представить состоящей из объекта управления и устройства управления, связанных между собой каналами прямой и обратной связи (рис. 2.2). Металлорежущий станок с ЧПУ совместно с процессом обработки и установленными на станке двигателями рабочих механизмов является объектом управления. В устройство управления входят приводы рабочих механизмов и система ЧПУ, датчики механических перемещений рабочих органов станка и режимов обработки. Станок с выполняемым на нем процессом обработки называют динамической системой станка, которая образуется совокупностью упругой системы механизмов и рабочих процессов в их взаимодействии. Упругая система станка состоит из собственно станка, приспособления, инструмента и детали (заготовки).

Рис. 2.2. Структурная схема системы «станок-процесс резания»

Рабочие процессы – это, в первую очередь, обработка резанием, а также сопровождающие ее процессы трения в механизмах и электромагнитные и гидродинамические процессы в двигателях рабочих механизмов.

Рассмотрим станок с ЧПУ совместно с процессом обработки на нем с учетом того, что он является, с одной стороны, замкнутой системой взаимодействия упругой системы с рабочими процессами, а с другой – звеном направленного действия в системе автоматического управления механической обработкой.

Команды и задающие воздействия для автоматических устройств станка поступают от устройства числового программного управления (УЧПУ), в которое вводят управляющую программу, представляющую собой набор символов и чисел, записанных в определенной последовательности. Управляющая программа (УП) записывается на программоноситель или в запоминающее устройство и содержит следующие задающие величины:

– перемещения x, y, z инструмента и заготовки по осям;

– скорости перемещений d x/dt, dy/dt, dz/dt по каждой оси, представляющие собой значение подач Sx, Sy, Sz инструмента или детали по этим осям; 3

– частота вращения шпинделя n ш;

– параметры, определяющие технологические команды A 1,…, Am, где m – число команд (технологическими командами являются команды, задающие направление вращения шпинделя, глубину резания, размер инструмента, смену инструмента, включение и выключение подачи охлаждающей жидкости и т. п.).

После считывания управляющая программа претерпевает в системе ЧПУ обратный процесс декодирования, т. е. систему управления отличает дискретный характер задания и прохождения сигналов. Координатами вектора управляемой величины являются следующие показатели результатов процесса механической обработки:

– точность размера изготовленной детали;

– параметры шероховатости обработанных поверхностей;

– производительность обработки Q, характеризуемая количеством металла, снятого в процессе обработки в единицу времени;

– экономичность обработки Е, характеризуемая затратами на снятие при-пуска.

Погрешности устройства управления состоят из следующих погрешностей: воспроизведения (статические и динамические ошибки приводов подач), программы (погрешности аппроксимации и дискретизации) и погрешностей от шумов в каналах связи. Основной частью объекта управления (ОУ) является процесс резания, представляющий собой сложный физический процесс, при котором возникают упругие и пластические деформации, сопровождаемые большим трением, тепловыделением, наростообразованием, усадкой стружки, изнашиванием режущего инструмента и др.

Факторами, влияющими на качество обработки и нагрузку на приводы, являются:

– размерный износ режущего инструмента;

– изменение температуры системы «станок– процесс резания»;

– изменение жесткости упругой системы станка;

– изменения припуска на обработку и свойств материала заготовки и др.

Следовательно, станок вместе с процессом резания является сложным объектом со случайными во времени характеристиками, зависящими от большого числа переменных.

Управляющие величины, возмущающие воздействия и управляемые величины, характеризующие процесс механической обработки, функционально взаимосвязаны, причем точность изготовления детали и производительность обработки зависят от параметров режима обработки.

В процессе обработки возмущающие воздействия приводят к отклонениям параметров технологического процесса.

 

Рис. 2.3. Модель объекта управления

Значения входных переменных (рис. 2.3), представляющих собой совокупность показателей, характеризующих материал, и размеры заготовки, параметры приспособлений, инструмента, станка и другие, находятся в интервалах задаваемых технологическими допусками на процесс резания.

Выходные переменные характеризуют технико-экономические показатели работы ОУ. Это могут быть данные о производительности, уровне вибрации или величинах, с ними связанных и характеризующих эти показатели. Выходные переменные также ограничены по значению.

 

Структурная схема системы ЧПУ представлена на рис. 73, а (б не рисуйте!). Чертеж детали (ЧД), подлежащий обработке на станке с ЧПУ, одновременно поступает в систему подготовки программы (СПП) и систему технологической подготовки (СТП). Последняя обеспечивает СПП данными о разрабатываемом технологическом процессе, режиме резания и т.д. На основании этих данных разрабатывается управляющая программа (УП). Наладчики устанавливают на станок приспособления, режущие инструменты согласно документации, разработанной в СТП. Установку заготовки и снятие готовой детали осуществляет оператор или автоматический загрузчик. Считывающее устройство (СУ) считывает информацию с программоносителя. Информация поступает в устройство ЧПУ, которое выдает управляющие команды на целевые механизмы (ЦМ) станка, осуществляющие основные и вспомогательные движения цикла обработки. ДОС на основе информации (фактическое положение, скорость перемещения исполнительных узлов, фактический размер обрабатываемой поверхности, тепловые и силовые параметры технологической системы и др.) контролируют величину перемещения ЦМ. Станок содержит несколько ЦМ, каждый из которых включает в себя (рис. 73, б): двигатель (ДВ), являющийся источником энергии; передачу П, служащую для преобразования энергии и ее передачи от двигателя к исполнительному органу (ИО); собственно ИО (стол, салазки, суппорт, шпиндель и т.д.), выполняющие координатные перемещения цикла.

 

Супервизорные системы управления. АСУ, функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор – управляющая программа или комплекс

программ), предназначена для организации многопрограммного режима работы ЭВМ и представляет собой двухуровневую иерархическую систему, обладающую широкими возможностями и повышенной надежностью. Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и руководит загрузкой устройств ЭВМ.

В супервизорной системе управления (рис. 2.16) часть параметров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами АР, а ЭВМ, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Остальной частью параметров управляет ЭВМ в режиме прямого цифрового управления. Входной информацией являются значения некоторых управляемых параметров, измеряемых датчиками Ду локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса, измеряемые датчиками Дк.

 

Рис. 2.16. Структурная схема АСУ ТП с супервизорным управлением

Нижний уровень, непосредственно связанный с технологическим процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических параметров. Поданным, поступающим отдатчиковД, пДк через устройство связи с объектом, ЭВМ вырабатывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического регулирования.

Основная задача супервизорного управления — автоматическое поддержание управляемого процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, оператор с пульта управления имеет возможность вводить дополнительную информацию (коррекция уставок, параметров алгоритмов регулирования, уточнение критерия управления в зависимости от внешних факторов и др.). Супервизорный режим позволяет не только автоматически контролировать процесс, но и автоматически управлять им вблизи оптимальной рабочей точки. Функции оператора сводятся к наблюдению за технологическим процессом и в случае необходимости — к корректировке цели управления и ограничений на переменные. При подобном постро-ении системы управления повышается надежность системы, так как ее работоспособность сохраняется и при отказах в работе ЭВМ.

Системы прямого цифрового управления. ЭВМ непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управления на исполнительные механизмы (рис. 2.17).

Режим непосредственного цифрового управления позволяет исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой; применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптимальный вариант; реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления; снизить расходы на техническое обслуживание и унифицировать средства контроля и управления. Этот принцип управления применяют в станках с ЧПУ.