1.4. Выбор и управление режимами обработки с учетом состояния оборудования и характера процесса резания. Адаптивное управление процессом обработки

Состояние технологической системы во время выполнения процесса обработки заготовки характеризует комплекс значений, к которым относятся: получаемая точность обработанной детали; потребляемая мощность; действующие в системе нагрузки (сила резания Р, крутящий момент М_кр) и порождаемые им упругие перемещения; температурный режим системы; интенсивность изнашивания режущего инструмента, уровень вибраций и характер стружкообразования. Все эти параметры представляют собой переменные состояния технологической системы. Они образуют вектор состояния системы.

Колебания глубины резания t изменение твердости НВ материала заготовки, переменная жесткость технологической системы и различная режущая способность инструмента — все это основные возмущающие факторы, образующие соответствующий вектор.

Воздействие на технологическую систему в процессе регулирования осуществляется через подачу S, частоту вращения п шпинделя, скорость резания и, размер статической настройки, т. е. через переменные управления. Иногда переменными управления могут быть жесткость технологической системы или геометрия резания, изменяемые с помощью специально встраиваемых исполнительных устройств, а также определенные колебания, специально налагаемые на элементы системы. Управляющие переменные образуют соответственно вектор управления.

В соответствии с технологическими возможностями системы, требуемой точностью обрабатываемой детали, допускаемыми нагрузками и условиями нормального протекания процесса на переменные состояния и переменные управления накладываются ограничения. Эти ограничения либо определяют область допустимых значений переменных, либо устанавливают дополнительные зависимости между переменными состояния и управления.

Система адаптивного управления многоцелевого станка должна обеспечивать автоматическое управление режимами обработки при выполнении различных технологических переходов, включая фрезерование поверхностей, сверление, растачивание и зенкерование отверстий.

В условиях автоматически перенастраиваемого мелкосерийного производства невозможно заранее на стадии программирования определить оптимальные режимы резания с учетом совокупного действия ряда случайных и систематически действующих факторов. Поэтому управление режимами обработки, и в частности управление подачей S и скоростью резания V, необходимо осуществлять непосредственно на станке с учетом состояния технологической системы и характера процесса резания. При этом алгоритмы управления и задаваемые установки для соответствующих технологических переходов являются различными, так как вытекают из конкретных технологических задач.

При управлении станка возможна автоматическая коррекция программы с целью изменения скорости резания или продольной подачи на требуемом технологическом переходе. Такая коррекция может проходить на основе информации, полученной на предшествующих переходах, информации о состоянии инструмента или входных параметрах поступившей заготовки. При этом возможно изменение режимов для любого применяемого инструмента.

Важным вопросом при создании адаптивных систем является выбор источников информации. Источники информации во многом определяют статическую характеристику системы и влияют на эффективность управления. Прямое измерение размера динамической настройки, т.е. измерение отклонений между режущими кромками инструмента и базами, определяющими положение заготовки, представляет значительные трудности. Поэтому используют косвенные методы измерения, основанные на измерении упругих перемещений в отдельных стыках или в специально встроенных динамометрических устройствах. Создание динамометрических устройств основано на выявлении зависимости между размером динамической настройки и составляющими силы резания.

Процесс обработки на станках связан с потреблением энергии соответствующего привода. Поэтому изменение нагрузки в технологической системе, связанное с колебанием припуска, твердости, находит отражение в изменении информационных характеристик электропривода станка, и в частности в изменении потребляемой мощности и силы тока. При этом информация, получаемая о размере по информационным характеристикам привода, является достоверной, так как измеряемые параметры функционально связаны с изменением одной или нескольких составляющих силы резания. Например, изменение мощности или силы тока электродвигателя главного движения характеризует изменение главной составляющей силы резания.

Использование информационных характеристик привода станка для получения данных о нагрузке и возникающих при этом отклонениях не требует создания специальных узлов и встраивания их в станок. Это наиболее удобно для многоцелевых станков, в которых применяют высокомоментные электродвигатели постоянного тока с короткими кинематическими цепями. Погрешность измерения и время запаздывания при получении и отработке информации при этом получаются минимальными.

Потребляемую мощность определяют по информации о силе, тока и фактической частоте вращения вала двигателя. В соответствии с задаваемой программой система одновременно измеряет нагрузки в приводе шпинделя и в приводе подачи по одной или двум координатам. Информация о мощности двигателя шпинделя характеризует изменение составляющей P_z при таких переходах, как фрезерование поверхностей, сверление, зенкерование, растачивание и развертывание отверстий, зацентровка, подрезка торца, нарезание резьбы метчиками. Информация о мощности N_x, N_у, N_z двигателей подачи характеризует соответственно значения продольных составляющих Р_х Р_У при фрезеровании с S_x и S_У и значение осевой составляющей в процессе зацентровки, сверления, зенкерования, растачивания отверстий и подрезке торцов. При управлении процессом на этапе динамической настройки решается комплекс задач связанных с управлением точностью обработки, с управлением режимами резания, с определением состояния режущего инструмента и момента его замены. При этом используют системы предельного регулирования и системы оптимального управления.

Адаптивные системы предельного регулирования. Сущность предельного регулирования заключается в том, что с целью повышения эффективности обработки деталей на станках обеспечивается постоянство протекания технологического процесса относительно таких регулируемых величин, как, например, сила резания, потребляемая мощность, крутящий момент и др. в результате в процессе обработки непрерывно поддерживаются наибольшие предельные значения режима резания, и в частности подачи и скорости резания, при которых исключается возможность превышения заданных ограничений.

В системах предельного регулирования, предназначенных для управления процессом черновой и предварительной обработки, когда стремятся к максимальному использованию мощности оборудования, ограничения относятся главным образом к силовым параметрам действующей в технологической системе нагрузки. В системах предельного регулирования, обеспечивающих управление процессом чистовой и получистовой обработки деталей, налагаемые ограничения, образующие систему неравенств, относятся непосредственно к параметрам, определяющим достижение требуемой точности детали. В качестве переменных управления в системах предельного регулирования используют главным образом параметры режима резания: подачу S и частоту вращения n шпинделя (скорость резания v). Размер статической настройки используют как переменную управления в системах, предназначенных для повышения точности обработки, а также в системах, обеспечивающих автоматическое распределение припуска по рабочим ходам. Согласно принятому алгоритму управления возможно регулирование по определенному закону одной или одновременно несколькими переменными. Для этого необходимо представить переменные состояния и ограничения как функции переменных управления.

Путем регулирования продольной подачи обычно поддерживают в пределах заданных ограничений определенные значения упругих перемещений, мощности, силы резания, крутящего момента и других переменных состояния.

Одна из переменных состояния принимается при этом в качестве главной регулируемой величины. Это означает, что закон изменения продольной подачи в большей части диапазона регулирования обеспечивает постоянство данной регулируемой величины.

Однако когда при допустимой мощности резания одна из двух переменных состояния, например сила P_Y или крутящий момент на шпинделе М_Kp, достигает предельного значения, происходит дополнительное изменение подачи, в результате чего исключается возможность превышения заданных ограничений.

Если переменная управления достигает заданных ограничений, обусловленных, например, требованиями шероховатости поверхности или условиями стружкообразования, то она становится постоянной величиной, равной заданному пределу.

Скорость резания в системах предельного регулирования может поддерживаться на заданном уровне или изменяться по определенному закону. Постоянство скорости резания v = const при изменении радиуса резания обеспечивается путем бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя.

Адаптивные системы оптимального управления. Сущность работы адаптивных систем оптимального управления заключается в том, что с целью повышения эффективности обработки деталей поддерживается оптимальное протекание технологического процесса относительно заданной целевой функции. Несмотря на случайный характер потока возмущающих воздействий, адаптивная система так управляет технологическим процессом, что целевая функция непрерывно поддерживается на максимальном или минимальном уровне в пределах установочных ограничений.

При условии обеспечения требуемой точности детали эффективность технологического процесса определяет себестоимость изготовляемой детали и производительность обработки, зависящую от оперативного времени. Таким образом, к основным критериям оптимальности относится целевая функция времени, определяющая производительность обработки, и целевая функция стоимости.

Анализ целевой функции времени позволяет вскрыть резервы дополнительного повышения производительности и определить оптимальные режимы резания, обеспечивающие минимальные затраты времени на выполнение операции.

Реализация рассматриваемых задач управления на многоцелевых станках требует создания систем, обеспечивающих возможность гибкого управления при выполнении различных технологических переходов. Это можно осуществить на базе микропроцессорных систем при прямом управлении многоцелевого станка.

В условиях автоматически переналаживаемого мелкосерийного производства при стохастическом характере процесса резания заданные на стадии программирования оптимальные режимы резания требуют определенной коррекции непосредственно на станке с учетом состояния технологической системы, характера процесса резания, фактических отклонений размеров и физико-механических свойств деталей. При этом важное значение имеет фактор оценки состояния режущего инструмента, степень его износа в данный момент времени. Стратегия управления в данном случае может быть различной.

Адаптивное управление циклом работы станков. Необходимость создания металлорежущих станков с адаптивным управлением, эффективных в условиях единичного и мелкосерийного производства, ставит задачу изыскания способов построения гибких технологических циклов обработки деталей на основе принципов адаптивного управления. На станках-полуавтоматах, работающих в крупносерийном и массовом производстве, жесткий автоматический цикл обработки обеспечивается средствами путевой автоматики. В цикле работы заранее предусматривается число проходов, траектория относительного перемещения инструмента, моменты переключения скоростей и подач. На станках g ЧПУ, имеющих большую технологическую гибкость и применяемых в мелкосерийном производстве, цикл обработки также выполняется в соответствии с предварительно заданной управляющей программой, в которой еще на этапе программирования закладывается необходимое число проходов, траектория и точки переключения режимов.

Построение гибких технологических циклов на основе адаптивного управления процессом преследует цель осуществления самонастраивания размерных связей технологической системы непосредственно на этапе обработки детали. Адаптивное управление циклом предусматривает:

• автоматическое определение момента контакта инструмента с деталью, что обеспечивает необходимые переключения режимов обработки;

• определение нужного момента ввода или вывода инструмента;

• определение требуемого направления относительного перемещения инструмента и запоминание координат точек вывода и входа;

• автоматическое формирование оптимальной траектории относительного перемещения режущего инструмента, что обеспечивает автоматическое распределение припуска по рабочим ходам.

Для обработки деталей на станках с использованием адаптивных систем, обеспечивающих самопрограммирование цикла, нет необходимости разработки и реализации полной программы цикла, как это требуется на обычных автоматах или станках с ЧПУ; достаточно короткой программы, определяющей окончательный контур детали. Формирование гибких циклов основано главным образом на информации, получаемой непосредственно в процессе резания от элементов технологической системы. При этом, как правило, измеряются параметры, характеризующие динамику системы. Измерение этих параметров позволяет автоматически фиксировать фазы протекания технологического процесса и соответствующим образом управлять им.

В процессе разработки программы для обработки детали на обычных станках с ЧПУ на траектории относительного перемещения режущего инструмента выбирают определенные точки, в которых предусматривается переключение подачи с быстрого подвода на рабочую при врезании или, наоборот, с рабочей на быструю при выходе инструмента. Для исключения поломки инструмента от врезания с большой подачей эти точки, как правило, располагают на расстоянии 3—5 мм от поверхности заготовки, имеющей наибольшие размеры. В результате этого при обработке партии деталей увеличивается вспомогательное время на перемещение инструмента вхолостую с рабочей подачей. Наличие на станке адаптивной системы позволяет по изменению нагрузки фиксировать момент входа и выхода инструмента, а затем с большим быстродействием изменять скорость продольной подачи.

Таким образом, можно подводить инструмент к детали и отводить его не на рабочих, а на более быстрых подачах. Можно проходить на форсированных подачах участки заготовок, не требующие обработки. В результате повышается производительность за счет уменьшения вспомогательного времени на отводы и подводы инструмента. Кроме того, при разработке программы отпадает необходимость внесения команд на переключение скорости продольной подачи, что существенно упрощает процесс программирования. Это особенно существенно при многопроходной обработке.

При выборе источника информации, определяющего момент контакта инструмента с деталью, прежде всего необходимо учитывать возможное время запаздывания при получении информации и быстродействие системы, обеспечивающей автоматическое уменьшение скорости подачи.

Запаздывание при получении информации и переключении подачи вызывает резкое увеличение нагрузки до значения, при котором возможна поломка режущего инструмента или другого наиболее слабого звена системы. Наименьшее запаздывание можно получить при использовании в качестве источника информации датчика линейных ускорений.

Использование адаптивного управления позволяет создавать системы, обеспечивающие автоматическое распределение припуска без предварительного задания фиксированного значения глубины резания t на каждый проход. При наличии такой системы на каждом рабочем ходе автоматически устанавливается оптимальная глубина резания с учетом фактической твердости материала детали, степени затупления инструмента и других факторов, определяющих нагрузку, действующую в системе.

При управлении размерами динамической настройки путем регулирования продольной подачи устанавливается определенная функциональная связь между глубиной резания t и продольной подачей S. С увеличением глубины резания подача уменьшается, а с уменьшением — увеличивается, обеспечивая поддержание заданного значения А_д или определенного силового параметра. В зависимости от глубины резания продольная подача может меняться в широком диапазоне от наибольшего значения S_max, соответствующего наименьшей глубине t_min, до наименьшего значения S_min соответствующего наибольшей глубине t_mах. В пределах этого диапазона существует определенное оптимальное значение подачи S_o, при которой обеспечивается съем общего припуска с минимальным временем цикла. Этому значению продольной подачи соответствует оптимальное значение глубины резания t на каждом из рабочих ходов, а следовательно, и оптимальное число проходов.

В соответствии с решаемой задачей системы адаптивного управления могут иметь разнообразные конструктивные варианты с различной степенью сложности их выполнения. В связи с этим затраты на создание и использование систем адаптивного управления на станках также могут быть различными. Поэтому важным является вопрос определения границ экономически целесообразных затрат по созданию систем адаптивного управления на металлорежущих станках. Рассмотрим вопрос рентабельности систем адаптивного управления при условии различной степени их эффективности, получаемой в результате повышения точности обработки детали, уменьшения штучного времени и повышения стойкости режущего инструмента.

Решение этого вопроса основано прежде всего на сравнении себестоимости детали, обработанной на обычном станке и на станке, оснащенном системой. Для того чтобы в общем случае определить границы экономически целесообразных затрат на создание систем адаптивного управления, необходимо исследовать, как велики будут затраты, связанные с системой при условии, что стоимость детали, обработанной с САдУ, будет меньше или в предельном случае равна стоимости детали, обработанной обычным способом.

Уменьшение себестоимости детали при использовании системы происходит в результате сокращения затрат времени на операцию, повышения стойкости инструмента, снижения необходимой производственной площади, достижения более полной загрузки электропривода станка.

Можно еще до начала проектирования САдУ рассчитать, исходя из ожидаемой эффективности системы, экономически целесообразные затраты на ее изготовление. Знание этого предела позволяет экономически обоснованно решить вопросы выбора принципиальной схемы, разработки конструкции и применения тех или иных элементов САдУ.