1.2. Система «Станок-процесс резания» как объект управления.
В общем случае систему управления механообработкой можно представить в виде совокупности объекта управления и устройства управления, связанных между собой каналами прямой и обратной связи. (рис.5). Металлорежущий станок совместно с процессом обработки детали и установленными на станке двигателями рабочих механизмов является объектом управления. В устройство управления входят приводы рабочих механизмов, система ЧПУ, датчики механического перемещения рабочих органов станка и режимов обработки. Станок с выполняемым на нем процессом обработки называется динамической системой станка. Эта система образуется совокупностью упругой системы механизмов и рабочих процессов их взаимодействия. Упругая система состоит из собственно станка, приспособлений инструмента и детали (заготовки). Поэтому ее называют сокращенно — (СПИД) – Станок – Приспособление – Инструмент – Деталь. Рабочие процессы — это обработка резанием, а также сопровождающие ее процессы рения в механизмах, электромагнитные и гидродинамические процессы в двигателях рабочих механизмов.
Рис. 5. Структурная схема системы "станок – процесс резания"
УЧПУ осуществляет преобразование управляющей программы обработки детали в последовательность команд управления работой отдельных элементов станка. Координатами вектора управляемой величины являются следующие показатели результатов процесса механической обработки:
точность размера изготовленной детали,
параметры шероховатости обработанных поверхностей,
производительность обработки,
экономичность обработки.
Отклонения размеров детали от заданных при обработке на станке происходят из-за погрешностей, обусловленных несовершенством механической части станка, инструмента и рабочих механизмов, а также процессов, связанных с системой управления. Погрешности устройства управления включает в себя следующие составляющие:
Погрешность воспроизведения заданных движений, определяемых свойствами приводов подачи.
Погрешность программы, обусловленные ошибками аппроксимации траектории и дискретностью сигналов.
Погрешностью линий связи, обусловленные обменом данными между элементами станка.
Основной частью объекта управления является процесс резания, представляющий сложный физический процесс, при котором возникают упругие и пластические деформации, сопровождаемые большим трением, тепловыделением, наростообразованием, усадкой стружки, износом инструмента и рядом других факторов.
К погрешностям объекта управления, которые являются специфическими как с точки зрения технологического процесса, так и с точки зрения нагрузки на приводы, относятся:
Размерный износ режущего инструмента;
Изменение температуры системы «станок-процесс резания»;
Изменение жесткости системы по координате перемещения режущего инструмента;
Колебания твердости металла и заготовки;
Погрешность установки заготовки и т.д.
Следовательно, станок вместе с процессом резания является сложным объектом со случайными во времени характеристиками, зависящими от большого числа переменных, и наличием недостаточной априорной информации об объекте или возмущениях. Эта недостаточность определяет тем, что режущие свойства инструмента непрерывно изменяются. Кроме того, свойства системы СПИД не определены, так как подвержены ряду трудно выявляемых случайных возмущений. Каждая конкретная деталь может характеризоваться колебаниям входных параметров – размеров и свойств.
Управляющие величины, возмущающие действия и управляемые координаты, характеризующие процесс механической обработки, функционально взаимосвязаны. Исследования показывают, что точность изготовления детали зависит от управляющих величин и возмущающих воздействий. Производительность обработки зависит от параметров резания, которые определяет технолог и закладывает в программу обработки.
Значения входных переменных, представляющих собой совокупность показателей, характеризующих материал и размеры заготовки, технические характеристики приспособлений, инструмента, станка находятся в интервалах, задаваемых технологическими допусками на процесс резания.
Управляемые процессом переменные, такие как подача, скорость резания, глубина резания и ряд других величин, также подчинены определенным физическим ограничениям. К ним относятся вибрации в системе, экономическая стойкость инструмента, температура в зоне резания.
Выходные переменные должны характеризовать технико-экономические показатели работы объекта управления. Это данные о скорости образования обработанной поверхности, производительности системы и т.д.
Таким образом, анализируя основные переменные, участвующие в технологическом процессе обработки детали, можно отметить, что этот процесс характеризуется взаимосвязанными переменными, влияющим на ход технологического и производственного процесса и его результаты. СПИД можно отнести к сложным многоканальным объектам управления с наличием взаимно коррелированных входных и выходных переменных. Сложность объекта проявляется в значительном числе параметров, определяющих течение процесса резания, в большом числе внутренних связей между параметрами. Отметим, что эта сложность усиливается возникновением обратных связей между параметрами, изменяющими ход процесса резания.