Моделирование управления производительностью, себестоимостью и точностью обработки деталей на станках с чпу

 Процесс достижения требуемой точности при изготовлении деталей на станках (в том числе и на станках с ЧПУ) включает три этапа:

Этап 1. Этап установки;

Этап 2. Этап статистической настройки ;

Этап 3. Этап динамической настройки

На этапе установки происходит ориентация и закрепление заготовки на столе – спутнике или на столе станка, установка спутника на станке, автоматическая установка режущего инструмента [17]. В результате формируется размер установки – A_У.

При статической настройке инструмент по программе выводится относительно технологических баз детали на размер A_С.

При динамической настройке в процессе резания в результате деформирования технологической системы СПИД формируется размер динамической настройки A_Д, т.е. размер между режущей кромкой инструмента и базой.

Т.е. у детали получается размер A = Aу + Aс + Aд. Мы рассмотрим вопросы моделирования управления точностью, производительностью и себестоимостью обработки на третьем этапе, т.е. в процессе обработки детали, т.к. именно размером А_Д управляют в САУ.

Состояние технологической системы во время выполнения процесса обработки заготовки характеризует комплекс значений:

- получаемая точность обработанной детали;

– потребляемая мощность;

– сила резания;

– крутящий момент;

– порождаемые нагрузками упругие перемещения;

– температурный режим системы;

- интенсивность изнашивания режущего инструмента;

- уровень вибраций;

– характер стружкообразования и т.д.

Эти параметры – переменные (внутренние параметры) состояния технологической системы. Они образуют вектор состояния системы

Возмущающие факторы (входные параметры):

- колебания силы резания;

- изменение твердости материала заготовки;

- переменная жесткость технологической системы;

- различная режущая способность инструмента и т.д.

Они образуют вектор

Воздействие на технологическую систему в процессе регулирования осуществляется через управляемые параметры:

- подачу;

- частоту вращения шпинделя ( - скорость резания) и т.д.

Эти параметры, являясь внутренними параметрами, здесь выступают в роли управляемых (управляющих) параметров. Они образуют вектор управления

На переменные (параметры) состояния и управления накладываются ограничения, например:

• требуемая точность обработки детали;

• допускаемые станком нагрузки (по силе, по мощности и т.д.).

Эти ограничения либо определяют область допустимых значений переменных, либо устанавливают дополнительные зависимости между переменными состояния и управления.

На стадии программирования (разработки управляющей программы для станка с ЧПУ) невозможно заранее и окончательно определить оптимальные режимы резания вследствие неполной определенности входных (возмущающих) параметров и т.д. Поэтому управлять подачей и скоростью резания необходимо непосредственно на станке. На станке с ЧПУ это осуществляется путем автоматической коррекции программы с целью изменения и на соответствующем переходе [26].

При создании САУ важным моментом является выбор источника информации, на основании которой осуществляется корректировка управляющей программы ( ). 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 . Они основаны на измерении упругих перемещений в отдельных стыках или в специально встроенных динамометрических устройствах. Их создание основано на выявлении зависимости между размером динамической настройки и составляющими силы резания :

где - коэффициенты, характеризующие степень влияния каждой из составляющих силы резания на .

измеряют с помощью динамометрических устройств.

Коэффициенты и определяются следующим образом. Проводят ряд экспериментов, в ходе которых изменяют в определенных пределом подачу и глубину. Для этих разных величин измеряют размер . Для получения функциональной зависимости осуществляют аппроксимацию экспериментальных данных методом наименьших квадратов (методом Гаусса):

При управлении процессом на этапе динамической настройки решается комплекс задач, связанных с управлением точностью обработки, с управлением режимами резания, обеспечивающими экстремум целевой функции (максимум производительности, минимум себестоимости операции). При этом используют системы предельного регулирования и системы оптимального управления.

 Адаптивные системы предельного регулирования

 Их сущность 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, параметры точности. В результате в процессе обработки непрерывно поддерживаются наибольшие предельные значения режимов резания ( ), при которых исключается возможность превышения заданных ограничений.

В системах предельного регулирования для управления процессом черновой и предварительной обработки, когда стремятся к максимальному использованию мощности оборудования, ограничения относятся главным образом к силовым параметрам нагрузки, действующей в технологической системе. Например, при обработке с постоянной мощностью резания закон изменения продольной подачи определяется выражением

где - мощность двигателя главного привода станка;

- коэффициент полезного действия главного привода станка;

- постоянная силы резания и показатели степени в выражении для составляющей силы резания .

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

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. Например, требование к шероховатости обработанной поверхности для токарных станков (в том числе и с ЧПУ) определяется следующим выражением [16]:

где - допустимая шероховатость обработанной поверхности.

 

Адаптивные системы оптимального управления

 С целью повышения эффективности обработки деталей в этих системах 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 установленных ограничений.

При условии обеспечения требуемой точности детали эффективность технологического процесса определяет себестоимость изготавливаемой детали и производительность обработки, зависящих от основного времени обработки.

Целевая функция времени, устанавливающая связь между параметрами режима резания и продолжительностью времени, затрачиваемого на операцию, имеет вид (для токарных станков с ЧПУ):

где - постоянные затраты, которые не зависят от режима обработки, мин;

Здесь - подготовительно – заключительное время на операцию, мин;

- размер партии обрабатываемых деталей;

- вспомогательное время операции, мин;

- время на обслуживание без учета времени на замену инструмента, мин;

- время на отдых рабочего, мин;

- затраты времени, связанные с заменой затупившегося инструмента и соответствующей поднастройкой технологической системы;

где - время на замену инструмента и соответствующую размерную настройку;

- диаметр и длина обрабатываемого вала;

- коэффициент для расчета скорости резания;

- скорость резания;

- подача;

- глубина резания;

, здесь - показатели степени в формулах для расчета режимов резания.

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

Целевая функция стоимости на примере обработки вала имеет вид:

где

Здесь - расходы на материал;

- расходы в единицу времени соответственно на эксплуатацию оборудования, приспособления, по зарплате с учетом накладных расходов;

- время на замену инструмента и соответствующую размерную настройку;

- стоимость инструмента за период его эксплуатации.

Первый член выражения определяет постоянные затраты на материал, расходы, связанные с подготовительно – заключительным временем и временем обслуживания. Второй член выражения определяет затраты на режущий инструмент и простои при его замене. Третий член выражения определяет расходы, связанные непосредственно с выполнением процесса резания. Далее оптимальные значения находят известными методами.

ЛЕКЦИЯ 9

Основы теории производительности и надежности автоматических

и автоматизированных станочных систем

Основные понятия о производительности

и надежности автоматических линий

 Производительность автоматической линии (АЛ) – это количество деталей, изготовленных в единицу времени [11].

Однако без простоев АЛ работать не может, следовательно, к понятию производительности нужно подходить дифференцированно. Различают следующие виды производительности АЛ:

1. Цикловую.

2. Потенциальную.

3. Фактическую (реальную)

Цикловая производительность определяется по следующей формуле:

где - время цикла, мин;

- основное время, мин;

- вспомогательное время на отвод и подвод инструментов, транспортирование деталей от позиции к позиции и т.д., мин.

При учете (расчете) цикловой производительности условно предполагают, что инструменты работают «бесконечно», оборудование не ремонтируется. В действительности это не так, и необходимо учитывать так называемые «внецикловые» простои АЛ. К ним относятся:

- простои во время замены, регулировки и подналадки инструментов в плановый период (например, в месяц);

- простои во время ремонта, регулировки и отладки различных механизмов АЛ в плановый период.

Если величину этих потерь времени отнести к одной детали, т.е. разделить на количество деталей , обработанных в плановый период, то можно записать формулу для потенциальной производительности:

где , мин; , мин.

При реальной эксплуатации АЛ могут иметь место потери времени по организационным причинам из-за отсутствия заготовок, электроэнергии, рабочего и т.д. - . Учет этих потерь позволяет судить о фактической или реальной производительности:

Очевидно, что выполняется следующее соотношение: .

Эффективность АЛ, ее технический уровень характеризует коэффициент технического использования:

Разделим числитель и знаменатель на , получим следующее выражение:

где - удельная, т.е. отнесенная к одной минуте работы линии длительность замены и наладки инструментов;

- удельная длительность устранения отказов механизмов линии.

Формула для потенциальной производительности может быть записана следующим образом:

Следует заметить, что коэффициент технического использования . Величина характеризует долю времени, в течение которого АЛ простаивает из-за плановых и внеплановых ремонтов механизмов, их замены и подналадки.

Коэффициент общего использования АЛ определяется:

Он показывает, какую часть действительного времени АЛ работает. Величина характеризует долю времени, соответствующую простоям по техническим и организационным причинам.

где - удельные, т.е. отнесенные к одной минуте работы потери времени по организационным причинам.

Формула для фактической производительности теперь запишется следующим образом:

Коэффициент технического использования АЛ, существенно влияя на ее производительность, зависит от количества узлов, сложности компоновки, надежности каждого узла и инструмента, т.е. от надежности АЛ в целом.

Надежность АЛ – ее свойство выполнять функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта.

Функция АЛ – ее средняя производительность при условии обработки деталей в соответствии с техническими требованиями чертежа и запланированной себестоимостью обработки.

Надежность АЛ характеризуется долговечностью, безотказностью и ремонтопригодностью оборудования.

Долговечность – это свойство АЛ длительно (с перерывами на ремонт) сохранять свою работоспособность при определенных режимах работы и условиях эксплуатации.

Количественно она оценивается средним сроком службы между ремонтами.

Безотказность – это свойство линии непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени.

Количественно она оценивается:

• вероятностью безотказной работы;

• интенсивностью отказов;

• наработкой на отказ и т.д.

В частности, наработка на отказ – это среднее значение времени работы между двумя последовательно возникающими отказами.

Ремонтопригодность – это приспособленность узлов и механизмов линии к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем ремонтов и технического обслуживания.

Количественно она оценивается средним временем восстановления работоспособности.