Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Управление системами и процессами. Учебное пособие
.pdf
Информационное сообщение, оформленное в виде слов, называется
кадром. Кадры управляющей программы несут в себе информацию по отдельным технологическим переходам, основным и вспомогательным командам. Различают главный кадр – первый кадр в последовательности
кадров, характеризующий начальное состояние следующего за ним участка управляющей подпрограммы.
Формат кадра – это условная запись структуры кадра с
максимально
возможным объемом информации (страница, строка и т.д.).
В зависимости от системы управления формат кадра определяет порядок слов, объем информации.
При обработке информации в машине применяется своеобразная
терминология.
В качестве элементарной единицы информации принята двоичная
единица – бит.
Бит (binary digit, bit) – это количество информации, получаемой в
результате однократного выбора из двух
равновероятных событий (орел –
решка).
В битах формально можно измерить любую информацию, которая
измеряется в цифрах. При этом совершенно не учитывается смысловое содержание информации, ее полезность, ценность для пользователя.
При обработке информации в машинах ради удобства представления
слов в виде совокупности неделимых частей стандартной длины в качестве
таких частей выбраны 8-разрядные
порции. Поэтому наряду с битом получила распространение укрупненная единица – байт. 1 байт = 8 битам.
1 байт – укрупненная единица измерения информации.
Например, если блок памяти имеет емкость 1000 байт, то это означа-
ет, что в нём можно хранить текст длиной 1000 знаков.
В физике существует понятие энтропии, которая характеризует сте-
пень неупорядоченности (хаотичности) физической системы
. Неупорядоченность можно интерпретировать в смысле того, насколько малоизвестно
наблюдателю о данной системе. Как только наблюдатель выявил чтонибудь о системе, энтропия системы снизилась, т.е. для наблюдателя система стала более упорядоченной. Энтропия – это мера оценки вероятности появления того или иного сообщения. Таким образом, энтропия системы выражает
степень ее неупорядоченности, а информация дает меру ее
организации.
Измерение только количества информации не отвечает потребностям
потребителей информации – необходима мера ценности информации.
Проблема определения ценности информации исключительно актуальна в
настоящее время, когда уже трудно даже с помощью компьютеров обработать мощные информационные потоки.
21
Информация называется полезной, если она уменьшает неопределенность решающего алгоритма.
Не имеет смысла говорить о ценности информации, содержащейся в
сигнале, если не указаны задача, которая решается, и свойства декодирующего алгоритма.
Кроме того, для понимания и использования информации ее получатель должен обладать определенным запасом знаний.
Количество полезной (ценной) информации, извлекаемой
получате-
лем из поступающих сообщений, зависит от его подготовленности.
1.4.2. Прямая и обратная связь в системах управления
Управление предполагает, что существует некоторый орган, систематически или по мере необходимости вырабатывающий управляющее
воздействие на основе полученной информации. Основным источником
информации служит программа управления (ПУ). Она может быть сообщена системе заранее
и называется задающей информацией (ЗИ).
Задающая информация, зафиксированная тем или иным способом,
называется программой, а материальный носитель, на котором она зафиксирована, называется программоносителем.
В программе задаются сведения о характере движения рабочих органов, их синхронизации, режимах работы (например, режимы резания), различные технологические и другие команды.
Другим источником информации
является сам объект или технологический процесс. Существующие датчики позволяют получать информацию о фактическом положении, скорости движения рабочих органов, деформациях в технологической системе, температуре в зоне резания и т.д.
Эту информацию называют информацией обратной связи, а датчики, с помощью которых она собирается, называются датчиками обратной связи.
Обратная
связь – информация о текущем состоянии объекта или
процесса, которая подается обратно на вход системы для корректировки в
случае появления отклонений.
Пример. В процессе обработки происходит износ режущего инструмента и, следовательно, изменяется размер детали, шероховатость обрабатываемой поверхности. Выяснить, как износ инструмента влияет на изменение параметров детали, можно с
помощью специальных датчиков. Знание закономерности изменения параметров детали в процессе обработки
позволит исключить возможность выхода этих параметров за допустимые
пределы (пределы поля допуска).
Следует помнить, что внешние возмущения вызывают нарушение
предварительной настройки технологической системы и задающая информация искажается. Обратная связь, увеличивающая влияние входа системы
22
р
на ее выход, называется положительной. Обратная связь, уменьшающая
это влияние отрицательной. Отрицательная обратная связь способна
восстановить равновесие в системе, когда оно нарушается внешним воздей-
ствием. Метод управления, основанный на использовании обратной связи,
нашел широкое применение как в системах управления техническими объектами, так и в организационно-административных системах.
Чем больше
каналов информации, тем выше качество работы систе-
мы управления.
2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ОБЪЕКТАМИ
2.1. Характеристика объектов управления
Всякий процесс управления подразумевает наличие одного или нескольких объектов
управления и управляющей ими системы
(рис. 2.1).
Под СУ понимается совокупность
средств, стремящихся обеспечить группе объектов, объединенных общностью задач, до
стижение определенной цели.
-
Рис. 2.1. Структура
п
оцесса управления
Объектами управления применительно к задачам производства являются:
- основное технологическое оборудование;
- вспомогательное оборудование;
- средства технологического оснащения (оснастка);
- оперативный персонал;
- системы технологической подготовки производства.
Состав основного технологического оборудования, как и других
компонентов, существенно зависит от вида обработки (резание, давление,
сборка).
Основное технологическое оборудование для обработки резанием
может включать универсальные станки, станки с ЧПУ, станки-автоматы,
гибкие производственные модули, промышленных роботов и роботизированные технологические комплексы на их базе. Количество станков и модулей в составе производственной системы (цеха, участка) может коле-
баться в значительных пределах от 23 единиц до нескольких десятков
единиц оборудования. При большом числе
станков и разновидностей их
моделей система управления производством значительно усложняется.
Вспомогательное оборудование это чаще всего складские системы,
транспортные устройства, измерительные машины.
23
В функции транспортной системы входят: перемещение заготовок,
деталей, полуфабрикатов в соответствии с технологическими маршрутами
их обработки, подача обрабатываемых деталей на рабочую позицию основного технологического оборудования, подача инструмента и приспособлений с мест централизованного хранения.
Складская система предназначена для приема, хранения норматив-
ного запаса заготовок и комплектующих изделий, выдачи в производство
и
учета основных материалов и заготовок, вспомогательных материалов, порожней тары, инструмента и приспособлений, накопления и временного
хранения готовых изделий, отходов производства, бракованных деталей с
целью обеспечения эффективного производственного процесса. Через
склады производственные подразделения (цех, участок) связываются с
внешними по отношению к ним системами предприятия (с другими производственными подразделениями,
с внутризаводским транспортом и т.д.).
Средства технологического оснащения – в технологическом процессе металлообработки, кроме самого станка, участвуют также различные
приспособления, режущий и контрольный инструмент, детали. Все эти технические средства при перемещении от складов к рабочим позициям, от одной рабочей позиции к другой, к местам контроля образуют материальные
потоки
, которые обеспечивают реализацию технологических процессов.
Материальные потоки также являются объектом управления.
Для управления технологическим оборудованием используются си-
стемы путевого управления, управления от кулачков, управления по копирам, числового программного управления, программируемые командоаппараты, микроЭВМ, микропроцессоры и др.
Такие устройства управления отдельными единицами оборудования
принято называть локальными системами управления, а всю
их совокуп-
ность относят к нижнему уровню управления.
Локальная система управления (ЛСУ) – устройство управления от-
дельной единицей оборудования.
В настоящее время локальные системы управления, как правило,
строятся на базе микропроцессоров или микроЭВМ. В этом случае в зависимости от мощности вычислительных и программных средств локальные
системы управления на нижнем уровне управления
могут активно взаимодействовать с общей системой управления. Для организации этого взаимодействия ЛСУ должны иметь каналы связи с ЭВМ верхнего уровня, а в состав программного обеспечения локальных систем управления должны
входить соответствующие программные комплексы.
На рис. 2.2 показана структура оборудования с выделением локаль-
ных систем управления.
24
)г)
а) б) в
Рис. 2.2. Структура оборудования с выделением локальных систем ЛСУ:
а – станка; б – робота; в – транспортно-складской системы (ТСС);
г – транспортной накопительной системы (ТНС)
Система управления считается автоматической, если основные функ-
ции управления осуществляются в ней без участия человека автоматически.
Различают системы управления отдельными механизмами, выполняющими элементарные циклы; перемещением заготовки или инструмента; зажимом заготовки; перемещением руки промышленного робота и т.д.;
обеспечивающие управление общим циклом работы оборудования (станка,
робота, транспортера и т
.д.).
2.2. Системы управления общим циклом работы оборудования
Для управления всем технологическим циклом работы оборудования, в том числе и системами, осуществляющими выполнение отдельных
циклов, применяют СУ общим циклом. Эти системы в зависимости от степени централизации и вида синхронизации подразделяют на централизованные, децентрализованные, комбинированные.
Централизованные СУ осуществляют управление
работой всех име-
ющихся приводов от единой общей программы. Классическим примером
таких СУ служат кулачковые системы управления от распределительного
вала или от командоаппарата. Такие системы имеют жесткую синхронизацию работы целевых механизмов. Продолжительность технологического
цикла в них величина постоянная. Благодаря своей простоте и надежности эти СУ нашли широкое
применение в токарных автоматах, некоторых
сборочных машинах и в автоматических линиях. К недостаткам централизованных СУ следует отнести необходимость иметь дополнительные
предохранительные устройства, позволяющие исключать аварии в случае
неполадок отдельных механизмов, так как управляющие команды от центрального пульта управления подаются к приводам вне зависимости от действительного положения исполнительных рабочих
органов и их состояния.
Децентрализованные СУ представляют собой фактически набор си-
стем управления отдельными циклами, имеющими свои блоки управления
25
(БУ) и свои программы с задающей информацией. Синхронизация работы
этих систем чаще всего осуществляется с помощью датчиков и различных
переключателей, включаемых упорами, установленными на движущихся
рабочих органах. Все основные целевые механизмы здесь связаны между
собой так, что выполнение отдельного цикла одним механизмом разрешает
работу другому. Такое управление позволяет обойтись без
сложной блокировки. Недостатки этих СУ заключаются в том, что датчики, выдающие
информацию о завершении цикла тем или иным механизмом, часто устанавливают близко к зоне резания или в агрессивной среде. Такие условия
работы датчиков снижают их надежность.
Комбинированные СУ представляют собой промежуточное решение
между централизованными и децентрализованными СУ. Они имеют
центральный пульт управления (ПУ), от которого управляется большинство
приводов агрегата. Задающая информация поступает на этот пульт от общей программы. Такое управление позволяет также иметь системы, управляющие отдельными циклами. Эти СУ снабжены индивидуальными БУ и
индивидуальными программами. Комбинированные системы представляют собой более гибкое управление. Современные агрегаты в
основном
оснащают комбинированными системами управления.
2.3. Системы управления отдельными циклами
Каждый станок состоит из исполнительных устройств, которые, взаимодействуя, выполняют или способствуют выполнению той работы, для
которой предназначен данный станок, а именно операции, заданной технологией обработки изделия.
Под автоматическим циклом работы станка, отдельного исполнительного механизма станка (например, магазина
инструментов или стола),
участка станочных модулей или гибкого автоматизированного производства понимают программируемую последовательность движений основных органов станка, а также последовательность всех действий, необходимых для нормального функционирования оборудования при изготовлении
единицы продукции.
По назначению, характеристикам и принципам работы, а значит, и по
управлению можно выделить следующие группы исполнительных устройств
:
1) Формообразующие устройства. Рабочие органы станка связаны с
формообразованием изделий и процессами позиционирования, т.е. передвигают заготовку (или инструмент) по программируемым координатам во
время обработки или перед обработкой. Они образуют либо простые движения (вращательные или поступательные), либо при их совместной работе сложные движения как результат суммирования простых
движений. К
этой же группе частично относятся некоторые движения манипулирова-
26
ния, а именно те, которые обеспечивают поиск объекта при смене режущего инструмента или заготовки. Отличительным свойством данной группы
является то, что траекторию и путь движения можно изменять в зависимости от вводимой программы.
2) Манипулирующие устройства. Эти устройства предназначены для
выполнения постоянных команд, связанных с автоматическим циклом работы оборудования.
Они изменяют режимы резания, направления и скорости перемещения механизмов станка, инструмента, управляют охлаждением, сменяют режущий инструмент или заготовку, закрепляют их, транспортируют и складируют и т.п. Такие устройства имеют чаще всего неизменяемую (стационарную) систему управления, однако момент ввода в
действие и последовательность их работы могут быть различными
. Цикл
их работы определяется программой обработки.
3) Вспомогательные (исполнительные) устройства. Эти устройства
предназначены для обслуживания процесса обработки, например обеспечивают автоматическую уборку отходов, смазывание станка, отсос тумана
и пыли, работу гидро- и пневмосистемы станка и др. Обычно они имеют
автономную систему управления.
Наиболее важными и сложными по своему управлению являются
первая
и частично вторая группы устройств. Характерным для них является управление траекторией движения, длиной пути и командами сложных
циклов.
Стандартный (постоянный) цикл связан с работой определенного инструмента и выбранной операцией обработки (например, сверление, нарезание резьбы метчиком и др.); обычно он является составной частью общего цикла работы оборудования.
Цикл работы зависит от составленной заранее схемы взаимодействия
управляющей аппаратуры.
Системы управления отдельными циклами можно разделить на две
группы: 1) системы нечислового программного управления, 2) числового
программного управления.
2.4. Системы нечислового программного управления
В системах нечислового программного управления в отличии от
ЧПУ траектория движения рабочих органов станка, последовательность
этих движений определяются программой,
зафиксированной на
программоносителе. В качестве программоносителя использются упоры,
копиры, кулачки.
К таким системам управления относятся: системы путевого управле-
ния, кулачковые системы, системы управления от копиров.
27
Системы путевого управления (СПУ) применяют при автоматизации
прямолинейных движений инструмента (или другого органа) с постоянной
скоростью. Длина пути задается здесь соответствующей расстановкой
упоров на барабанах, линейках или на самом станке (его направляющих).
Упоры могут выполнять функцию ограничителя перемещения (называются жесткими упорами). Для исключения поломок в цепи привода
устанавливают звенья, реагирующие
на превышение крутящего момента
или давления (воздуха, жидкости). В качестве предохранительных звеньев
в электромеханических системах применяют предохранительные муфты, а
в гидравлических и пневматических предохранительные клапаны. Упоры
могут быть также переключателями соответствующей аппаратуры управления приводов.
В расставленных определенным образом упорах заключена инфор-
мация о размерах детали.
На рис. 2.3 приведена
схема системы управления с такими переключателями. При достижении рабочим органом 1 заданного положения упоры 6 действуют либо на управляющие элементы 5 (на золотники, клапаны
гидравлических, пневматических приводов или на кулачковую муфту
электромеханического привода, разрывая кинематическую цепь), либо на
переключающие устройства приводов через блок управления или непосредственно на них
.
Рис. 2.3. Схема путевого управления: 1 – рабочий орган (суппорт);
2 – привод; 3, 4 – блоки управления; 5 – управляющие элементы
(датчики); 6 – упоры; 7 – обрабатываемая деталь;
I, II, III, IV, V – обрабатываемые ступени детали
В данном примере упоры расставлены на барабане таким образом,
чтобы обеспечить получение требуемого профиля заготовки (участки профиля I – V). На станках токарной, фрезерной, расточной, сверлильной
28
упр
групп упоры расставляются на продольных или поперечных направляющих станка.
В качестве переключаемых механизмов широко применяют электрические конечные выключатели и микропереключатели контактного и бесконтактного действия.
Путевые системы имеют следующие недостатки:
1) Точность работы этих систем часто недостаточна. Только в наиболее совершенных системах, оснащенных устройствами для снижения скорости
при подходе к упору, точность находится в пределах 0,01–0,06 мм, а
в обычных 0,1 мм и ниже.
2) Жесткие упоры воспринимают ударные усилия, связанные с инерционностью движущихся масс, поэтому они подвержены интенсивному
износу и разрушению и указанная выше точность сравнительно быстро
теряется.
3) Системы с упорами имеют низкую мобильность.
Эти СУ позволяют
автоматизировать небольшое количество мерных
перемещений, и не пригодны для функционального управления.
Достоинствами этих систем являются сравнительная конструктивная
простота и невысокая стоимость.
Системы управления с упорами нашли применение для автоматизации токарных, револьверных и фрезерных станков в условиях крупносерийного производства.
Системы управления от кулачков. Кулачковые системы, являющиеся
простейшими по схеме
автоматики контурными системами (со сложным
движением), относят к разомкнутым системам управления механического
типа из-за отсутствия активного потока информации о фактическом местонахождении исполнительных устройств (нет обратной связи).
В кулачковых системах управления в качестве программоносителя
используются модели-аналоги обработки в виде заранее запрограммированных профилей кулачков (рис. 2.4).
Траектория движения исполнительного
органа станка или его отдельных механизмов
определяется профилем кулачка. Программирование кулачков, т.е. придание им определенного профиля, ведут по заранее разработанным циклограммам обработки деталей.
Суммирование или синхронизация движений происходят за счет установки и закрепления кулачков на общем распределительном
Рис.2.4. Кулачковая
система
авления
валу. При вращении этого вала движения от
29
рабочих профилей кулачков через рычаг и толкатель передаются на исполнительные устройства, осуществляющие сложное формообразование. За
один оборот распределительного вала совершается полный цикл обработки.
Изменяя профиль кулачков, можно получить любой закон изменения
пути движения рабочих органов. Однако профиль должен учитывать как
динамические свойства механизма передачи движения, так и возможное
заклинивание толкателя
(угол наклона профиля ограничивается углом трения толкателя и кулачка). Значительные силы трения в зоне контакта толкателя с кулачком, а также в опорах рычажного механизма снижают КПД
механизма и приводят к его интенсивному износу. Учитываются также
ограничения по скорости вращения кулачка. Кулачок обеспечивает строго
дозированные (прямое и возвратное) перемещения,
являясь одновременно
программоносителем и тяговым механизмом (частью привода).
Основной недостаток всех кулачковых механизмов заключается в
кулачках: в их интенсивном износе и потере точности, которые возникают
в связи с совмещением функций силового механизма и функций управления; в трудности изготовления и корректирования профиля кулачков. К
тому же кулачковые механизмы обеспечивают сравнительно небольшие
ходы перемещения (до 200–300 мм).
Системы управления по копирам, или копировальные системы, применяют для автоматического управления скоростью и перемещением рабочего органа, находящегося длительное время в работе. В этих системах
управления задающую информацию несет копир. Системы получили распространение в металлорежущем оборудовании для обработки ступенчатых и фасонных поверхностей.
В
копировальных системах управления задающая информация зафиксирована в профиле копира. Копир можно рассматривать как кулачок,
развернутый на плоскость.
Рассмотрим принцип работы такой системы (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Копировальная система программного управления:
1 – гидроцилиндр; 2 – продольная каретка; 3 – щуп;
4 – копир; 5 – поперечная каретка; 6 резец
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]