3.9. Управление другими факторами технологического процесса для повышения точности и производительности обработки

Управление шероховатостью поверхности детали. Параметры режима резания, особенно подача на оборот S, мм/об, оказывают при прочих равных условиях значительное влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности. Поэтому при выборе требуемого значения подачи необходимо учитывать указанную зависимость. Вследствие колебания входных данных заготовки и затупления режущего инструмента постоянство установлен- ной S, мм/об, меняется, что приводит к изменениям шерохова- тости обрабатываемой поверхности. Управление шероховатостью поверхности особенно необходимо при использовании САдУ, когда подача или частота вращения шпинделя являются регули- руемыми параметрами. Таким образом, необходимо поддержи- вать постоянной величину S, мм/об, независимо от указанных регулируемых параметров.

Регулируемый привод главного движения

Регулируемый привод подача

~*

Измерение частоты вращения

Измерение [корост/, частоты t

линейной i или вращения

J Микропроцессорный 1 1 модуль |! L Определение подачи на оборот 4 Т

Задатчик

блок сравнения ^—

-\

J

Рис. 3.24. Структурная схема САдУ шероховатостью поверхности

Структурная схема системы автоматической стабилизации шероховатости обрабатываемой поверхности показана на рис. 3.24. В блоке определения подачи на оборот вычисляется соотношение скоростей подачи и главного движения, которое и равно подаче на оборот с точностью до постоянного коэффициента. Фактиче- ское значение 5Ф, мм/об, сопоставляется с заданной величиной в блоке сравнения. Аппаратная часть системы управления реа- лизуется на базе микропроцессорного модуля. Управление состоянием поверхностного слоя. Кроме точности к числу показателей качества относится состояние поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, которое определяется глубиной и степенью наклепа поверхностей, величиной остаточных напря- жений в поверхностных слоях. Управление необходимо для полу- чения заданных значений показателей, обеспечивающих требуе- мые эксплуатационные характеристики деталей. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения или разупрочнения, завися- щих от преобладания в зоне резания силового или теплового фак- торов. Увеличение силы резания Р повышает степень наклепа. Увеличение продолжительности ее действия на поверхностный слой вызывает увеличение глубины распространения наклепа. Изменение режимов обработки, приводящее к увеличению тем- пературы в зоне резания, усиливает интенсивность разупрочнения и уменьшает степень наклепа. Увеличение силы Р приводит к ро- сту остаточных напряжений сжатия и снижению напряжений рас- тяжения при обработке малопластичных материалов. Изменение режимов резания, приводящее к возрастанию температуры реза- ния, вызывает рост остаточных напряжений растяжения и умень- шает напряжения сжатия. Повышение температуры может вы- звать фазовые изменения поверхностного слоя и появление до- полнительных остаточных напряжений. САдУ обеспечивают контроль и стабилизацию на заданном уровне главных факторов, определяющих состояние поверхност- ных слоев: температуру и силу резания. САдУ не только стабили- зируют параметры качества поверхностного слоя, но и обеспе- чивают необходимые номинальные значения путем ввода силового и теплового режимов. 137

Управление температурными деформациями технологической системы. При обработке в технологической системе возникают температурные деформации, являющиеся следствием действия широкого спектра факторов, влияние которых различно в зави- симости от конкретных условий. Погрешности, вызываемые тем- пературными деформациями звеньев технологической системы, сказываются, с одной стороны, на изменении размера Ае, а с дру- гой — на изменении размера Лд, что обусловлено изменением динамической жесткости системы. Кроме того, изменения точ- ностных показателей деталей происходят из-за температурных деформаций самих деталей. Наиболее рациональным средством сокращения таких погрешностей является использование САдУ, Наиболее интенсивному тепловому воздействию подвергается режущий инструмент, так как он при резании находится в зоне высоких температур. Изменения температурного поля приводят к изменению размеров режущего инструмента и появлению погрешностей обработки. Теплота распределяется между деталью, режущим инструмен- том и стружкой:

где Х„, Хр. „, Хс — коэффициенты, характеризующие долю теп- лоты, отводимую соответственно в деталь, режущий инструмент и стружку; (PtU/427) t — количество теплоты, выделяющееся при резании; здесь т — время резания, мин. Количество теплоты, поступающей в резец в единицу времени,

При постоянстве входных данных заготовок и параметров режима резания температурные удлинения режущего инстру- мента (в частности, резца) в зависимости от времени его работы достаточно точно подчиняются экспоненциальному закону. Однако при колебании входных данных заготовок (в частности, z) харак- тер температурных деформаций меняется. Поэтому необходимо применять САдУ. На рис. 3.25 показана система термостабилизации в зоне резания при токарной обработке. Информация о температуре ре- зания в виде термоЭДС между заготовкой и режущим инструмен- том через блок коррекции поступает на СУ, где сравнивается с сигналом, поступающим от ЗУ. Блок коррекции учитывает особенности каждого нового инструмента в соответствии с его кодом, передаваемым устройством ЧПУ (УЧПУ). Сигнал с вы- хода СУ управляет регулируемым приводом главного движения. Номинальное значение скорости главного движения задается в исходной программе. В процессе регулирования режима резания необходимо обес- печить постоянство подачи на оборот, которая связана с частотой вращения шпинделя обратно пропорциональной зависимостью.

188

Для этого на шпинделе расположен фотоэлектрический датчик угла поворота, информация с которого поступает в УЧПУ. По- следнее использует алгоритм, соблюдающий при управлении приводом подачи указанную обратно пропорциональную зави- симость. Такое управление процессом резания обеспечивает увеличение стойкости инструмента, сохранение постоянной шеро- ховатости обработанной поверхности, повышение производитель- ности обработки. Новым подходом к решению задачи повышения точности и производительности обработки является использование микропро- цессором. Учет факторов, определяющих геометрические погреш- ности обработки, сводится к созданию либо эмпирическим, либо аналитическим путем математической модели станка, которая затем закладывается в вычислительное устройство, ведущее управление, ходом процесса обработки. В этом случае станок оснащают системой первичных преобразователей (датчиков), да- ющих информацию о режиме, силе резания, температурном ре- жиме обработки, координатах положения режущего инструмента, реализуемых в соответствии с УП. Получаемые данные о состоя- нии технологической системы вводят в вычислительное устройство, которое расчетным путем определяет вид и уровни сигналов кор- рекции, поступающих в УЧПУ, или непосредственно на соответ- ствующие рабочие органы станка. Использование вычислительных устройств позволяет управлять процессом обработки по свобод- ному параметру путем всесторонней оценки состояния техноло- 139

гической системы. Кроме того, вычислительное устройство может само изменять стратегию управления процессом обработки, опре- деляя наиболее рациональное изменение состояния того или иного устройства системы, например, воздействуя на подачу S, скорость резания v и обеспечивая необходимые дополнительные переме- щения рабочих органов станка.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается сущность начальной установки детали, статической и динамической настройки технологической системы? 2. В чем заключаются основные принципы адаптивного управления»'ходом технологического процесса? 3. На каких функциональных принципах осуществляется построение систем адаптивного управления? 4. Какие параметры используют в качестве источника информации о ходе технологического процесса обработки? 5. Как осуществляется управление статической настройкой технологической системы? 6. Как работает система адаптивного управления динамической настройкой технологической системы? 7. Какова последовательность разработки и принцип работы системы ком- плексного управления статической и динамической настройкой технологической системы?

4 ДИСКРЕТНЫЕ ЦИКЛОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ДИСКРЕТНЫХ АВТОМАТОВ

Теория дискретных автоматов (ТДА) — теория построения структуры релейных устройств — решает три основ- ные задачи: синтеза, т. е. получения структуры релейного устрой- ства по заданным для нее условиям работы (например, цикло- грамм, таблиц включения, заданной последовательности во вре- мени срабатывания элементов устройства и т. д.); минимизации (равносильные преобразования), т. е. получение более простой структуры при точном сохранении соответствия заданным для нее условиям работы; анализа, т. е. определение для уже готовой структуры устройства условий ее работы (например, определение последовательности действующих во времени сигналов, выявле- ние действия устройства при повреждении и т. д.). Практическое -фименение ТДА значительно сокращает время разработки структуры устройства и получения более совершен- ных схемных решений. Представляя структуру в виде некоторых аналитических выражений, теория позволяет не заботиться о по- лучении простых решений. Достаточно получить любую струк- туру, обеспечивающую заданные условия работы. Используя формулы преобразования, можно провести минимизацию и при- вести полученную структуру к виду, содержащему наименьшее число элементов или удовлетворяющему каким-либо другим тре- бованиям. Под устройством релейного (дискретного) действия (УРД) или дискретным автоматом понимают устройство, перерабатывающее или распределяющее по заданной программе информацию, поступающую и выдаваемую в виде дискретных сигналов. УРД (рис. 4.1) можно представить как ориентированный многопо- люсник. Входы xlt х2> ..., хп — полюсы, на которые поступают сигналы извне, а выходы ylt t/2, ..., ут — полюсы, через которые сигналы поступают в другие устройства. Основной особенностью УРД является то, что состояние его выходов меняется скачкообразно при соответствующих изменениях параметра входного сигнала X, на который должно реагировать данное УРД. УРД обладают ре- лейной характеристикой (рис. 4.2), т. е. при переходе входной 141

Впади •

Устройство релейного действия

1т'

>. выходы

Рис. 4.1. Устройство релейного дей- ствия

величины х через' пороговое значение х0 выходная величина у изменяет свое значение скачкообразно. УРД может состоять из нескольких элементов релейного дей- ствия (ЭРД), имеющих релейные характеристики. ЭРД, как и УРД, должен обладать свойством переходить из одного состояния в другое и обратно под воздействием соответствующего внешнего управляющего сигнала. Путем соединения соответствующих ЭРД можно построить УРД любой сложности. Одним из важнейших свойств как ЭРД, так и УРД является направленность, т. е. возможность передачи сигналов только от входов к выходам. Другим важным свойством является независимость входов и вы- ходов УРД, заключающаяся в том, что сигнал, поступивший на один из входов (выходов), не вызывает появления сигналов на других входах (выходах). Среди многочисленных элементов релейного действия с двумя состояниями наиболее распространены: контактные и бесконтакт- ные конечные включатели, электромагнитные реле, электронные ключи, пневматические элементы и др. УРД по принципу работы их элементов во времени разделяются на два класса: однотактные и многотактные. УРД, у которых значение каждого сигнала на выходе yt (i — \, 2, ..., m) в момент времени t однозначно определяется значением входного сигнала xt (i — 1, 2, ..., п) в тот же момент времени t и не зависит от после- довательности их поступления, называют однотактными (комбина- ционными) дискретными автоматами. В них не предусматривается последовательность срабатывания элементов при поступлении входных сигналов во времени. В таких автоматах каждой комби- нации входных сигналов соответствует одна и только одна комби- нация состояний элементов и определенная комбинация выходных сигналов. Поведение однотактного автомата с п входами и т вы- ходами (рис. 4.3) описывается следующей системой уравнений:

Эта система уравнений описывает только связь сигналов между входами и выходами и не дает никакого представления о внутренней структуре автомата, примером которого может слу- жить схема, представленная на рис. 4.4. Цепь исполнительного

о о

Рис. 4.2. Релейная характеристика Рис. 4.3. Однотактный автомат элемента замыкается при включении одного или двух из трех воспринимающих элементов (кнопок) xlt xt, xs. В многотактных УРД значения выходных сигналов у{ (/ = 1, 2, ..., т) в момент времени t зависят как от конкретной комбина- ции входных сигналов xt (i = 1, 2, ..., п) в момент времени t, так и от предыдущих входных воздействий, которые были при- ложены. Для того чтобы выходные сигналы зависели от предыду- щих входных воздействий, автомат должен обладать памятью. Поэтому в таком автомате в отличие от однота'ктного наряду с входными сигналами существенным является внутреннее состоя- ние, которое запоминается элементами памяти. Структурная схема многотактных автоматов приведена на рис. 4.5. Поведение много- тактного автомата описывается следующей системой уравнений: 5(0); S(/-!, где yt (t) — значение i'-го выходного сигнала в момент времени /; X (t) = {*! (t), xt (f), ..., хп (t)\ — комбинация входных сигналов в момент времени t; S (t) = fa (t), s2 (t), .... sp (t)} — комбина- ция состояний элементов памяти в момент времени t; Sj (/) — состояние /-го элемента памяти в момент времени t. Число всевозможных комбинаций входных сигналов, если каждый входной сигнал может принимать два значения, для одно- тактных автоматов N = 2", где п — число входных сигналов. Для многотактных автоматов,

Рис. -4.4. Схема однотактного автомата: *i, *t. Xi — кнопки включения (входные сигналы); А, В, С — обмотки реле, вос- принимающих входные сигналы; а. Ь, с — замыкающие контакты реле А, В, С; а', Ь', с' — размыкающие контакты реле А, В, С

Рис. 4.5. Структурная схема много- тактного автомата

143

если состояния элементов памяти рассматривать как дополни- тельные входные сигналы, число всевозможных комбинаций вход- ных сигналов N — 2п+», где га — число входных сигналов; р — число элементов памяти. Таким образом, использование элементов памяти в много- тактных автоматах расширяет область определений выходных функций, что позволяет различать последовательности поступле- ния входных сигналов во времени.

4.2. ЗАПИСЬ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДИСКРЕТНОГО АВТОМАТА

Автомат, сигналы, на входах которого условно могут принимать только два значения, называют дискретным. Для дискретных автоматов условия работы можно записать более компактно, чем в виде таблицы соответствий. Значениями дву- значных сигналов могут быть 0 или 1, меньше или больше, нет тока или есть ток, разомкнута цепь или замкнута, реле не работает или работает и т. д. Когда условия работы автомата формируются в терминах должно быть, может быть и не должно быть, задание работы автомата можно задавать в виде наборов номеров тех состояний (комбинаций тех входных сигналов), при которых выходной сигнал должен принимать значение 1 (обязательные состояния) и при которых может принимать значение 1 (условные состояния). В общем случае для выходного сигнала у условие работы автомата при г обязательных и s условных состояниях запишется в следующем виде: У = {fli, аа, • • -, flr(*i. bt ..... Ь,)\в= [0(у)}в, где а4 — номера обязательных состояний; О — набор обяз.атель- ных состояний; bt — номера условных состояний; у — набор условных состояний; В — базис. Определим понятие «базис». Допустим, что имеется п двузнач- ных сигналов Л о, AI, Аъ ..., An-i. Если каждому сигналу At присвоить вес 2[, тогда можно составить соответствующую таб- лицу. Так как сигналы At могут принимать два значения 0 и 1, то каждому сочетанию значений (х0, хг, xz, ..., хп^) можно ста- вить в соответствие десятичное число N = х0-& + хг-& + *,-2а Н ---- -f *п_1.2'-1. Число N называют номером состояния входных сигналов (А0, Аг, Аг, .... 4n_i), а табл. 4.1 — базисом. Другой, наиболее удобной формой записи условия работы дискретного автомата является запись в виде алгебраической формулы. Для этого вводят понятие конституента единицы. Конституент единицы от п входных сигналов — это такая функция, которая принимает значение, равное единице только для одной и*

4.1. Базисная таблица

2»

А,

1»

At

2»

А*

. . .

. . .

2 ч— 1

An— l

комбинации значений выходных сигналов, а для остальных 2""1 комбинаций значений входных сигналов она равна нулю. С использованием функции конституента единицы можно утверждать, что каждое состояние входа задается своей консти- туентой единицы. Для записи условия работы однотактного авто- мата введем обозначение Ki/Q, которое указывает, что вместо данной дроби можно взять Kt или 0. Используя функцию консти- туенты единицы и обозначение Kt/Q, функцию выхода у однотакт- ного автомата можно записать через обязательные и условные состояния в следующем виде:

где Каг, Kat, •••, Каг — конституенты единицы для обязатель- Кь, — конституентыных состояний а\, а^, .... аг; Кьг, -К*,, единицы для условных состояний blt Ь3, ..., bs. В общем случае для однотактного автомата с т-выходами условие работы запишется в следующем виде:

rl ft

где Kai, K. i, ..., Kat — конституенты единицы для обязатель- 1 2 rl ных состояний f-ro выхода а{, а12, ..., alr(; Kbi, Kbi, •••, Kbt — конституенты единицы для условных состояний 1-го выхода b[, Ь2, .... b,i.