Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Самообучающиеся автоматизированные технологические системы

Самообучающиеся автоматизированные технологические системы

В статье рассматриваются вопросы создания самообучающейся автоматизированной технологической системы при управлении качеством обрабатываемых поверхностей деталей на токарной операции.

Одним из путей повышения качества и точности механической обработки является метод, основанный на оперативном вмешательстве в ход технологического процесса. Это возможно благодаря использованию адаптивных технологических систем управления (АТСУ). В настоящий момент наибольшее распространение получили АТСУ точностью механической обработки. Поэтому создание адаптивных систем управления качеством обрабатываемых поверхностей является перспективным направлением развития АТСУ. Тем более, что иногда требуется технологически обеспечивать закономерное его изменение на различных участках одной и той же рабочей поверхности трения.

Для функционирования АТСУ необходимо иметь математическую модель, которая описывала бы взаимосвязь между выходным параметром технологического процесса (параметры качества обработанной поверхности) и входными параметрами управления (режимы резания).

Имеющиеся теоретические и эмпирические зависимости позволяют предсказывать параметры качества обработанной поверхности после механической обра ботки. Однако эти зависимости не учитывают воздействие на технологическую систему (ТС) случайных факторов (колебание глубины резания, твердости материала заготовки, переменная жесткость ТС и пр.), что приводит к рассеянию параметров качества обработанной поверхности. Кроме того, имеющиеся эмпирические зависимости могут быть использованы только при тех условиях, при которых они были получены. Поэтому зачастую требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований, которые значительно увеличивают время технологической подготовки производства.

Использование современных микропроцессорных систем в управлении технологическим оборудованием позволяет перейти на следующий, более высокий, уровень развития АТСУ - создание самообучающихся автоматизированных технологических систем (CATC), значительно сокращающих это время,

Работа CATC заключается в получении математической модели, связывающей условия обработки и параметры качества обработанной поверхности, и использование полученной модели для управления технологической системой по любому из параметров качества, Структурная схема CATC представлена на рис.1.

В состав системы входят следующие элементы: технологическая система (ТС); датчик (Ц), снимающий информацию о текущем значении параметра качества обработанной поверхности; устройство ввода (УВВ2) . информации о текущем значении параметра качества обработанной поверхности; устройство вывода (УВВ1) управляющего воздействия в цифровом виде; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); система управления электропривода (СУЭП); ПЭВМ, выполняющая роль управляющей системы,

В настоящее время при создании автоматизированных систем управления технологическим оборудованием важнейшая роль отводится не аппаратным средствам, а алгоритму управления и программному обеспечению. Поэтому алгоритм работы следует рассматривать как неотъемлемую часть CATC. Алгоритм работы CATC представлен на рис. 2. В нем можно выделить две основные части: режим "обучение" и режим "работа".

Рис. 1. Структурная схема самообучающейся автоматизированной технологической системы

Рис. 2. Алгоритм работы самообучающейся автоматизированной технологической системы

Работает система следующим образом. Перед началом обработки партии деталей вводятся исходные данные: материал обрабатываемых деталей, геометрия инструмента, режимы резания, жесткость технологической системы, требуемое значение параметра качества обработанной поверхности и допуск на это значение. По введенным данным система анализирует, имеется ли в базе данных соответствующая им математическая модель. Если в базе данных нет соответствующей математической модели, то система автоматически переходит в режим "обучение".

Задачей режима "обучение" является получение математической модели. Для этого необходимо на станке обработать пробную деталь - образец. При этом инструмент, его геометрия, материал образца и глубина резания должны быть такие же, как и при обработке последующей партии деталей.

Образец разбивается на участки, затем каждый из них автоматически обрабатывается с заданными режимами резания (у, v), и контролируются параметры качества обработанной повер-хности. Контроль параметров качества обработанной поверхности осуществляется в процессе обработки системой автоматически. При этом определение параметров качества обработанной поверхности в процессе обработки может производиться как прямыми методами измерения, так и косвенными через другие характеристики процесса. Например, практика показала, что параметры шероховатости лучше измерять непосредственно во время обработки. Параметры остаточных поверхностных напряжений и микротвердость лучше измерять косвенными методами, путем измерения сил резания и температуры в зоне резания.

Данные о входных и выходных параметрах заносятся автоматически в ЭВМ, и получается математическая модель вида:

П=С0sxvy, (1)

где П - управляемый параметр качества обработанной поверхности; s - величина продольной подачи, мм/об; v -скорость резания, м/мин; С0, х, у -коэффициенты модели.

Использование двухфакторной модели обусловлено тем, что управлять качеством обработанной поверхности в процессе обработки можно изменением величины продольной подачи (s) и скорости резания (v). Остальные входные факторы - материал заготовки, глубина резания, инструмент и т.д. - остаются неизменными.

Полученные коэффициенты и условия "обучения" запоминаются в памяти ПЭВМ и используются в дальнейшем при управлении. При изменении инструмента, его геометрии, материала деталей, глубины резания и т.п. необходимо будет опять провести обучение системы.

После того как математическая модель была получена, приступают к обработке партии деталей, используя режим "работа".

В этом режиме система вначале определяет условия обработки, величину продольной подачи и скорость резания. Величина подачи или скорости резания определяется и устанавливается на станке системой автоматически на основе заданного значения параметра качества поверхности и полученной математической модели (1). Для этого из модели (1) получают закон управления, отражающий количественную связь междууправляемым параметром и управляющим воздействием. Управляющее воздействие (скорость или подача) вначале выбирается по превалирующему влиянию на параметр качества обрабатываемой поверхности.

Например, при обеспечении заданного значения параметра шероховатости скорость резания вначале обработки остается постоянной. Это объясняется тем, что наибольшее влияние на формирование шероховатости обработанной поверхности оказывает величина продольной подачи [1]. Поэтому процесс управления шероховатостью поверхности будет заключаться в следующем. Вначале происходит управление в результате изменения величины продольной подачи до тех пор, пока не будут достигнуты ограничения по подаче, т.е. пока не достигнуты значения smin и smax. Максимальное значение подачи smax определяется техническими характеристиками станка. Минимальная подача smin ограничивается значением smin=0,08 мм/об, так как управление шероховатостью с подачей меньше этой величины является малоэффективным [2].

Так как в полученной математической модели (1) невозможно учесть все случайные факторы, возникающие в ТС при обработке, то необходимо периодически контролировать параметр качества поверхности и вносить, если это необходимо, соответствующие поправки в ход процесса.

Например, если превалирующее влияние на управляемый параметр качества поверхности оказывает подача, то в этом случае закон управления будет иметь вид

где v — расчетное значение скорости резания; sск — скорректированное значение продольной подачи; sp — расчетное значение продольной подачи; Δs — поправка на величину продольной подачи, которую необходимо внести в процесс обработки, чтобы параметр качества поверхности достиг требуемого значения или находился в пределах допуска на требуемое значение, рассчитывается по зависимости

Δs=(ΔП/(C0vy))1/x, (3)

где ΔП - отклонение параметра качества обработанной поверхности от требуемого значения.

Знак коррекции, т.е. увеличение или уменьшение продольной подачи, система определяет сама автоматически на основе результата сравнения заданного значения параметра качества обработанной поверхности и измеренного.

Если возможности управления параметром качества поверхности в результате изменения величины продольной подачи исчерпаны, т.е. достигнуто одно из ограничений по подаче, то управление параметром качества поверхности осуществляется изменением скорости резания. При этом система запоминает последнее изменение подачи и фиксирует его на этом уровне. В этом случае закон управления будет иметь вид

где Vск - скорректированное значение скорости резания; vp - расчетное значение скорости резания; Δv — поправка на величину скорости резания, которую необходимо внести в процесс обработки, чтобы шероховатость поверхности достигла требуемого значения или находилась в пределах допуска на требуемое значение, рассчитывается по формуле

Δv=(ΔП/(C0sx))1/y, (5)

Если же изменением скорости резания не удалось достичь требуемой величины параметра качества обработанной поверхности, то происходит фиксирование скорости резания на том уровне, при котором обеспечивается наиболее близкое значение параметра качества поверхности к заданной величине. Далее изменением подачи система добивается нужного значения параметра качества обработанной поверхности.

В настоящее время ведется работа по созданию самообучающейся автоматизированной системы обеспечения требуемого параметра шероховатости (Ra) обработанной поверхности на базе уже разработанной адаптивной системы обеспечения требуемого параметра шероховатости. В разрабатываемой системе реализуется принцип управления, при котором управление шероховатостью вначале происходит в результате изменения подачи, а затем - скорости резания. В этом случае будет справедлив алгоритм и зависимости, приведенные выше. В качестве математической модели в ранее разработанной системе использовалась теоретическая зависимость [2], связывающая шероховатость обработанной поверхности с условиями обработки.

Другими важными параметрами качества поверхностного слоя, от которых также зависят эксплуатационные свойства деталей машин, являются остаточные напряжения и степень упрочнения поверхностного слоя детали. Как известно, этими параметрами можно управлять через температурно-силовое воздействие на обрабатываемую поверхность посредством скорости резания и продольной подачи, при условии, что остальные входные факторы остаются неизменными.

Для обучения такой системы необходимо также произвести обработку пробной детали и получить информацию о температуре и силе резания. Информацию о силовых параметрах и температуре в зоне обработки можно получить с помощью динамометрического устройства и термопары.

На основе полученной информации о температуре и силе резания определяются математические зависимости вида

T=Ctstxvty, (6)
Pz,y,x=Cpspxvpy, (7)

где Т- температура в зоне резания; tx, ty, Ct - коэффициенты для модели (6); Pz,y,x - составляющие силы резания; Сp,px,py - коэффициенты для составляющих сил резания модели (7).

Кроме полученных зависимостей необходимо иметь закон управления, который бы связывал остаточные напряжения или степень упрочнения с режимами обработки через температуру и силу резания. Для определения закона управления необходимо знать степень влияния скорости резания и продольной подачи на выходные параметры процесса. Дальнейшие действия аналогичны вышеописанным. Параметр управления, который оказывает наибольшее влияние на выходные показатели процесса, изменяется первым с учётом всех ограничений, а затем управление передаётся другому параметру.

В режиме "работа" происходит измерение силы резания и температуры в зоне обработки, расчёт по полученным данным выходных параметров процесса, степени упрочнения или остаточных напряжений, сравнение расчётных и требуемых параметров и принятие решений.

Работа выполняется при финансовой поддержке Министерства образования РФ в рамках гранта (шифр - PD02-2.10-185) молодых учёных

Литература

  1. Петрешин Д.И. Система адаптивного управления процессом резания по параметру шероховатости обработанной поверхности // Машиностроение и техносфера ХХI века // Сборник трудов МНТК в 3-х т. ДонНТУ. 2002. Т. 2. С. 234-236.
  2. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение. 2002. 684 с.

Справочник. Инженерный журнал. №1, 2004, с.14-17
А.Г. СУСЛОВ, Д.И. ПЕТРЕШИН, Д.Н. ФИНАТОВ

Статьи партнеров