Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Управление качеством и дискретное регулирование технологической системы гидрорезания

Управление качеством и дискретное регулирование технологической системы гидрорезания

Под управлением качеством продукции понимают действия, осуществляемые при создании, эксплуатации или потреблении продукции в целях формирования, обеспечения необходимого уровня ее качества.

Управление качеством продукции предусматривает проверку показателей подобранных выборочных данных (показателей качества), обнаружение их отклонения от запланированных, а в случае обнаружения такого отклонения — определение причин и последующей корректировки процесса.

Именно такому непрерывному циклу управления — циклу Деминга — подчиняется технологическая система гидрорезания [1].

Основные принципы теории управления качеством и производительностью гидрорезания следующие (рис. 1):

  1. наличие показателей качества обработки;
  2. стремление процесса обработки отклониться от заданных условий и параметров качества вследствие взаимных перемещений в технологической системе гидрорезного оборудования (кинематические погрешности) и искажений под воздействием сверхзвуковой струи жидкости (ССЖ) (динамические погрешности);
  3. наличие необходимого средства для обнаружения и измерения отклонения качества от заданных значений;
  4. наличие возможности влиять на управляемый процесс с целью устранения возникающих отклонений от заданного качества.

Рис. 1. Последовательность этапов управления и обеспечения требуемого качества обработки

Показатели качества закладываются и фиксируются в технических условиях, заданиях, в чертежах и другой технической документации. После гидрорезания к поверхности предъявляются требования к геометрии и топографии, включая намокание кромки реза, макрогеометрические особенности, волнистость и др.

Из перечисленного становится очевидным, что первое требование общей теории управления применительно к качеству обработки поверхности ССЖ удовлетворяется.

Изменчивость качества поверхности реза детали определяется неустойчивостью многочисленных параметров процесса обработки. Например, при обходе контура детали необходимо замедлить скорость подачи сопла при входе в угол, при этом намокание кромки реза возрастает. Увеличение ширины реза является функцией замедления подачи. Поэтому при обработке толстого материала сложно обеспечить точность в углах контура.

Для получения требуемого качества оператор должен оценить воздействие различных технологических параметров процесса, которые затрагивают поведение сверхзвукового потока - обрабатываемого материала, давления истечения струи, диаметра отверстия сопла, подачи сопла относительно материала, толщины материала.

Таким образом, качество гидрорезания по своей сущности является объектом неустойчивым, стремящимся отклониться от заданного уровня заданных параметров. Следовательно, качество поверхности реза полностью отвечает первым двум условиям общей теории управления, и поэтому может служить объектом управления.

Управление изготовлением, т.е. технологическим процессом гидрорезания, осуществляется воздействием на вход и процесс, имеет свой объект, проблему и программу управления (рис. 2).

Рис. 2. Общая модель системы управления качеством и производительностью гидрорезания

Разнообразие качественных состояний, в которых находится поверхность реза, и флуктуации состояний создают значительные трудности для обобщенного представления о процессе в целом, а также для выбора критериев эффективности.

Качество поверхности реза формируется под влиянием большого числа факторов и характеризуется определенными значениями показателей качества.

При изменении состояния технологической системы гидрорезания соответственно изменяются величины технологических параметров, характеризующие протекание процесса во времени и пространстве.

В общем виде модель регулирования технологической системы гидрорезания можно представить в виде многомерного объекта, блок-схема которого приведена на рис. 3.

Рис. 3. Модель регулирования технологической системы гидрорезания

На входе управляемого процесса действует векторная переменная x(t) с составляющими x1(t), ..., xn(t). К этим переменным относятся факторы, характеризующие энергетические параметры струи (плотность рабочей жидкости ρж; давление ее истечения р; диаметр сопла d; коэффициент истечения сопла kc, зависящий от внутреннего профиля; расстояние между соплом и обрабатываемым материалом L).

Параметры, характеризующие объем разрушаемого материала в единицу времени, обозначены через векторную функцию k(t) с составляющими k1(t), ..., kn(t). К этим переменным относятся подача соплового аппарата S, толщина обрабатываемого материала h и ширина реза b. Входные переменные, характеризующие физико-механические свойства обрабатываемого материала, обозначены через векторную функцию z(t) с составляющими z1(t), ..., zn(t). Факторы, определяющие условия и характер обработки (контур детали, число проходов n; концентрация полимера в рабочей жидкости k; число отверстий в сопле и т.д.), обозначены через векторную функцию q(t) с составляющими q1(t), ..., qn(t).

Выходные переменные описываются вектором y(t) = [y1(t), ..., ym(t)]. Составляющими этого вектора будут характеристики полученной детали — размеры и отклонения, намокание кромки реза и т.п.

Необходимо отметить, что размерность векторов x(t), k(t), z(t), q(t), y(t) в реальном процессе гидрорезания очень велика и учесть все их составляющие невозможно, поэтому часть составляющих векторов x(t), k(t), z(t), q(t), y(t) рассматриваются как случайные функции. Значения выходных параметров y(t) зависят от векторов [x1(t), ..., xn(t) ], [k1(t), ..., kn(t)], [z1(t), ..., zn(t)], [q1(t), ..., qn(t)], при этом часть составляющих векторов x(t), k(t), z(t), q(t) могут быть управляющими. По отношению к каждой из выходных переменных вектора y(t) составляющие векторов x(t), k(t), z(t), q(t) могут рассматриваться как причины, и в общем случае их влияние сказывается на векторе y(t). Следовательно, при общем рассмотрении нет необходимости разделять переменные x(t), k(t), z(t), q(t), а необходимо объединить их в одну группу входных переменных .

Такое представление технологического процесса гидрорезания дает возможность рассматривать его формально как объект, систему преобразования случайных функций в случайные функции . Однако учесть все входные переменные невозможно, и практически приходится ограничиваться только небольшой частью основных, определяющих входных переменных, а остальные относить к неконтролируемым факторам.

С точки зрения системного проектирования, выбор критериев регулирования технологической системы гидроабразивного резания является наиболее ответственным этапом, поскольку тем самым определяется структура управляющей системы гидрорезания в целом.

Исходя из проведенных исследований [2—4], под критериями управления качеством и производительностью гидрорезания материалов следует понимать следующие параметры процесса: давление истечения струи р, МПа; скорость подачи сопла S, м/мин; диаметр сопла d, мм; расстояние от сопла до материала L, мм. Варьирование именно этих параметров приводит к соответствующему функционированию процесса гидрорезания, что делает его объектом обеспечения качества.

В то же время выбор параметров на основе выработанных экспериментальным путем рекомендаций, как правило, требует уточнения путем трудоемких экспериментальных исследований. При освоении производства изделий из нового материала приходится отыскивать близкие по физико-механическим свойствам известные материалы и назначать аналогичные режимы резания, а по мере накопления производственного опыта их корректировать.

При таком подходе управляющая система при выработке управляющего воздействия руководствуется лишь целью управления R(t). Управляющая система не получает информацию о текущем состоянии управляемой системы, т.е. о векторе состояния , который фактически может существенно отличаться от желаемого.

Подобный подход нельзя назвать оптимальным. Так как струя — "гибкий инструмент", это приводит к отклонению струи во время обработки. При резании по прямой линии обычно отклонение не учитывается, но при резании по сложной траектории с острыми углами отклонение необходимо учитывать. Когда струя приближается к углу, необходимо подать управляющий сигнал для замедления скорости подачи, для выравнивания точки входа и выхода, а после выхода из угла постепенно увеличить скорость подачи. При резании по прямой линии величина отставания струи зависит от скорости резания. При этом большая величина отставания приводит к коническому профилю реза, сужающемуся к выходу из материала. Поэтому необходимо устанавливать ограничение на максимальную скорость подачи сопла.

Кроме этого, следует устанавливать ограничения и на величину изменения скорости на каждой позиции по профилю реза. В пределах этих ограничений можно использовать максимальную скорость подачи для достижения высокой производительности.

Режущая способность струи оценивается исходя из полного прорезания материала при максимальной скорости подачи. В этом случае качество реза наихудшее, а поверхность реза имеет значительно лучшее качество, чем нижняя. И наоборот, достаточно медленное перемещение струи позволяет получить наилучшее качество.

Поэтому актуальным представляется разработка такой модели системы управления гидрорезанием материалов, которая позволила бы выявить взаимосвязь вектора состояний с управляющим воздействием без экспериментальных исследований.

С появлением мощных компьютеров появилась возможность разрабатывать программное обеспечение, способное не только моделировать взаимодействие между струей и материалом, но и программировать движение инструмента перед обработкой, оценивать время резания. Кроме этого, с помощью САПР можно вводить в программу обработки чертеж детали. Управление технологической системой гидрорезания можно осуществить непосредственно от компьютера (рис. 4).

Рис. 4. Схема управления качеством и производительностью гидрорезания

Эффективность такой системы управления определяется тем, что она сразу моделирует возникающие отклонения по отношению к заданному состоянию и соответственно имеет возможность оперативно реагировать на них.

На практике процесс управления в значительной степени определяется траекторией движения инструмента, который описывается отрезками и дугами (рис. 5). Путь движения сопла в плоскости XY может быть описан как ряд постепенно возрастающих значений dx и dy от начальной точки (0, 0). Шаги dx и dy могут быть расценены как команды, которые посылаются сервоприводу двигателя. Например, при движении на отрезке Р1Р2 необходимо постепенно замедлить скорость подачи сопла S для совмещения точки входа и выхода струи из материала непосредственно в точке Р2 и т.д. Дискретность состояний управляющей системы в ходе выполнения технологического процесса определяет изменение вектора состояний Y(t).

Рис. 5. Схема описания пути инструмента сегментами

В модели управления качеством и производительностью гидрорезания все дискретные события должны быть определены и зафиксированы с помощью независимой переменной. В качестве такой переменной принимается позиция по контуру детали Рn. Эта переменная изменяется дискретно, а ее шаг зависит от возможностей станка.

Таким образом, путь инструмента представляется рядом линий и дуг, причем для каждого участка определяются следующие параметры: позиция XY, характеристики кривизны сегмента r, параметры качества или производительности. Происходящие изменения в системе дискретного управления можно формализовать, поскольку они отражают логику взаимодействия ресурсов между собой и их можно отнести к регулярным событиям.

Регулярные события, происходящие в системе управления, могут быть упорядочены во времени, что особенно важно для управления скоростью и ускорением обработки, так как для этого необходимо управлять интервалом времени dt прохода инструмента от одной точки к другой.

Регулярные события можно представить как некоторое изменение состояния системы управления и описать следующим образом:

s = (tS, X-s, X+s),
где tS — момент времени свершения события;
X-s — состояние системы в предыдущей точке контура Pn-1,
X+s — состояние системы после прохождения точки контура Рn.

Это дает возможность уточнить понятие системы управления как дискретной, состав которой может быть описан счетным множеством ресурсов, и изменение состояния системы происходит в счетные моменты времени (рис. 6).

Рис. 6. Дискретное изменение состояний системы управления

Реализация изложенного дискретного подхода позволяет определить режимы гидроабразивного резания для каждого сегмента контура с обеспечением комплекса показателей качества поверхностного слоя и точности обработанной детали. Для этого можно использовать алгоритм многоуровневой оптимизации с рядом ограничений, обусловленных технологией, физикой и механикой процесса резания.

На первом уровне определяются режимы резания каждого сегмента контура детали, обеспечивающие максимальную производительность (рис. 7). Если в процессе оптимизации получаемые при рассчитанных режимах показатели качества поверхностного слоя и точности обработки удовлетворяют их заданным величинам, результаты расчета считаются окончательными, и алгоритм переходит на следующий уровень.

Рис. 7. Многоуровневый алгоритм дискретного регулирования технологической системы гидроабразивного резания

Иначе переменные процесса, влияющие на процесс гидроабразивного резания, например, скорость подачи сопла S, изменяются от исходного уровня, и проводится новая оптимизация.

На втором уровне проводится сшивка сегментов и аппроксимация контура детали. Это важный этап, так как, например, если два сегмента контура детали совмещаются в выпуклом углу, то для соединения необходимо добавить сегмент дуги. В противном случае профиль детали будет усеченный.

На третьем уровне вычисляются ускорения и замедления сопла при обходе контура детали. При заданных величинах режимов резания в углах и изгибах пути учитывается время, требуемое для выравнивания точки входа и выхода струи из материала. Кроме этого, если сопло резко ускоряется при прохождении острого угла, это может привести к неполному прорезанию материала или может вызвать отклонение струи, вследствие чего внешняя сторона угла материала будет со следами повреждения. На третьем уровне режимы резания после соответствующей корректировки считаются окончательными, процесс оптимизации заканчивается.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах высших учебных заведений и научных организаций Минобразования России PD02-2.10-133.

Литература

  1. Мишин В.М. Управление качеством. ЮНИТИ, 2002. 303 с.
  2. Тихомиров Р.А., Петухов Е.Н. Гидрорезание судостроительных материалов. Л,: Судостроение, 1987. 164 с.
  3. Барсуков Г.В. Управление системой технологического обеспечения качества поверхности деталей в процессе резания сверхзвуковой струей жидкости // Справочник. Инженерный журнал. Приложение Современные проблемы технологии машиностроения. 2003. № 8. С. 19—24.
  4. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Кобяков Е.Т. Расчетное обоснование выбора параметров опорной поверхности настила машиностроительных текстильных материалов при раскрое сверхзвуковой струей жидкости // Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 7. С. 21-23.

    Г.В.Барсуков, канд. техн. наук (Орловский государственный технический универстет)
    Справочник. Инженерный журнал №7, 2004, стр.53-57

Статьи партнеров