Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Предельного управления - файл


скачать (359.1 kb.)


  1. Классификация адаптивных систем.

2, Адаптивные системы предельного и оптимального управления

АдСУ предельного управления обеспечивают постоянное значение параметров АдСУ резания при действии различных возмущений.

 На рисунке выше приведена структурная схема такой АдСУ. Она позволяет использовать полную мощность станка.

При наличии измерительного устройства, контролирующего упругое отжатие, АдСУ стабилизирует это отжатие изменениями подачи s при колебаниях припуска и твёрдости заготовки. На плакате 5.6 приведены примеры обработки деталей и графики изменения подачи s по длине детали.



АдСУ оптимального управленияобеспечивают автоматическое определениескорости резания и величины подачи для обеспечения экстремального значения целевой функции нескольких аргументов-критериев H(k1; k2;,…) процесса обработки (по точности, производительности и себестоимости обработки) с учётом технических ограничений и возмущающих воздействий (колебаний припуска, твёрдости и режущих свойств инструмента). Программа-оптимизатор такой системы с помощью оператора-менеджера путём введения поправок регулирует параметры скорости резания и величины подачи до тех пор, пока значение целевой функции Н не попадёт в оптимальную зону.

4, Управление обработкой по возмущению и по ошибке обработки

8,Управление по априорной информации.



Такое управление формируется непосредственно в CAMсистеме при проектировании управляющей программы на основании исходных данных о поверхности детали, которую нужно обработать, заготовке, инструменте и некоторых других, известных на этом этапе сведений. В качестве примера проектирования такого управления, которое преследует цель стабилизации условий резания на станке, можно привести последнюю версию CAM-системы для фрезерной обработки PowerMill-2013 фирмы Delcam [6]. Управление (оно названо стратегией Vortex) проектируется на основе априорной информации, которая содержится в геометрических параметрах взаимодействия инструмента и заготовки. На рис.1 проиллюстрированы основные соображения, принятые при проектировании управления: угол резания при обработке контура детали с постоянным (эквидистантным) припуском изменяется от 460 на прямолинейном участке до 910 на участке внутреннего контура. Рис. 1. Изменение угла резания при обработке контура детали Разработанная фирмой Delcam стратегия управления Vortex предусматривает стабилизацию угла резания за счет сообщения инструменту и заготовке относительного движения по специальной трохоидальной траектории [6]. Таким образом, разработчики стратегии пошли по пути управления геометрическими параметрами, а не составляющими режима резания. 1 Рис. 2. Стратегия Vortex Трохоидальная траектория (линия 1 на рис.2) рассчитывается исходя из геометрического взаимодействия фрезы, как цилиндрического тела, без учета зубьев, а в качестве критерия для стабилизации процесса резания взят также чисто геометрический параметр – угол контакта, который поддерживается на постоянном уровне. Такой подход во-первых снижает адекватность модели (даже геометрической) взаимодействия инструмента и заготовки, а во-вторых угол контакта только косвенно связан с главной характеристикой процесса резания – ISSN 2305-9001. Вісник НТУУ «КПІ». Серiя машинобудування №2 (68). 2013 46 скоростью срезания припуска – MRR (Material Removal Rate) [7], по которой можно оценивать стабилизацию процесса. Движение по трохоидальной траектории на высоких подачах (HSM) привело к искажению заданных в спроектированной программе параметров движения [8]. Это вызвано тем, что сигнал от стойки, которая снабжена опцией Look Ahead, проходит через привод станка, который играет роль фильтра и является как минимум апериодическим звеном первого порядка. В зависимости от характеристик станка, желаемой траектории и величины подачи возможна задержка выполнения траектории по времени (рис.3). Привод + стойка станка с ЧПУ Движение на станке Задержка по времени Команда - программа Y Y X X Рис. 3. Искажение параметров движения по трохоидальной траектории Таким образом возникла необходимость учитывать динамические параметры конкретного станка, на котором реализуется эта стратегия обработки. Компания Delcam, осознавая всю сложность адекватного расчета на базе априорной информации, разработала специальную тестовую программу Machine DNA Profiler, которая выполняет серию автоматизированных тестов, чтобы определить фактические характеристики. Результаты тестов обрабатываются программой в автоматическом режиме и используются в дальнейшем при выборе стратегии обработки (параметры фактически воспроизводимой трохоидальной траектории) для конкретного станка. Ясно, что для использования такой опции станок должен быть оборудован датчиками обратной связи по координатам, а это имеется далеко не на всех станках с ЧПУ, особенно старых моделей. Кроме того, обработка по трохоидальным траекториям в большинстве случаев предполагает выполнение дополнительного прохода для удаления гребешков на обработанной поверхности, что приводит к увеличению времени обработки (рис.4). На кафедре технологии машиностроения НТУУ «КПИ» разработана новая концепция проектирования управляющих программ для станков с ЧПК по априорной информации [8]. В качестве управляющего воздействия используется подача по эквидистанте, закон изменения которой рассчитывается автоматически при моделировании процесса из условия его стабилизации по критерию силы резания. Метод можно проиллюстрировать на примере проектирования управляющей программы для 2,5D фрезерования контура детали, образованного двумя прямыми и сопрягающей дуги окружности. Для решения задачи моделирования была разработана математическая модель срезания припуска, алгоритм которой представлен в работе [9]. Алгоритм выполняет расчет цифровых моделей контура детали, заготовки, эквидистанты и при моделировании процесса автоматически на каждом шаге определяет координаты точек начала и конца дуги резания. На интерфейсе программы моделирования (рис.5, а) представлен результат моделирования обработки контура детали 1 при движении по эквидистанте 2 концевой фрезы 3 с постоянной подачей (линия 4 на осциллографе 1). Точки начала и конца дуги резания (точка А и В соответственно) определяют дугу резания, график изменения которой показан линией 5, а график изменения средней окружной составляющей силы резания, рассчитанной по формулам, представленным в работе [9], показан линией 6. Очевидно, что процесс является существенно нестационарным и нуждается в управлении. Прикладная программа позволяет проводить моделирование в различных диапазонах изменения параметров, которые показаны в поле исходных данных, а разработанный алгоритм моделирования учитывает реальный процесс фрезерования – срезание припуска каждым зубом фрезы. Просмотр результатов моделирования такого процесса возможен на осциллографе 2. На рис.5, б показан момент моделирования при входе фрезы в обработку радиусной поверхности детали. Площадь резания (линия 7) каждым зубом фрезы изменяется, увеличиваясь в соответствии с увеличением дуги резания, аналогично изменяется и окружная составляющая силы резания (линия 8). Следует гребешки Рис. 4. Поверхность детали после трохоидального фрезерования ISSN 2305-9001. Вісник НТУУ «КПІ». Серiя машинобудування №2 (68). 2013 47 заметить, что, не смотря на изображение в графическом окне проекции сверху – для вертикально-фрезерного станка, разработанная математическая модель учитывает угол наклона лезвия зуба фрезы и толщину заготовки. Поэтому график площади резания представляет суммарную площадь резания при нахождении в зоне резания одного, двух и более зубьев фрезы. По окончании моделирования на интерфейсе появляется окно «Записать файл управления» и соответствующая кнопка, что позволяет сохранить результаты моделирования для последующего формирования управляющей программы обработки такой поверхности детали. 1 2 3 4 5 6 А В 1 2 3 А В 7 8 а б Рис. 5. Моделирование процесса фрезерования с постоянной подачей Созданная программа также позволяет моделировать процесс фрезерования с управлением подачей по эквидистанте. Для этого в окне «Режим резания» выбирается опция «с управлением» и загружается файл, который был сохранен на предыдущем этапе моделирования (рис.6, а). Изменение главных параметров процесса резания изображается в окне осциллографа, закон управления подачей показан линией 4, дуга резания (линия 5) на изменяется по сравнению с фрезерованием с постоянной подачей, а средняя составляющая окружной силы резания стабилизируется на уровне 320Н (линия 6). При таком управлении также достигается квазистабилизация суммарной площади резания каждым зубом фрезы и окружная составляющая силы резания (линия 7 и линия 8 соответственно на рис.6, б – сравните с рис.5). Все остальные обозначения на рис.6 такие же как и на рис.5. 1 2 3 4 5 6 А В 1 2 3 А В 7 8 а б Рис. 6. Моделирование процесса фрезерования с управлением подачей ISSN 2305-9001. Вісник НТУУ «КПІ». Серiя машинобудування №2 (68). 2013 48 Для проверки адекватности спроектированного управления был проведен эксперимент на вертикальнофрезерном станке с ЧПУ VF-3 фирмы HAAS в лаборатории учебно-тренингового центра НТУУ «КПИ» - HAAS (рис.7, а) при обработке аналогичного участка детали. Для регистрации условий фрезерования был использован монитор стойки ЧПУ станка (рис.7, б) на котором отображаются значения текущих координат по управляемым осям и загрузка соответствующих приводов (область 1 на рис.7, б), а также загрузка шпинделя главного движения (область 2 на рис.7, б). При обработке проводилась видеосъемка экрана монитора стойки, что позволило оценить протекание процесса фрезерования на всех участках контура детали. 2 1 а б Рис. 7. Обработка детали на станке VF-3 HAAS (а) и экран монитора стойки с ЧПУ (б) Анализ результатов видеосъемки полностью подтвердил достигнутую при спроектированном управлении стабилизацию процесса фрезерования – загрузка шпинделя на всех участках была постоянной и составляла 40%. Измерения обработанного контура выявили еще одно преимущество процесса с управлением подачей – точность обработанного контура увеличилась примерно в 2 раза по сравнению с обработкой при постоянной подаче. Сравнение разработанного метода управления со стратегией Vortex демонстрирует некоторые преимущества, заключающиеся в том, что метод обеспечивает стабилизацию процесса фрезерования по главной его характеристике – силе (мощности) резания, может быть реализован на любых станках с ЧПУ без тестирования их динамических характеристик. Кроме того, учитывая возможность моделирования процесса срезания припуска каждым зубом, создаются предпосылки к оптимизации процесса резания, а именно, выбору такого уровня изменения средней подачи и частоты вращения фрезы, которые в условиях действия ограничений, в частности по шероховатости обработанной поверхности, позволяют обеспечить максимальную производительность.

9,Управление режимами резания по текущей информации.



Идея стабилизации процесса резания с помощью замкнутых систем автоматического управления (САУ) была реализована учеными школы Б.С.Балакшина еще в 80-е годы прошлого столетия. Однако неразвитость элементной базы, вычислительной техники и станков с ЧПУ не позволили довести экспериментальные образцы до промышленного использования. Значительные преимущества таких САУ в стабилизации процесса резания привлекали ученых и производственников и в настоящее время наконец появились надежные промышленные образцы. Фирма Omative System (США) предлагает систему, построенную на использовании текущей информации, реализованную на современном уровне для станков с ЧПУ, которые уже выпускаются ведущими фирмами и оборудованы различными датчиками. Именно эти датчики и используются фирмой в качестве датчиков обратной связи для своих САУ. Основная идея, реализованная в САМ системе фирмы состоит в том, что в соответствии с информацией, получаемой от датчика в процессе обработки (например по мощности двигателя главного движения станка с ЧПУ) автоматически изменяется (переписывается) подача, величина которой была предварительно задана в управляющей программе в G-кодах рис.8 [10]. За счет этого стабилизируется процесс резания и гарантируется существенное повышение производительности при разных видах обработки. Учитывая, что обычно подача выбирается технологомпрограммистом исходя из наихудшего сочетания условий резания, средний уровень подачи при управлении со стабилизацией мощности резания будет значительно выше, а значит, увеличивается производительность обработки. Причем, поскольку применяется текущее управление непосредственно через стойку ЧПУ и контроллеры приводов, фирма разработала разные версии, адаптированные к стойкам станков ведущих производителей: Siemens, Fanuc, Heidenhain. Как определяется необходимое соотношение, по которому выполняется регулирование – know how фирмы. Учитывая перспективность такого управления и большой опыт по расчету и проектированию САУ, нами начаты работы в этом направлении. Уже создано и апробировано на станке SL20 HAAS программное ISSN 2305-9001. Вісник НТУУ «КПІ». Серiя машинобудування №2 (68). 2013 49 обеспечение для получения в цифровом виде текущей информации со станка во время резания. Доказано, что разработанное программное обеспечение позволяет адекватно идентифицировать различные характеристики процесса резания на станке с ЧПУ. Экспериментальные исследования подтвердили способность программного обеспечения выполнять функции канала обратной связи в системе автоматического управления процессом резания [11]. а б Рис. 8. Управление подачей Omative System при фрезеровании (а) и структура САУ для стойки Sinumerik (б) Функциональная схема САУ on-line управления процессом резания на станке с ЧПУ (рис.9) предусматривает использование некоторой характеристики процесса (например, мощности P), которая может измеряться на станке в процессе обработки, в качестве цели управления и автоматического изменения воздействия на процесс (например, подачей F) для стабилизации этой характеристики на заданном уровне (рис.9). привод шпинделя датчик мощности программа идентификации модуль управления программа регулятора контроллер F P Рис. 9. Функциональная схема Часть функциональных блоков САУ, обведенных пунктирной линией на рис.9, реализована программным методом в ПК, а модуль управления воздействует на стойку через стандартный разъем аналогично ручному управлению маховиком уменьшения или увеличения текущей подачи. В настоящее время разрабатываются математические модели управления, с помощью которых будет автоматически рассчитываться закон изменения подачи.

10.Управление по апостериорной информации.



Такой метод управления используется преимущественно для повышения точности обработки путем коррекции формообразующей траектории [12]. Поскольку при обработке на станке с ЧПУ в балансе погрешности изготовления детали львиную долю занимает погрешность, вызванная упругими деформациями технологической обрабатывающей системы (ТОС), возникает возможность расчета деформации на основе априорной информации. Однако в большинстве случаев получение достоверных сведений о жесткости ТОС при выполнении конкретной операции весьма затруднительно. Поэтому для коррекции формообразующей траектории предлагается использовать результаты измерения уже обработанной детали для управления процессом обработки следующей, а при обработке сложных, дорогостоящих изделий в единичном производстве использовать результаты измерений после так называемого пробного прохода. Следует заметить, что распространенный механизм коррекции ЧПУ «на радиус» в данном случае абсолютно неприменим. В соответствии с предлагаемой стратегией для обработки контура 1 детали при 2,5D фрезеровании фрезой 2 на первом проходе назначается удаление половины имеющегося припуска и траектория формообразования (линия 3 – массив [xт]i, [yт]i) проектируется в используемой САМ системе (рис.10, а). При ISSN 2305-9001. Вісник НТУУ «КПІ». Серiя машинобудування №2 (68). 2013 50 обработке, вследствие упругих деформаций ТОС, фактическая траектория фрезы (линия 4) будет отличаться от теоретически рассчитанной и вместо запланированной поверхности (линия 5) будет обработана поверхность, обозначенная линией 6 на рис.10, а. После этого, непосредственно на станке, проводятся измерения обработанной поверхности щупом по специально спроектированной программе и результаты измерений передаются в прикладную программу, укрупненный алгоритм которой представлен на рис.10, б. X Y xт xф yф yт Oт Oф 1 2 3 4 5 6 Сплайн-интерполяция Массив измеренных данных Расчет фактической траектории Коррекция эквидистанты на последнем проходе Сравнение с теоретической эквидистантой а б Рис. 10. Схема обработки (а) и алгоритм проектирования (б) Цифровой массив данных, полученных при измерениях интерполируется сплайном и рассчитывается эквидистанта инструмента по отношению к этому интерполированному массиву [13]. Эти два массива и представляют фактическую траекторию центра фрезы при обработке – массив [xф]i, [yф]i. Затем по специально разработанной процедуре, которая учитывает замкнутость ТОС и предполагает идентичность условий обработки на втором проходе, рассчитывается коррекция траектории и, наконец, проектируется скорректированная эквидистанта на последнем проходе. При этом шаг расчета определяется, как и во всех САМ системах, исходя из требуемой точности воспроизведения кривых линейной интерполяцией (код G01) [14]. При существенном отличии условий обработки на этих двух проходах коррекцию необходимо рассчитывать используя подход, основанный на априорной информации, т.е. результаты моделирования срезания оставшегося припуска в виде величины MRR на каждом шагу моделирования сравниваются с результатами моделирования при удалении припуска на первом проходе по специально разработанной процедуре. В дальнейшем могут применяться и другие опции, например, прогнозируемое изменение жесткости заготовки после срезания припуска на первом пробном проходе при токарной обработке. В дальнейшем, при расширении разработанной методики на 3D обработку, для получения массива данных измеренной поверхности предполагается использовать программный продукт фирмы Delcam PowerINSPECT. Этот программный продукт позволяет выполнять измерение деталей на координатноизмерительных машинах с подготовкой отчета об измерениях. Он предназначен, в основном, для измерения прототипов, мастер-моделей, электродов, формообразующих элементов пресс-форм, штампов, литьевой оснастки и других изделий со сложной пространственной формой, где имеется объемная компьютерная модель и трудно использовать традиционные технологии измерения и отчетности. Переход к цифровому контролю оснастки позволит исключить использование шаблонов, которые сейчас традиционно используются при контроле изделий сложных форм. Однако, имеются возможности проведения таких измерений и непосредственно на станке с ЧПУ (рис.11) [15]. а б Рис. 11. Контроль через PowerINSPECT сложной поверхности штампа (а) и его компьютерная модель (б) ISSN 2305-9001. Вісник НТУУ «КПІ». Серiя машинобудування №2 (68). 2013 51 Проведение измерений непосредственно на станке взамен контрольно-измерительной машины в этом случае будет вполне оправдано, ведь при использовании этого инструмента в комплексе с разработанной программой коррекции, не смотря на потерю времени на измерения, позволит избежать существенных потерь от получения бракованного изделия. Вот почему такое направление исследований следует отнести к весьма перспективным для решения актуальной проблемы достижения точности при обработке сложных поверхностей

17, . Показатели качества измерений.

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью, воспроизводимостью и погрешностью измерений.

Точность – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответсвует малым погрешностям как систематическим, так и случайным. Точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Напремер, если погрешность измерений равна 0,05%, то точность будет равна 1/0,0005 = 2000.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ.

Правильность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость – это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину. Можно выделить слудующие группы причин возникновения погрешностей:

неверная настройка средства измерений или смещение уровня настройки во время эксплуатации;

неверная установка объекта измерения на измерительную позицию;

ошибки в процессе получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерений;

внешние воздействия на средство и объект измерений (изменение температуры и давления, влияние электрического и магнитного полей, вибрация и т.п.);

свойства измеряемого объекта;

квалификация и состояние оператора.

Анализируя причины возникновения погрешностей, необходимо в первую очередь выявить те из них, которые оказывают существенное влияние на резульат измерения. Анализ должен проводится в определенной последовательности.



18. Типы измерительного преобразователя

  • Элементами систем, обеспечивающих получение информации, являются измерительные преобразователи (ИП). В автоматике также используют термины «первичный преобразователь» или «датчик». Термин «первичный преобразователь» удобно использовать при описании принципа действия того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» - при пояснении конструктивного исполнения. В отличие от измерительных приборов, где такая информация представлена в виде, удобном для непосредственного восприятия оператором, информация от ИП поступает в виде определенной физической величины, удобной для передачи и дальнейшего преобразования в системе автоматики. Эту величину называют сигналом, и она однозначно связана с контролируемой физической величиной или параметром того или иного технологического процесса.

  • Для большинства ИП характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. При этом используется предварительное преобразование неэлектрической величины в электрическую. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений: электрические сигналы просто и быстро передаются на большие расстояния; легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код; позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.

  • Существует множество типов ИП, количество которых значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

  • Согласно ГСП все контролируемые величины разбиты на пять следующих групп: теплоэнергетические, электроэнергетические, механические величины, химический состав и физические свойства.




  • Скачать файл (359.1 kb.)

    Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации