5. Адаптивное управление технологических систем

^{5.1. Классификация систем адаптивного управления}

^{В п. 2.1 при рассмотрении станочною оборудования как объекта управления были намечены варианты управления процессом резания на станках. В металлообработке преимущественное распространение получили системы управления процессом по одному или нескольким доминирующие возмущающим воздействиям (рис. 5.1, система 1), чаще всего по упругим деформациям технологической системы, и системы управления по выходным параметрам изделий (рис. 5.1, система 2). Любую из этих систем можно рассматривать как взаимосвязанную совокупность автоматических средств, в том числе и предназначенную для изменения ее параметров для улучшения процесса резания. Эффект использования систем адаптивного управления упругими деформациями достигается за счет сокращения мгновенного поля рассеивания размеров, возникающего из-за изменения глубины резания, твердости материала деталей и других причин. Применение систем управления выходными параметрами процесса резания дает возможность компенсации большинства первичных погрешностей изготовления. Обязательным условием построения структуры подобных систем является наличие обратной связи.}

^{В системах стабилизации (системы 1, 2) обеспечивается поддержание выбранного параметра процесса резания на требуемом уровне в пределах границ области изменения управляющего воздействия. Большинство разработанных систем имеют регулируемый привод продольной подачи.}

^{Системы оптимизации (рис. 5.1, системы 3, 4) находятся на более высоком уровне управления в иерархической структуре систем адаптивного управления и обеспечивают повышение производительности процесса, рациональное использование режущих свойств инструментов и другие технико-экономические преимущества. Задачу оптимизации можно решать в несколько этапов (система 3): сначала по среднеста­тистическим данным выбирают оптимальные режимы резания, а затем корректируют их непосредственно по сигналам изме­рительных преобразователей. Все вычисления в системах оп­тимизации выполняют с помощью вычислительных устройств (типа микроЭВМ), связанных с другими элементами системы периферийными устройствами (АЦП, ЦАП). Информация о протекании процесса резания может собираться несколькими измерительными преобразователями (системы 4, 5), при этом системы функционируют в условиях минимального объема априорной информации (система 4). Системы 4, 5 относятся к многоконтурным. Под контуром управления понимается автоматически действующая замкнутая система, имеющая в своем составе измерительный преобразователь для регистрации выбранного параметра процесса резания и исполнительный орган для осуществления управляющего воздействия.}

^{Многообразные классификационные признаки (информационные характеры решаемых задач) позволяют оценить системы лишь по отдельным технико-экономическим показателям и не отражают их технологических особенностей. Технологический классификационный признак должен характеризовать условия функционирования, область применения, характер решаемых задач и способ внесения управляющих воздействий. По этому признаку приведенные на рис. 5.1 системы можно рассматривать следующим образом:}

^{Рис. 5.1. Классификация систем адаптивного управления процесс резания:}

^{ОР - объект регулирования; ИП — измерительный преобразователь; ЗУ — задающее устройство; СУ— сравнивающее устройство; УУ— усиливающее устройство; ВУ - вычислительное устройство; ИМ — исполнительный механизм; АЦП и ЦАП — аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи}

^{1 — система автоматического управления чистовой токарной обработкой, служащая для повышения точности диаметрального размера и продольной формы детали путем компенсации упругих деформаций технологической системы за счет изменения размера статической настройки;}

2. ^{система автоматического управления чистовой токарной обработкой, служащая для повышения точности диаметрального размера и продольной формы детали путем компенсации отклонения диаметра детали от заданного за счет изменения пространственной ориентации исполнительного органа станка;}

3. ^{система автоматического управления чистовой токарной обработкой, служащая для нахождения и поддержания оптимальных значений скоростей резания по критерию минимума приведенных затрат путем изменения частоты вращения шпинделя.}

^{Несмотря на большое многообразие систем существует объективная общность принципов построения, что позволяет выделить в их составе ряд функционально автономных (типовых) блоков и модулей: таких, как измерительные преобразователи, регуляторы, исполнительные органы систем. Выделение типовых модулей явилось предпосылкой для создания комплектных устройств адаптивного управления станками, значительно сокративших сроки разработки и отладки вновь создаваемых систем, позволило повысить их мобильность и эксплуатационную надежность.}

^{Перспективные направления дальнейшего развития систем автоматического управления станками: обеспечение комплексного характера управления процессом резания на основе применения многоконтурных систем управления; широкое привлечение в качестве элементов системы штатных узлов станка; создание систем на модульном принципе с дальнейшим расширением номенклатуры модулей; использование микропроцессоров и микроЭВМ для управления станками.}

^{Экспериментальные исследования, анализ физических состояний станочного оборудования, выполненный в п. 2.2, и рассмотрение вопросов выбора предпочтительных параметров диагностики (см. п. 2.3) показали, что рассеивание размеров партии деталей происходит в основном из-за изменения при обработке упруго-деформационного и размерно-геометрического состояний, что вызывается значительными колебаниями составляющих сил резания, размерным износом инструмента, нестабильностью позиционирования каретки суппорта станка и другими причинами.}

^{Между точностью обработки коррекции и изменениями размеров в партии деталей установлена связь, выражаемая коэффициентом корреляции r = 0,93. Улучшения выходных параметров качества изделий можно достичь автоматической компенсацией выявленных доминирующих погрешностей обработки (от упругих деформаций технологической системы и размерного износа инструментов) средствами автоматической подналадки, входящими в состав систем автоматического управления (САУ).}

^{Качество работы САУ сильно зависит от информационного обеспечения их работы. В этом отношении неоспоримое преимущество, если применять в качестве первичных измерительных преобразователей системы управления, имеют встроенные в узлы станков измерительные средства (см. гл. 3). Простые по конструкции, надежные в эксплуатации, обладающие хорошими метрологическими характеристиками, эти измерительные средства наиболее приемлемы для широкономенклатурного машиностроительного производства. Имеющие примерно одинаковые свойства автоматические измерители диаметров типа АИД-6, АИД-8, выполненные на основе обкатных измерительных роликов, несколько ограничивают рабочее пространство станка.}

^{Таким образом, в результате последовательного выполнения процедур автоматического выявления рассогласований между настроечным и фактически достигнутым размерами}

^{(например, с помощью приведенных в гл. 3 встроенных измерительных средств, используемых в системах стабилизации размера динамической настройки), а также оперативного внесения размерной коррекции устройствами автоматической подналадки инструмента достигается значительное повышение выходных параметров качества изготовляемых изделий.}

^{5.2. Классификация исполнительных механизмов систем адаптивного управления}

Возникшее в системе рассогласование между требуемым значением параметра управления (например, положением вершины резца) и его фактически достигнутым уровнем устраняется исполнительным механизмом САУ. Под исполнительным механизмом будем понимать всю совокупность механических узлов (дополнительных и штатных), а также передач станка, обеспечивающих пространственную ориентацию формообразующих узлов станка в направлении формирования размера обработки (напри мер, для токарной обработки — в направлении, перпендикулярное к оси вращения детали). В результате осуществления исполнительным механизмом процедуры подналадки обеспечивается выполнение системой автоматического управления ее служебного назначения, а от точности проведения процедуры подналадки зависит качество управления- САУ.

Исполнительные механизмы САУ должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. обеспечивать возможность ^{работы в автоматическом режиме;}

2. ^{иметь диапазон подналадки, достаточный для устранения любого возникшего рассогласования в пределах режущей способности инструмента;}

3. ^{подналадочный импульс должен быть минимально возможным (например, меньше основной дискреты штатного привода подач станка);}

4. ^{обеспечивать возможность работы в реверсивном ре-жиме и отсутствие люфтов в кинематической цепи, а также плавность перемещений формообразующих узлов станка.}

^{Вместе с тем специфика широкономенклатурного машиностроительного производства выдвигает ряд дополнительных требовании к исполнительным механизмам САУ, в первую очередь соблюдение сформулированных в п. 3.2 принципов конструирования элементов систем в условиях ГПС.}

В составе исполнительных механизмов, обеспечивающих изменение пространственной ориентации инструмента в направлении подавления возникшего рассогласования, можно выделить пять групп приводов (табл. 5Л).

Дальнейшее совершенствование конструкций исполнительных механизмов может происходить по пути создания комбинированных устройств, например устройств радиально-поступательного действия на плоских пружинах и с кулачковым приводом. Устройство автоматической подналадки инструмента [а. с. 764853 (СССР)] благодаря наличию в нем дифференциального кулачкового механизма создает макроперемещения инструмента в диапазоне 0—4 мм с дискретностью 5 мкм и микроперемещения в диапазоне 0—0,5 мм с дискретностью 1 мкм, что дает возможность компенсировать погрешность установки инструмента и изготовлять детали по шестому-седьмому квалитетам точности Изготовление плоских пружин различными по жесткости повышает виброустойчивость устройства, обеспечивает получение шероховатости обработанной поверхности R _а ~ 1,6 мкм.

Конструктивная простота, высокая жесткость и возможность получения минимального подналадочного импульса делают предпочтительным также магнитострикционный привод.

Однако диапазон подналадки известных магнитострикционных устройств мал, а его увеличение приводит (вследствие пропорциональной зависимости размеров стержня из магнитострикционного материала от его линейных размеров) к непомерному увеличению габаритных размеров устройства в целом. Широкие возможности открывают способы увеличения

диапазона подналадки путем возбуждения переменных колебаний магнитострикционного или пьезоэлектрического преобразователя на частоте механического резонанса, увеличения, этих колебаний с помощью известных трансформаторов (стержней переменного сечения) и последующего преобразования переменных колебаний в постоянное перемещение — подналадочный импульс. С этой целью, например в станках токарной группы, к приводу поперечной подачи каретки суппорта жестко прикрепляют колебательный узел из резонансного полуволнового преобразователя и концентратора упругих колебаний и с помощью гибкой упругой связи прижимают его к суппорту станка, причем динамические свойства суппорта с гибкой связью подбирают так, чтобы собственная частота его колебаний была на один - два порядка ниже резонансной частоты колебательного узла.

Классификация групп приводов, входящих в состав исполнительных механизмов

Таблица 5.1.

Группа приводов	Упругий элемент (УЭ)	Эскиз УЭ	Авторское свидетельство
Упруго силовые	УЭ, работающие га кручение		---
	УЭ, работающий на изгиб		---
	УЭ с поперечным расширением при продольном сжатии		608616
	Комбинированный пружинный механизм		315567
	Сильфон давления		---
	Мембранный механизм		---
	Сильфон с гидропластом		764858
	УЭ из материала со свойством «память формы»		865539
С самоторможением	Винт-гайка с редуктором		294679, 643238
	Рычажное устройство		---
	Клиновое устройство		785016
	Кулачковое устройство		373092, 764853
Термодинамические	Стержневой УЭ		207766
	Сильфонный УЭ		---
Магнитострикционные	Стержневой УЭ		361020, 434002
	Сильфонный УЭ		709265, 808211
Электрострикционные			---

Рис. 5.2. Исполнительный механизм на основе

магнитострикционного преобразователя

Такое устройство (рис. 5.2) содержит сердечник §, выполненный из материала, обладающего магнитострикционными свойствами, например пермендюра 50КФ2, фехраля Х23Ю5, сплавов Ю12, Х17Ю5, и катушку 10, питаемую от ультразвукового генератора 9 одновременно постоянным и переменным током, причем частота переменного тока совпадает с резонансной частотой колебаний сердечника. К сердечнику присоединены винт 7 и стержень 2 переменного сечения полуволновой длины. С поперечной кареткой 3 суппорта станка жестко связана втулка 1, а в прямоугольном пазу каретки размещена с возможностью перемещения ползушка 5. Втулка и ползушка соединены гибкой упругой связью в виде пружины растяжения 4, обеспечивающей прижим ползушки к торцу сердечника и натяг в соединении «сердечник 8 со стержнем 2 — втулка 1». Стержень 2 выполнен сборным — в виде набора стержней переменного сечения полуволновой длины (трансформаторов упругих колебаний), их количество определяется требуемым диапазоном подналадки. Параметры магнитострикционного привода (конструктивные: размеры, форма и материал сердечника 8 и стержня 2; электрические; параметры катушки 10) выбираются таким образом, чтобы тяговое усилие привода превышало усилие пружины, а оно, в свою очередь, было больше силы трения в направляющих скольжения каретки станка и соприкасающейся с ней поверхности ползушки. Вместо магнитострикционного преобразователя с катушкой может использоваться пьезоэлектрический преобразователь, при этом ультразвуковой генератор обеспечивает питание преобразователя только переменным током.

Методом пробных проходов с помощью винта 7 поперечная каретка суппорта станка с резцом 6 устанавливается в требуемое относительно обрабатываемой поверхности детали положение. Когда поперечная каретка суппорта станка движется вперед, торец стержня 2, воздействуя на втулку 1, смещает каретку вперед, при обратном же движении каретки торец сердечника, взаимодействуя с ползушкой, возвращает каретку назад, что возможно в случае, если усилие пружины превышает силу трения в направляющих скольжения каретки станка и соприкасающейся с ней поверхности ползушки.

Для создания малых подналадочных перемещений резца в процессе резания катушку питают одновременно постоянным и переменным током от генератора, причем частота переменного тока совпадает с резонансной частотой сердечника, в результате чего в сердечнике возникают продольные механические колебания. Колебания сердечника, усиленные по амплитуде с помощью трансформатора упругих колебаний, вызывают статические продольные перемещения втулки на величину, равную амплитуде колебаний. Перемещением жестко связанной с втулкой каретки (при условии, что тяговое усилие магнитострикционного привода превышает силу трения пружины) обеспечивается подналадка инструмента. Дальнейшее расширение диапазона подналадки достигается как введением дополнительных трансформаторов упругих колебаний, так и увеличением амплитуды механических колебаний в Q раз по сравнению со статическим удлинением, где Q — механическая добротность для основного резонанса системы магнитострикционный преобразователь — концентраторы. Для указанных материалов добротность достигает 550 ед.