ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 130
Скачиваний: 0
МИНИСТЕРСТВО СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИИ ПО МАШИНОСТРОЕНИЮ (НИИМАШ)
СЕРИЯ С-1
УДК 621.9.06-529
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМИ СТАНКАМИ
|
Г0Ч. Пуб-'іИЧШ-Я |
J |
|
\ |
И г ‘ііЭ- Ѵ -аНІІ-' |
АЯ |
I |
іЗ.'З../,'. ' ' • . С' |
OP |
. ! |
|
' |
■' «Ѵ.ПЛЯГ |
|
і |
■:ѵэв.-,лА I
уз - з 7Ш &
Г.В. БРОНШТЕЙН, канд. техн. наук М. С. ГОРОДЕЦКИЙ,
Е.Р. ГОРДОН, д-р техн. наук В. В. КАМИНСКАЯ, канд.
техн. наук Л. Н. ЦЕЙТЛИН (ЭНИМС)
В настоящей работе рассматриваются адаптивные системы, предназначенные для повышения производительности токар ных станков.
Определены критерии оценки эффективности резания на токарных станках, рассмотрены технологические законы регу
лирования режимов резания, описаны алгоритмы и структуры адаптивных систем, реализующих эти законы. Дан обзор средств для измерения силовых параметров и методов опре деления стойкостных характеристик в процессе резания. Рас смотрены вопросы обеспечения устойчивости процесса резания при использовании адаптивных систем управления. Приведен ряд алгоритмов самопрограммирования траектории черновых проходов.
Обзор предназначен для работников станкостроительной промышленности и может быть полезен при создании адап тивных систем для металлорежущих станков.
ВВЕДЕНИЕ
Впоследние годы основными направлениями развития метал лорежущих станков были повышение производительности (сниже ние себестоимости) обработки за счет сокращения вспомогатель ного времени путем повышения автоматизации станков в сочета нии с совершенствованием традиционных систем управления: повышение точности и качества обработки за счет улучшения конструктивных параметров станков и инструмента, повышения точности станков и применения новых измерительных средств.
Вобласти традиционных систем управления наибольшие успе хи связаны с появлением систем числового программного управ ления, которые обеспечивают выполнение любого автоматическо
го цикла обработки по программе, составленной заранее и тем или иным способом введенной в систему управления. Однако си стемам ЧПУ присущи недостатки, которые снижают их эффектив ность и ограничивают область применения.
Обработка на металлорежущих станках протекает при непре рывном изменении внешних условий и параметров динамической системы станка. Так, в процессе резания имеют место колебания припуска, свойств обрабатываемого материала, изменяются воз мущения, действующие от работающих соседних станков, меняет ся трение в направляющих, жесткость системы и т. п. Описания процессов, происходящих при обработке, получены либо теорети чески при использовании соответствующих допущений, либо эм пирически на основании статистической обработки результатов экспериментов для наиболее типичных случаев резания. Эти за висимости не учитывают всего многообразия факторов, действую щих в реальных условиях в каждый данный момент времени.
Наличие жесткой программы, предписывающей исполнение фиксированных траекторий и режимов резания, зачастую ведет к снижению производительности, так как при программировании не могут быть учтены особенности обработки каждой детали и рас чет программы ведется по среднестатистическим данным, причем исходные граничные условия должны выбираться по наихудшим вариантам. Например, при обработке валов из поковок количест во проходов должно определяться по максимально возможному
припуску, так как в противном случае не исключены поломки станка и инструмента. Это ведет к тому, что на заготовках с меньшим припуском происходит «резание» воздуха. Назначаемая при программировании глубина резания должна выбираться с учетом условий возникновения вибраций для’ худших образцов резцов, тогда возможности лучших резцов недоиспользуются, и т. д. Нередки случаи, когда запрограммированная технология (ре жимы резания и траектория перемещения инструмента) оказы вается непригодной, например из-за плохого схода стружки; при этом неизбежны переделки программы, часто — многократные.
Указанные недостатки особенно часто проявляются при реза нии новых материалов, обрабатываемость которых изучена недо статочно.
По этим причинам режимы резания на автоматизированных станках занижаются по сравнению с режимами, применяемыми в таких же условиях на универсальных станках с ручным управле нием, так как постоянный контроль процесса резания со стороны рабочего позволяет работать на форсированных режимах со сни жением их только в случае необходимости. Эти недостатки не исключаются даже при использовании машинного программиро вания на ЭВМ, которое в лучшем случае позволяет оптимизиро вать процесс обработки в среднем (при этом используются также наихудшие граничные условия).
Применение менее совершенных систем управления усугубляет указанные недостатки.
Другим недостатком систем ЧПУ является сложность програм мирования, так как при составлении программы необходимо использовать не только сведения о детали, имеющиеся в чертеже, но и провести трудоемкую технологическую подготовку. Большое количество априорной информации, используемой при этом, не позволяет провести полноценную расчетную оптимизацию всего процесса обработки, а объем информации, который должен быть переработан технологом-программистом, делает практически не рентабельным ручное программирование. Для расчета программы на ЭВМ требуются дорогое оборудование и высококвалифициро ванные кадры. Машинное программирование может быть эффек тивно только при централизованной подготовке программ или при наличии большого количества станков на одном предприятии.
Стремление преодолеть эти недостатки привело к появлению нового типа систем управления, которые позволяют оптимизиро вать процесс обработки каждой детали благодаря использованию текущей информации по параметрам, определяющим условия и качество процесса резания. Эту информацию получают с помощью датчиков обратной связи в ходе резания.
В 1937 г. в СССР было выдано авторское свидетельство на устройство регулирования скорости резания в зависимости от тем пературы резания, предназначенное для повышения производи тельности. Ряд вариантов систем .управления, служащих для по-
вышения точности обработки путем стабилизации или компенса ции упругих перемещений системы СПИД, был разработан в Московском станкостроительном институте [1]. Системы управле ния, предназначенные для повышения производительности стан ков, были описаны в работе [2]. В зарубежной литературе сведе ния об исследованиях в этом направлении начали появляться с начала 60-х годов [3].
Широкий размах подобные работы получили в последнее вре мя по мере завершения разработок в смежных областях, в част ности после создания простых и надежных следяще-регулируемых приводов, новых типов датчиков, элементов и устройств вычисли тельной техники и т. д.
Одновременно с появлением первых конструкций новых систем управления начались поиски их названия. Так, в отечественной литературе их называли самоподнастраивающимися [1], система ми автоматического регулирования (САР), системами автомати ческого управления (САУ), самонастраивающимися (СНС) и адаптивными системами (АС). В зарубежной литературе наибо лее употребительно название «адаптивное управление» («adaptive contvob).
В технической кибернетике нет точного определения понятия «адаптивное управление»; иногда его употребляют аналогично термину «самонастраивающиеся» системы, которые в зависимости от результатов или условий действия объекта управления авто матически изменяют свои параметры, структуру или алгоритм работы [4]; иногда так называют системы, обладающие свойством самообучения [13].
Широкое использование термина «адаптивное управление» в зарубежной литературе можно объяснить тем, что толкование слова «адаптация» как способности приспосабливаться к изменя ющимся условиям и получать в этих условиях наилучшие резуль таты [5] соответствует основному принципу работы новых систем, хотя и не всегда совпадает с классификацией теории автоматиче ского регулирования. Использование этой классификации, постро енной по принципу различия структурных схем, не позволяет вы делить новые системы из числа других систем управления, уже используемых в станкостроении, так как их структурные схемы часто совпадают.
Нам представляется, что терминологическое выделение новых систем на первом этапе их развития целесообразно, а термин «адаптивное управление» соответствует принципу действия этих систем.
Классификация новых систем по информационным признакам [8] или по структуре [9], представляющая самостоятельный инте рес, неудобна при рассмотрении всей группы новых систем в це лом хотя бы потому, что в этих классификациях они не выделяют ся в одну группу, а «растворяются» в массе других систем авто матического управления, не использующих принцип адаптации.
Вдальнейшем для удобства изложения используем деление адаптивных систем по характеру задач, решаемых с их помощью.
По этому признаку АС можно разделить на три основные группы: АС, обеспечивающие повышение производительности (или снижение себестоимости) процесса резания; АС, обеспечива ющие повышение точности или улучшение других параметров, характеризующих качество обработанной детали, и АС, обеспечи вающие совершенствование всей совокупности операций, выпол няемых механизмами станка для получения годных деталей (ис ключая собственно процесс резания).
Как правило, АС, помимо основной функции, выполняют и не которые другие (например, АС первой группы могут одновремен но обеспечить повышение точности и наоборот).
Наибольшее распространение за рубежом получили АС пер вой и третьей групп; в СССР работы ведутся и над системами второй группы.
Внастоящем обзоре будут рассмотрены некоторые аспекты работы АС первой группы и частично третьей.
Взарубежной литературе АС первой группы принято делить на два класса £6]: системы граничного (предельного) регулирова ния и системы оптимизации. К первому классу отнесены системы,
вкоторых один из параметров процесса резания поддерживается на заданном предельном значении, а ко второму — все остальные системы. Аналогичное деление с добавлением класса систем функ ционального регулирования, предложено в работе [7]. Как и деле ние согласно работе [6], эта классификация в большей степени отражает метод изменения параметров резания, чем основной принцип работы адаптивных систем. Дело ів том, что и системы граничного регулирования и системы оптимизации оптимизируют процесс резания, разница заключается лишь в способе. Если эффективность резания (производительность или себестоимость) может оцениваться некоторым критерием оптимизации, то задачей адаптивной системы управления, предназначенной для повышения эффективности резания, является такое изменение управляемых
"параметров процесса резания, -которое в условиях действия слу чайных возмущающих воздействий обеспечивало бы экстремум выбранного критерия. Критерии оптимизации для АС первой группы сформулированы в разделе 1.
Возможны два пути решения поставленной задачи. Первый путь заключается в расчете фактических значений критерия в ходе резания и .в поиске таких изменений управляемых перемен ных, которые обеспечили бы действительный экстремум критерия оптимизации. Второй путь состоит в создании предварительной модели процесса резания, на основании которой при получений информации о возмущающих воздействиях можно рассчитывать величину и знак необходимого изменения управляемых перемен ных. Преимуществом первого пути является минимальное количе ство априорной информации, которая используется при управле-
нии. Это уменьшает погрешности оптимизации, связанные с неадэкватностью априорной информации действительности. Во вто ром случае погрешности, определяемые несовершенством модели процесса резания, могут быть достаточно велики, так что фактиче ская эффективность системы управления может оказаться ниже расчетной.
Системы управления, реализующие поиск экстремума критерия оптимизации, в теории автоматического регулирования называют ся поисковыми системами, а системы второго вида — беспоиско
выми или аналитическими.
Влитературе [6, 10] имеются сведения лишь о нескольких по исковых системах, предназначенных для оптимизации режимов резания, однако данные о их промышленном применении отсутст вуют. Основной трудностью при создании подобных систем яв ляется определение фактической скорости износа инструмента или периода его стойкости, без чего невозможен расчет мгновенных значений критерия оптимизации (функции цели). Серьезной зада чей является также выбор алгоритма поиска, т. е. стратегии поведения системы управления после получения информации о действительной величине критерия.
Вработе (11] на ЭВМ были промоделированы различные стра тегии поиска, причем скорость износа инструмента (или стой
кость) задавалась некоторыми аналитическими выражениями. Пока поиск происходил в отсутствие шума, т. е. величины скорос ти износа однозначно определялись по заданным формулам, поиск экстремума даже при использовании простейших стратегий проис ходил достаточно быстро. В ряде случаев, когда это условие нару шалось, система вообще уходила от экстремума, что в реальных условиях могло бы привести к резкому снижению эффективности обработки и т. п. Если учесть, что в реальных условиях помехи, нестабильность измерений и другие шумы всегда имеют место, задача выбора стратегии поиска становится достаточно сложной. Кроме сходимости поиска, в условиях реальной обработки следует учитывать и его продолжительность, так как, с одной стороны, скорость изменения возмущающих воздействий -может быть вели
ка, а, с другой, — продолжительность всей обработки |
может быть |
|||
мала в сравнении со временем поиска. |
|
|
|
|
Подавляющее число систем повышения эффективности резания |
||||
выполнено по типу беспоисковых систем |
с простой |
структурой. |
||
Эффективность подобных систем — по крайней |
мере |
теоретичес |
||
ки— ниже поисковых: если последние являются |
системами абсо |
|||
лютной оптимизации, обеспечивающими |
наилучшие |
возможные в |
||
в данных условиях режимы резания и наименьшие |
(наибольшие) |
значения критерия оптимизации, то первые решают только зада чу относительной оптимизации, настолько приближающейся к аб солютной, насколько используемые априорные сведения соответ ствуют действительным. Если учесть, что традиционные системы управления станками с фиксированными режимами резания во-