книги из ГПНТБ / Адаптивное управление металлорежущими станками

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

■: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

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-

обще не обеспечивают текущей оптимизации обработки в соответ­ ствии с реальными параметрами процесса резания, то использо­ вание бесіпоисковых адаптивных систем для относительной опти­ мизации вполне оправдано на современном уровне развития зна­ ний о процессе резания.

Накопленный опыт свидетельствует о том, что чаще всего адап­ тивное управление тем эффективнее, чем выше степень автомати­ зации самого станка и цикла обработки. В этом плане большой интерес представляет создание систем управления с самопрограм­ мированием обработки, т. е. таких систем, которые позволяют вести оптимальную обработку ів условиях минимума исходной ин­ формации. В наиболее совершенном варианте эта информация должна быть сведена к перечислению сведений, имеющихся в рабочем чертеже обрабатываемой детали; все остальные указа­ ния и команды, необходимые для получения годной детали, долж­ ны формироваться самой системой управления. В отличие от принципов работы наиболее совершенных традиционных систем правления — систем ЧПУ с применением ЭВМ — эти указания и команды должны формироваться на основе не только описания детали и среднестатистических сведений о инструменте, заготов­ ках и .рекомендуемых режимах резания, но и с использованием информации об особенностях конкретных заготовок, инструментов и процесса резания в каждый момент обработки; при этом эффек­ тивность изготовления детали должна быть наибольшей возмож­ ной в данных условиях.

Такую задачу можно определить как задачу самопрограмми­ рования с оптимизацией обработки; решение ее возможно только на основе методов адаптивного управления.

В зависимости от технических возможностей и экономических соображений уровни самопрограммирования в каждой конкретной системе управления могут быть различны: регулирование только режимов резания, например подачи и скорости резания, сочетание такого регулирования с назначением оптимальной траектории (или только назначение оптимальной траектории), выбор наиболее подходящего инструмента и определение необходимости его заме­ ны и т. д.

На рис. 1 показана структура системы управления с самопро­ граммированием. Принятый в системе уровень самопрограммиро­ вания определяет соотношение информации, поступающей по ка­ налам I, II и III, и, следовательно, устанавливает необходимый объем исходной программы.

Система управления с самопрограммированием включает эле­ менты как программного, так и адаптивного управления; в наи­ более совершенном виде она должна включать адаптивные систе­ мы самопрограммирования траектории, регулирования режимов резания и выбора инструмента. Так как управление рабочими органами стайка осуществляется обычно через систему програм­ много управления, назначением соответствующих адаптивных си-

стем является формирование для этой системы дополнительных программ, компенсирующих недостаток информации в исходной программе.

В этом смысле подобный комплекс устройств можно рассматри­ вать как самонастраивающуюся систему, если под самонастройкой понимать изменение алгоритма работы, которым является исход­ ная программа; использование термина «самопрограммирование» представляется более удобным, так как в данном случае он более четко определяет решаемую задачу.

Рис. 1. Структура системы управления с самопрограм­ мированием траектории

В современных АС уровень самопрограммирования невысок: в лучшем случае, речь идет о регулировании режимов резания и самопрограммировании траектории черновых проходов. Нам пред­ ставляется, что этот уровень будет повышаться, так как только подобные системы управления действительно смогут решить зада­ чу автоматизации индивидуального и мелкосерийного производ­ ства.

Следует отметить, что самопрограммирование режимов реза­ ния, т. е. назначение оптимальных режимов резания при вариа­ ции условий обработки в самых широких пределах, является зна­ чительно более сложной задачей, чем оптимальное регулирование, например, скорости резания и (или) подачи при вариации тех же условий в узком диапазоне. Очевидно, действительное самопро­ граммирование режимов резания окажется возможным только тогда, когда будут созданы поисковые системы оптимизации; область применения беспоисковых систем ограничена областью адэкватности действительности принятой модели резания. Это не 'исключает использования беспоисковых систем для регулирования режимов резания и в широком диапазоне вариаций условий реза­ ния; однако эффективность такого применения пока не поддается

расчету.

Для формирования алгоритма работы беспоисковой АС тре­ буется такая модель резания, которая в первую очередь опреде-