5. Управление технологическими процессами в автоматизированном машиностроении
5.1. Общие положения
Под технологическими объектами (ТО) в машиностроении понимают технологическое оборудование (станки, роботы и т. д.), обеспечивающее выполнение тех или иных ТП. Современные ТО представляют собой комплекс сложных динамических систем. Их сложность обусловлена высокими требованиями к производительности и точности работы ТО. Управление процессами и объектами в машиностроении осуществляется с помощью систем управления.
Под управлением будем понимать процесс перевода ТО из одного состояния (начальное) в другое (конечное) за конкретный промежуток времени At с затратой заданного объема ресурсов.
Система управления (СУ) — комплекс устройств и средств связи, обеспечивающий точное и согласованное во времени взаимодействие рабочих и вспомогательных агрегатов и устройств ТО в соответствии с заранее разработанной программой управления на основе принятого ТП.
Системы ЧПУ позволяют все операции, связанные с пуском, остановкой, включением и выключением вспомогательных устройств, а также операции по обеспечению требуемых значений параметров (величин), определяющих ход ТП в управляемом объекте, выполнять без участия обслуживающего персонала, только устройствами автоматического управления.
Следящими системами называются СУ, с помощью которых на управляемом объекте воспроизводится изменение входной величины произвольно заданной во времени и, как правило, с усилением по мощности.
Программа—способ достижения цели с однозначным описанием процедуры его реализации. Программа функционирования ТО — совокупность команд, которые должен выполнять ТО.
Разрешающая способность СУ—наименьшее изменение выходного параметра состояния ТО, которое может быть задано и зарегистрировано ее измерительной системой.
Дискрета — минимальная теоретическая величина реакции ТО на единичное изменение управляющего сигнала.
Основное назначение системы управления ТО—выполнение команд для поддержания требуемых значений параметров выполняемого ТП при заданной точности с наибольшей производительностью.
Выбор СУ во многом зависит от специфики ТП, в котором эксплуатируется ТО, и от требований экономики.
Система автоматического управления ТО должна выполнять следующие задачи:
- реализовывать требуемые действия исполнительных механизмов;
- обеспечивать заданные режимы ТП;
- поддерживать требуемые параметры объекта производства;
- выполнять вспомогательные команды.
Основные требования к системам автоматического управления: управление сложным циклом функционирования ТО; высокая мобильность; точность при высокой надежности в работе; простота конструкции и низкая стоимость; дистанционность в управлении; возможность саморегулирования в процессе управления.
Команды, задаваемые ТО в системах программного управления, делят на три категории.
1. Технологические команды, обеспечивающие требуемые действия рабочих органов ТО при выполнении ТП.
2. Цикловые команды, к которым относят изменения параметров ТО (например, переключение скорости и подач, выбор инструмента, выключение охлаждения, реверс и т. д.).
3. Команды на выполнение служебной или логической информации, обеспечивающие правильность выполнения ТО всех задаваемых ему команд (обозначение адресов, знаки разделения команд, контрольные числа). Эти команды зависят от принятой системы их кодирования.
По командной информации СУ классифицируют следующим образом.
1. Системы управления, работающие на основе полной начальной информации: СУ с распределительным валом; копировальные СУ; цикловые СУ; системы с ЧПУ (СПЧУ).
2. Системы управления, работающие на основе неполной начальной информации: экстремальные системы (обеспечивают оптимальное управление путем изменения управляющего воздействия); самонастраивающиеся СУ (обеспечивают оптимальное управление путем изменения параметров системы и управляющих воздействий); самоорганизующиеся СУ (обеспечивают оптимальное управление путем изменения ее структуры, параметров и управляющего воздействия); самообучающиеся СУ (обеспечивают оптимальное управление путем изменения алгоритма управления или параметра управляющего действия).
Любая СУ независимо от характера ТП, для которого она предназначена, должна максимально отвечать следующим требованиям:
- исполнение команд с высоким быстродействием и точностью;
- гибкость при смене объекта производства;
- синхронизация выполняемых действий в различных циклах;
- высокая надежность работы;
- автоматическое регулирование процесса выполнения ТП и поддержание его оптимальных параметров;
- простота конструкции, низкая стоимость и удобство обслуживании;
- широкий спектр выполняемых действий;
- короткий цикл подготовки программы выполнения ТП;
- выполнение большого количества технологических команд (переключение подач, чисел оборотов шпинделя, поворот резцовой головки, включение и выключение охлаждения инструмента);
- управление продолжительными циклами без смены программоносителя.
Системы управления ТО классифицируют по различным признакам: по принципу синхронизации, степени централизации управления, методу воздействия, виду программоносителя, числу управляемых координат, способу программирования, наличию обратной связи, типу привода и др.
Системы управления станками разделяют на централизованные, децентрализованные и смешанные.
Централизованные (независимые) СУ управления характеризуются тем, что управление всем технологическим циклом станка-автомата и АЛ осуществляется с центрального командного пункта ТО независимо от действия и положения его исполнительных рабочих органов. Благодаря простоте схемы управления, надежности в работе, удобству обслуживания и наладки централизованные СУ получили наибольшее применение в станках.
Децентрализованные СУ (их называют иногда путевыми) осуществляют управление с помощью датчиков (чаще всего путевых переключателей и конечных выключателей), включаемых на пути движущихся исполнительных органов ТО. Эти системы основаны на управлении, при котором все исполнительные органы связаны между собой так, что каждое последующее движение одного может происходить только после окончания движения предыдущим. Преимуществом такой СУ является отсутствие сложной блокировки, так как команды даются после окончания предыдущей операции.
Смешанные СУ являются комбинацией первых двух систем. Здесь управление некоторыми элементами цикла осуществляется как в децентрализованной системе, а остальными—от центрального командного устройства.
Системы управления, применяемые в ТО, весьма разнообразны как по своему назначению, так и по конструктивному оформлению. Однако в любом ТО можно выделить две основные части: управляющее устройство и управляемые узлы—агрегаты или другие рабочие органы, выполняющие заданный ТП.
Технологический процесс характеризуется несколькими параметрами (подача, скорость, усилие, температура и т. д.), которые для правильного хода его выполнения поддерживаются постоянными или изменяются по определенному закону. Управляющее устройство воздействует на рабочий орган станка в соответствии с программой управления.
При традиционных методах автоматизации весь объем информации, необходимый для изготовления деталей, воспроизводится в кулачках, копирах, шаблонах, упорах и других устройствах, с помощью которых эта формация затем передается ТО как программа обработки данной детали. Подобный способ усложняет подготовку и задание программы обработки. Такие СУ не могут обеспечить высокой гибкости и переналаживаемости оборудования на изготовление новой детали. Появление СЧПУ позволило коренным образом решить эту задачу.
В ТО с цифровым программным управлением на всех этапах подготовки программы обработки, вплоть до ее задания ТО, оперируют только информацией в цифровой (дискретной) форме с рабочего чертежа детали. Это позволяет применять математические методы для подготовки программ и автоматизировать весь процесс их изготовления с помощью ЭВМ.
В металлообработке среди автоматических систем управления широко распространены так называемые аналоговые системы, в которых в качестве программоносителей используют аналоги, определяющие перемещения исполнительных устройств станков (копиры, кулачки, упоры). Исходная информация о процессе отработки преобразуется и выдается в виде копируемой модели обрабатываемой детали. Например, на токарном станке упоры, расставленные по ходу движения, могут служить аналогом перемещений продольного и поперечного суппортов. Подобные системы называются замкнутыми, так как в них используют два потока информации: первый поток информации— положение конечного выключателя (программа), второй — фактическое положение исполнительного механизма.
В незамкнутой СУ в формообразовании детали используется кулачок с профилем, соответствующим запрограммированной обработке. В этом случае аналогом перемещения исполнительного устройства является профиль кулачка.
Развитие аналоговых систем управления в направлении, при котором стал возможным ввод и смена управляющей информации непосредственно на рабочем месте, привело к созданию СЧПУ (рис. 30). В таких системах программа представляет собой информацию, кодированную определенным образом и носящую знаковый вид.
Различают позиционные, контурные и комбинированные СУ.
К позиционным системам программного управления (СПУ) относят системы, в которых траектория и скорость движения не программируются, а задаются только начальное и конечное положения управляемого органа станка. Эти системы служат только для совершения установочных движений. В них траектория перемещения рабочего органа может быть произвольной. Требования по точности предъявляют только к конечному положению рабочего органа (координатно-расточные станки, сверлильные, толкатели в транспортных системах и т. д.).
Рис. 30. Структурная схема ЧПУ
Рис. 31. Структурная схема разомкнутой системы управления:
ЗП – задатчик программ; БУУ – блок устройства управления; ИУ – исполнительное устройство
К контурным СПУ относят системы, в которых осуществляется не прерывное управление движением двух или более исполнительных органов станка, что обеспечивает возможность обработки криволинейных контуров или поверхностей. В этих СУ требования по точности предъявляются к траектории перемещения рабочего органа и к текущему положению его в каждый момент времени.
В ТО с программным управлением используют три фундаментальных принципа автоматического управления—принцип разомкнутого управления, обратной связи и компенсации.
Принцип разомкнутого управления наиболее прост в реализации, так как не требует дополнительных устройств. Структурная схема СУ, реализующей этот принцип, представлена на рис. 31. Задатчик программ (ЗП) задает необходимую информацию блоку устройства управления (БУУ), который управляет исполнительным устройством (ИУ). Необходимо, чтобы выходная информация H(t) была максимально близка к заданной G(f), что в реальных условиях осложняется целым рядом таких факторов, как неточность выполнения отдельных устройств и механизмов, возмущающих воздействий и пр. Действие этих факторов можно выразить некоторой функцией /(t).
Если необходимая степень соответствия выходной и входной информации не достигается при использовании данной схемы построения СУ, то применяют другие принципы управления. Реализация этих принципов предусматривает введение обратной связи в схему управления.
Структурная схема замкнутой СУ представлена на рис. 32. С задатчика программы (ЗП) информация поступает в блок сравнения информации (БСИ), затем в блок управления устройством (БУУ), который управляет исполнительным устройством (ИУ). Далее датчик в совокупности с устройством преобразования информации преобразует фактическое действие ИУ в информацию, имеющую вид, удобный для сравнения с информацией, поступающей в БСИ от задатчика программы. Это позволяет автоматически контролировать точность отработки заданной программы. Большое значение в цепи обратной связи имеет датчик обратной связи (Д ), который служит для преобразования выходной информации в сигналы, соответствующие по своей физической природе сигналам с ЗП. Таким образом, датчик является измерительным преобразователем (преобразует изменение одной физической величины в изменение другой).
Рис. 32. Структурная схема замкнутой системы управления
Принцип компенсации (комбинированное управление) позволяет уменьшить или исключить совсем последствия влияния вредных факторов (деформация технологической системы под действием температурных факторов, сил резания и т. д.), воздействующих на ТО.
Система автоматического управления является астатической по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении управляющего воздействия к постоянной величине ошибка приближается к нулю и не зависит от управляющего воздействия.
Система автоматического управления является статической по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении последнего к постоянной величине ошибка также стремится к постоянной, отличной от нуля, величине и зависит от управляющего воздействия.
Как видно из схемы, представленной на рис. 32, наличие рассогласования является необходимым условием изменения состояния исполнительного устройства ТО. Однако наличие рассогласования во многих случаях приводит к погрешностям отработки командной информации и, как следствие, к браку при выполнении ТП. При малых скоростях изменения управляющего воздействия погрешность относительно небольшая, и ею можно пренебречь. В тех же случаях, когда это изменение имеет большую величину или управление осуществляется по нескольким координатам, погрешность существенно возрастает. Наиболее простой способ уменьшения ошибки—снижение скорости изменения управляющей информации. В этом случае значительно меньше сказываются динамические ошибки и погрешность также уменьшается. Однако применение такого способа удлиняет рабочий цикл, что приводит к снижению производительности ТО.