Адаптивные системы активного контроля

Повышение эффективности финишных операций механообработки, в первую очередь, шлифования во многом определяется свойствами и возможностями используемых систем активного контроля.

В массовом автомобильном производстве наибольшее распространение получили разомкнутые системы активного контроля, обладающие высокой надежностью, простотой конструкции, низкой стоимостью. Вместе с тем массовое производство в условиях рыночной экономики испытывает необходимость в более ускоренной смене обрабатывающего оборудования и в этой связи – снижении числа моделей систем активного контроля, расширении функциональных возможностей, как при выборе алгоритма управления, так и в придании адаптивных или оптимальных свойств. 

В практическом плане, например, для традиционного трехинтервального цикла шлифования, где значения скоростей черновой и чистовой подач задаются технологом на основе априорной информации, связанной с минимизацией приведенных затрат, а также выполнением условий ограничения, оптимизационная задача для оператора станка сводится к выбору координат переключения S₁ и S₂, чтобы дисперсия фазовых траекторий в момент окончания обработки с минимальным запасом соотносились с заданным целевым множеством. 

Длительное и интенсивное использование оборудования в массовом производстве, приводящее к изменению технического состояния, вариации свойств инструмента и материала снижают ценность априорной информации и  для сохранения стабильности качественных показателей остается одна мера – снижение  производительности. 

Наилучшим выходом из этой ситуации является уменьшение информационной энтропии системы станок – прибор активного контроля – оператор – прибор послеоперационного контроля на основе использования дополнительной информации о параметрах модели объекта управления, компонентах вектора состояния и области ограничения технологического процесса шлифования (ТПШ). В этой связи в пространстве параметров  ТПШ следует выделить ограниченное число наиболее информативных и наблюдаемых параметров, определяющих достижение поставленной цели управления.

В первую очередь в эту группу параметров следует отнести постоянную времени T_оу, определяющую режущую способность шлифовального круга и ее вариации. Постоянная времени ТПШ входит в модель объекта управления и тесно коррелирует с его выходной координатой – силой резания F_у или скоростью съема припуска V_м. 

По характеру изменения постоянной времени в цикле шлифования, периоде стойкости шлифовального круга или более длительные промежутки времени можно судить о режиме обработки, качестве инструмента, свойствах заготовок деталей.

Следующей величиной, имеющей весомую долю в погрешности обработанных деталей, является вариация начального припуска S_н, занимающая от 10% до 30% поля допуска детали. Вариации припуска S_н помимо изменяющихся объемов снимаемого металла и соответствующего влияния на режущий инструмент, вызывают вариации упругой деформации эквивалентной упругой системы станка, так называемых «натягов», которые оказывают сильное влияние на форму детали и длительность цикла обработки.

Экспериментально при обработке шеек вторичного вала коробки передач на станках «Шаудт» и «ХСЗ» установлено, что при малых начальных припусках (менее 200 мкм) процесс шлифования имеет свойство «зависать», т.к. остающегося на этапе выхаживания натяга недостаточно для окончания цикла обработки или удлиняет его в десятки раз. На станке «Шаудт» в этой связи используется микроподача шлифовального суппорта, позволяющая завершить размерное выхаживание при отсутствии натяга.

Стабилизация начального припуска путем введения предварительного шлифования достаточно дорогостоящая мера, полностью, однако, не решающая данной проблемы.

С вариацией начального припуска тесно связана также начальная погрешность формы, которая в переходных режимах определенным образом переписывается в погрешность формы готовой детали. На практике погрешность формы может занимать в допуске на деталь от 10% до 50%.

Преобразование начальной погрешности формы Δ_фн в погрешность формы готовой детали  Δ_фк осуществляется в соответствии с выражением:

где  t_ш – время шлифования в цикле обработки. Из выражения следует, что эффективным путем уменьшения данной погрешности до приемлемой величины является увеличение времени обработки t_ш.

Изложенное позволяет определить концепцию оптимизации алгоритма и структуры системы управления ТПШ, которые включают в себя следующие моменты:

1. Структура системы управления является органичным развитием класса разомкнутых систем, имеющей в основном контуре однокристальную микро-ЭВМ, сочетающей в себе компактность, низкую цену с необходимыми вычислительными ресурсами для реализации всех традиционных алгоритмов. Дополнительным контуром системы управления является система послеоперационного контроля типа ИСЛ 2031 со статистической обработкой измерительной информации и имеющей связь с основным контуром.

2. Обобщенный критерий эффективности определяют три составляющие.

Первая составляющая – критерий эффективности, установленный на данной технологической операции для разомкнутой системы на основе априорной информации. Это означает, что первую деталь система управления обрабатывает по алгоритму разомкнутой системы, используя время цикла для получения и обработки дополнительной измерительной информации.

Вторая составляющая – критерий быстродействия, реализация которого осуществляется в основном контуре системы управления, начиная со второй или третьей детали. При этом система начинает работать в адаптивном режиме. Качественные показатели обеспечиваются наложением ограничений на выходную координату ТПШ – скорость съема припуска в конце цикла обработки. 

Третья составляющая – критерий качества, определяется как по динамическим  параметрам цикла шлифования, так и по объективным данным послеоперационного статистического контроля выполняемого системой ИСЛ2031. Оценка качества по динамическим параметрам производится на основе тесной корреляционной связи выходной координаты ТПШ – скорости съема припуска, с показателем качества готовой детали: погрешностью геометрического размера ΔL = f(V_м) и величиной шероховатости R_а = f(V_м). Результаты послеоперационного контроля, выполненные дополнительным контуром системы, используются в процедуре идентификации выходной координаты V_м и коррекции коэффициентов уравнений регрессии

ΔL = f(V_м)  и  R_а = f(V_м).

3. Вектор случайных параметров представлен начальным припуском S_н, начальной погрешностью формы Δ_фн и  постоянной времени ТПШ Т_оу.

Адаптивная система в рассматриваемом варианте имеет один информационный канал – координату текущего припуска обрабатываемой детали S(t), а необходимая для функционирования адаптивного алгоритма информация получается на основе дополнительной, включая статическую, обработки информационного сигнала S(t). 

Путем незначительного усложнения исходного алгоритма можно уже, начиная с первой детали, определять достоверное значение начального припуска S_н  и использовать его в аналитических расчетах координат S1 и S2 переключения шлифовального суппорта по критерию быстродействия. Одновременно с начальным припуском определяется погрешность формы Δ_фн, как разность двух экстремальных значений припуска S_{н min} и S_{н max}. Затем рассчитывается время t_ш необходимое для уменьшения исходного значения погрешности формы Δ_фн до приемлемого значения, и осуществляется сравнение времени t_ш с длительностью цикла обработки t_ц.  При t_ц < t_ш принимается решение об увеличении машинного времени до значения t_ш, которое сравнивается теперь с предельно допустимым по показателю производительности машинного времени t_пр.  В итоге должно выполняться условие t_{пр ≤} t_{ц ≤} t_ш.

4. Для класса ТПШ, имеющих 1с ≤ Т_оу ≤ 5с, постоянная времени определяется с помощью поисковых процедур, в том числе, и с участием оператора. При этом используются априорные сведения о предполагаемых средних значениях постоянной времени Т_оу и ее вариациях δТ_оу, соотнесенных с номером обрабатываемой в периоде стойкости детали, т.е.

Т_оуi = Т_оу1 + αn;  δТ_оу = δТ_оу1 + βn_,

где Т_оу1, δТ_оу1 – среднее значение постоянной времени и ее вариации для первой детали;

α и β – постоянные коэффициенты, определяющие приращение указанных величин между циклами обработки.

Для упрощения алгоритма в первом приближении можно принять

δТ_оу1 = δТ_i = k = const.

Первоначальные значения Т_оу1  и δТ_оу1  устанавливаются оператором или автоматически, а в последующих циклах обработки корректируются из условия минимизации дисперсии выходной координаты и показателей качества обработанных деталей ΔL и R_а. После определения действительных значений параметров Т_оу и α поисковые процедуры прекращаются и управление циклом до замены круга осуществляется в автоматическом режиме.

В заключение следует отметить, что адаптивное и оптимальное управления реализуются для всех традиционных циклов шлифования, но более перспективным является четырехинтервальный цикл обработки деталей с промежуточным выхаживанием. Введение этапа промежуточного выхаживания уменьшает дисперсию случайных параметров ТПШ, в первую очередь, постоянной времени Т_оу и скорости съема припуска V_м, что соответственно улучшает качество обработанных деталей. При этом машинное время практически не увеличивается, а для некоторых технологических ситуаций производительность обработки возрастает.

       Литература

1. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифования. – М: Машиностроение, 1975.
2. Решетов А.Г. Автоматизация шлифования и размерного контроля деталей. – С-Петербург: Политехника, 2003.