kon8.doc

UKŁADY ADAPTACYJNE

Sterowanie adaptacyjne obrabiarek jest układem nadzorującym, który automatycznie steruje procesem obróbki w taki sposób, że układ sterowania adaptacyjnego oddziałuje na obiekt sterowania (obrabiarkę), przystosowując parametry jego pracy do rzeczywistych warunków obróbki - tak aby zapewnić uzyskanie założonej dokładności wykonania przedmiotu lub maksymalnych wskaźników jakości procesu.

              Celem sterowania adaptacyjnego jest wyeliminowanie lub zmniejszenie wpływu na efekty obróbki niepożądanych oddziaływań powodowanych zakłóceniami takimi jak: zmienny naddatek obróbkowy, zmienna twardość obrabianego materiału, zużywanie się ostrza narzędzia, odkształcenia układu OUPN pod działaniem sił skrawania, odkształcenia cieplne itp.

              Układy adaptacyjne wykorzystują częściową informacji początkowej oraz korzystają z informacji roboczej.

              Adaptacyjność sterowania polega na:

1. Możliwości adaptowania się stosownie do obserwowanych zmian właściwości obiektu. Algorytm sterowania zapisany w bloku decyzyjnym (regulatorze).
2. Układ może adaptować się – odtwarzać trajektorię sterowania, stosownie do zmian otoczenia.
3. Kombinacja obu przypadków.

Układ korekcyjny utrzymuje wybraną wielkość charakteryzującą wynik lub przebieg procesu obróbki w ustalonym dopuszczalnym zakresie wartości. Układ korekcyjny działa na podstawie pomiarów wyników procesu obróbki lub pomiarów zakłóceń.

W obrabiarkach układy korekcyjne są stosowane często do utrzymywania kształtów i wymiarów przedmiotów obrabianych w granicach wymaganych tolerancji. Wówczas mamy do czynienia ze sterowaniem adaptacyjnym granicznym.

Układ optymalizujący jest układem nadzorującym, zmieniającym automatycznie parametry procesu tak, aby uzyskać najkorzystniejszą wartość wybranego wskaźnika jakości. W przypadku gdy wskaźnik jakości ma charakter ekonomiczno - organizacyjny, optymalizację realizuje układ sterowania adaptacyjnego technologicznego.

Sterowanie adaptacyjne geometryczne ACG jest sterowaniem korekcyjnym mającym na celu zwiększenie dokładności geometrycznej (dokładności wykonania) obrabianych przedmiotów przez uwzględnienie rzeczywistych warunków lub wyników obróbki.

              Sterowanie adaptacyjne geometryczne może polegać na automatycznym zmierzeniu przedmiotu po wstępnym przejściu narzędzia, a następnie wprowadzeniu korekty do programu opisującego przejście wykańczające, lub może polegać na automatycznym pomiarze sił skrawania i wprowadzeniu korekcji położenia narzędzia o wartość przewidywanego odkształcenia układu OUPN

Sterowanie adaptacyjne technologiczne ACT jest sterowaniem automatycznym, w którym układ optymalizujący zmienia warunki obróbki tak, aby uzyskać najkorzystniejszą wartość wybranego wskaźnika jakości. W tym celu układ sterowania mierzy wybrane wielkości charakteryzujące proces obróbki i wpływa na jego przebieg przez zmianę wielkości zwanych wielkościami nastawiającymi.

              W zależności od przewidywanego charakteru zmian wskaźnika jakości w dopuszczalnym obszarze zmienności wielkości nastawiających stosuje się: sterowanie adaptacyjne graniczne lub sterowanie adaptacyjne ekstremalne.

Sterowanie adaptacyjne ekstremalne ACO jest stosowane wówczas, gdy wskaźnik jakości procesu obróbki wykazuje ekstremum w dopuszczalnym zakresie zmienności wielkości nastawiających. Układ ekstremalny wyszukuje najkorzystniejsze warunki obróbki metodą kroków próbnych, zmieniając cyklicznie wielkości nastawiające i analizując wynikające stąd zmiany wskaźnika jakości.

Sterowanie adaptacyjne graniczne ACC jest stosowane wówczas, gdy wskaźnik jakości procesu obróbki przebiega monotonicznie w dopuszczalnym zakresie zmienności wielkości nastawiających. Najkorzystniejsze warunki obróbki występują wówczas na granicy dopuszczalnego obszaru.

ZASTOSOWANIE W TECHNOLOGII

Układy sterowania adaptacyjnego geometrycznego (ACG)

              Podstawowym zadaniem układu sterowania adaptacyjnego ACG jest utrzymywanie względnego przemieszczenia narzędzia i przedmiotu obrabianego na zadanym poziomie w celu poprawy i uniezależnienia dokładności wymiarowo-kształtowej przedmiotu i jego chropowatości powierzchni od cech przedmiotu, obrabiarki i narzędzia.

              Najczęstszymi zakłóceniami, do likwidacji których stosuje się układy ACG. są odkształcenia mechaniczne w układzie OUPN, spowodowane właściwościami masowo-sprężystymi obrabiarki, narzędzia i przedmiotu, oraz zmiany geometrii przedmiotu wskutek zużywania się narzędzia

              Układ sterowania adaptacyjnego geometrycznego, jak każdy układ automatycznej regulacji, zawiera następujące zespoły: układ pomiaru charakterystycznych wielkości reprezentujących błędy wymiarowo-kształtowe oraz układ regulacyjny do likwidacji lub zminimalizowania błędów wymiarowo-kształtowych.

              Ze względu na układ pomiaru wielkości charakterystycznych można rozróżnić:

·         pomiar bezpośredni wymiarów przedmiotu podlegających automatycznemu nadzorowi lub odchyłek tych wymiarów od wartości oczekiwanej;

·         pomiar pośredni innej wielkości fizycznej, o której wiadomo, że jej zmiana koreluje ze zmianami wymiaru przedmiotu podlegającego nadzorowaniu.

Układ ACG szlifierki do wałków z bezpośrednim pomiarem średnicy przedmiotu

              Na rysunku przedstawiono przykład szlifierki do wałków zawierającej układ ACG z bezpośrednim pomiarem średnicy szlifowanego wałka lub jego odchyłek od średnicy oczekiwanej. W układzie sterowania w zależności od przyjętej strategii sterowania (realizowanej przez regulator) tarcza szlifierska może być dosuwana (lub odsuwana) w celu zmniejszenia zmierzonego błędu średnicy. W takim układzie sterowania nie jest rozpoznawana przyczyna wystąpienia zakłócenia, lecz tylko znany jest jej skutek. Układ sterujący działa na podstawie zidentyfikowanego skutku.

Układ ACG w szlifierce do otworów z pomiarem pośredniej wielkości charakterystycznej:
a) szlifowanie bez układu ACG, b) szlifowanie z układem ACG; - składowa
promieniowa siły skrawania, F - siła mierzona w układzie ACG w celu
skompensowania niekorzystnego wpływu siły

Na rysunku pokazano przypadek obróbki szlifowaniem z pomiarem pośrednim wielkości, która może być miarą błędu wymiarowo-kształtowego przedmiotu. W przykładzie tym główną przyczyną błędów geometrycznych było mało sztywne wrzeciono szlifierskie, które ulegało odkształceniu pod działaniem odporowej składowej siły skrawania. Pomiar siły F (siły reakcji równej składowej odporowej siły skrawania) został wykorzystany do zmiany położenia osi wrzeciona. W tej koncepcji sterowania ACG wykorzystano istniejące zależności pomiędzy mierzoną siłą a odpowiadającymi jej odkształceniami wrzeciona, które bezpośrednio wpływały na wymiar średnicy otworu szlifowanego.

              W układach z pomiarem pośredniej wielkości charakterystycznej efektywność działania sterowania ACG zależy od właściwego wyboru wielkości charakterystycznej. W układach tych wpływ innych zakłóceń, które nie zmieniają mierzonej wielkości charakterystycznej, nie zostanie bowiem zlikwidowany.

              Układy ACG z pomiarem pośredniej wielkości charakterystycznej mogą być projektowane pod kątem likwidacji konkretnego zakłócenia. Jeżeli np. w układzie sterowania zamiast średnicy przedmiotu będzie się mierzyć średnicę tarczy szlifierskiej, to taki układ ACG będzie reagował jedynie na zmiany związane ze zużywaniem się tarczy szlifierskiej. Żadne inne zakłócenia wpływające na średnicę przedmiotu nie będą likwidowane.

              Układy ACG z bezpośrednim pomiarem zakłócenia mają sens wówczas, gdy mamy pewność, że jest to zakłócenie dominujące i wpływa na błędy obróbki. Wpływ pozostałych zakłóceń jest w takich przypadkach do pominięcia. Jeżeli natomiast tak nie jest, to pomiarowi powinna podlegać ta wielkość (ten wymiar geometryczny), na utrzymaniu której nam zależy.

Układy ACG mogą być realizowane jako:

·         układy reagujące w czasie trwania obróbki,

·         układy reagujące po zakończeniu obróbki.

              Przypadek drugi jest szczególnie charakterystyczny dla likwidacji zakłóceń spowodowanych zużywaniem się narzędzi. W elastycznych układach często po zakończeniu obróbki narzędzie jest diagnozowane pod kątem zmian jego geometrii (kształtu i wymiarów ostrza skrawającego). Zmiana geometrii ostrza, np. tzw. skrócenie wierzchołka ostrza może zostać wykorzystane do korekcji obróbki.

              Na rysunku pokazano przykład układu ACG, w którym po zakończeniu obróbki kolejnych przedmiotów głowica pomiarowa mierzy powstałe błędy obróbki. Tak zidentyfikowane błędy wymiaru poprzecznego są uwzględniane w postaci korekcji położenia środka freza. Mówimy wówczas o tzw. układach samouczących się.

              Układ sterowania pamięta błędy obróbki z każdego kolejnego przedmiotu. Może dzięki temu wygenerować funkcję zmiany błędów i skorygować program NC jeszcze przed rozpoczęciem obróbki następnego przedmiotu.

              Układy sterowania adaptacyjnego geometrycznego ACG stosuje się przede wszystkim do obróbki wykańczającej. Są one więc charakterystyczne dla wszelkiego rodzaju szlifierek. Mają także sens w obrabiarkach z zespołami roboczymi o małej sztywności, takimi jak np. zespół wysuwnego wrzeciona wytaczarskiego w wytaczarko-frezarkach.

OPTYMALIZACJA PROCESU OBRÓBKI W UKŁADACH STEROWANIA ADAPTACYJNEGO

              Układy automatycznego nadzoru w elastycznej automatyzacji mają zapewnić bezobsługową pracę w dłuższym czasie. Ich głównym zadaniem jest zabezpieczenie odpowiednich warunków działania systemu. Układy nadzorujące mogą także pełnić rolę układów optymalizujących proces obróbki w świetle przyjętego wskaźnika jakości. Układy nadzorujące spełniające tę rolę są nazywane układami sterowania adaptacyjnego technologicznego ACT. Układy te cechuje aktywny stosunek do niektórych parametrów obróbkowych. Oznacza to, że obrabiarka wyposażona w układ ACT realizuje proces obróbki ze zmiennymi parametrami stosownie do zmieniających się warunków skrawania.

              Z definicji ACT wynika wskaźnik jakości obróbki (WJO), którego ogólną definicję przedstawiono na rysunku.

              , , - wagi (0-1)

Rys. Definicja wskaźnika jakości

W zależności od celu obróbki wskaźnik jakości obróbki WJO może być wskaźnikiem ekonomicznym (minimum kosztu), wydajnościowym (maksymalizacja obróbki) lub jakości przedmiotu (wysoka dokładność) albo ich kombinacją. Istotne jest, że wartość tego wskaźnika zależy także od parametrów obróbkowych.

              Układ sterowania adaptacyjnego jest z cybernetycznego punktu widzenia układem automatycznej regulacji, w którym występują takie pojęcia, jak:

·         wielkości nastawiające albo sterujące,

·         wielkości regulowane,

·         wielkości mierzone,

·         wielkości zakłócające,

·         wielkości ograniczające.

Rys. Schemat blokowy układu sterowania adaptacyjnego

              Na rysunku  przedstawiono schemat blokowy układu sterowania adaptacyjnego.

              Wielkościami nastawiającymi (sterującymi) są te parametry obróbki, które sterowanie adaptacyjne zmienia w czasie procesu obróbki, np. posuw albo prędkość wrzeciona.

              Wielkościami mierzonymi są te wielkości wyjściowe z procesu obróbki, które są wykorzystywane przez sterowanie do wyznaczania wskaźnika jakości obróbki WJO.

              Wielkości zakłócające są to wielkości zmieniające cechy przedmiotu (naddatek obróbkowy, twardość materiału), narzędzia (stępienie ostrza), obrabiarki (zmieniająca się sztywność), które powodują, że przebieg wielkości wyjściowych odbiega od założonego.

              Kryterium sterowania jest czynnikiem, na podstawie którego rozróżnia się sterowania adaptacyjne:

·         ekstremalne (optymalizujące),

·         stałowartościowe.

              A)

Istota sterowania adaptacyjnego ekstremalnego; Z, , , - zakłócenia, WJO - wskaźnik jakości obróbki, X - parametr nastawiany, Xop – wartość optymalna parametru X

              B)

Istota sterowania adaptacyjnego stałowartościowego; Z, , , - zakłócenia, WJO - wskaźnik jakości obróbki, X - parametr nastawiany, Xop – wartość optymalna parametru X

              Układy sterowania adaptacyjnego ekstremalnego należą z punktu widzenia teorii regulacji do układów regulacji optymalnej. Jednym z trudniejszych problemów jest w tym przypadku poszukiwanie rozwiązania optymalnego.

              Układy sterowania adaptacyjnego stałowartościowego w wersji przedstawionej na rys. B nie są stosowane. Stosowane są dużo prostsze odmiany tych sterowań, nazywane sterowaniami granicznymi. W układach sterowania granicznego ekstremum wskaźnika jakości obróbki WJO znajduje się poza obszarem dopuszczalnych zmian parametru obróbkowego nastawianego, a przebieg wskaźnika WJO ma charakter monotoniczny. Optymalna wartość parametru nastawianego znajduje się na granicach jego dopuszczalnych zmian (rys. C).

              C)

UKŁADY STEROWANIA ADAPTACYJNEGO GRANICZNEGO (ACC)

              Układy ACC technologiczne stosuje się przede wszystkim do obróbki zgrubnej w celu maksymalizacji wydajności obróbki. Maksymalizację wydajności skrawania osiąga się dzięki maksymalizacji przekroju warstwy skrawanej i prędkości skrawania. Przeszkodą w nadmiernym zwiększaniu prędkości skrawania jest okres trwałości. Dlatego praktycznie zrealizowane układy ACC osiągają swój zasadniczy cel poprzez maksymalizację posuwu (głębokość skrawania jest na ogół traktowana jako wielkość zakłócająca, która zmienia się odpowiednio do naddatku obróbkowego).

              W układach ACC dla obróbki zgrubnej maksymalną wydajność osiąga się wówczas, kiedy obróbka przebiega z największym dopuszczalnym posuwem. Kryterium sterowania są więc takie wskaźniki fizykalne, od których zależy dopuszczalny posuw. Schemat blokowy układu ACC, który maksymalizuje posuw ze względu na nie przekraczanie dopuszczalnej wartości siły skrawania, przedstawiono na rysunku.

Schemat blokowy układu ACC z posuwem jako wielkością nastawiającą

              Sterowanie z uwagi na zadaną wartość siły skrawania zapewnia obróbkę z takimi parametrami, dla których siła skrawania nie przekroczy wartości uznanej za dopuszczalną. Siła skrawania jest funkcją posuwu i głębokości skrawania (oraz innych cech materiału przedmiotu) wg przybliżonej zależności

...