Управление техническими системами

Адаптивные СЧПУ могут различаться  способами контроля параметров, вызывающих возмущающее воздействие, и способами  воздействия на параметры регулирования, посредством которых, как правило, ведется адаптация с учетом новых условий управления. Чаще всего параметрами, которые являются возмущающими или регулирующими, бывают мощность и сила резания, диаметр обработки, припуск на обработку, температура в зоне резания, деформация в системе станок — приспособление — инструмент — заготовка, износ режущего инструмента и т. д.

Адаптивные СЧПУ могут различаться  числом каналов регулирования, видом  и законом регулирующих воздействий.

 

2. Адаптивная СЧПУ с применением оптимального регулирования построена на базе универсального УЧПУ с соответствующим дополнительным математическим и программным обеспечением (Рисунок 42).

 

Рисунок 42 - Функциональная схема адаптивной СЧПУ

 

Функциональная схема устройства адаптации включает в себя следующие  узлы: узел, в котором проходит процесс  резания (ПР) и измеряются необходимые параметры процесса обработки; упругая система станка (УСС), которая представляет собой фактическую систему станок — приспособление — инструмент — заготовка; привод подачи (ПП); главный привод (ГП); датчик синхронизации схемы с частотой вращения шпинделя (ДС); датчик, измеряющий амплитуду колебаний (ДК), датчик тока или мощности (ДТ), усилитель датчика колебаний (УДК) блок масштабирования сигнала обратной связи по мощности и компенсации сигнала, создаваемого током холостого хода (БМК) блоки ограничения сигналов управления скоростью подачи (υ_s) и частотой вращения шпинделя (Б01, Б02); командный генератор (Г); полосовой фильтр (ПФ) блок согласования (БС) блоки умножения (БУ1, БУ2); экстремальный регулятор колебаний изменением частоты вращения шпинделя (ЭРК) регулятор колебаний изменением скорости подачи, (РК) блок логики для сравнения частоты вращения шпинделя с заданными параметрами (БЛ); регулятор мощности (РМ); физические величины, характеризующие в процессе обработки скорость подачи, частоту вращения шпинделя, амплитуду колебания, силу резания (мощность) и ток нагрузки.

На основании комплексного критерия оптимальности в адаптивной СЧПУ реализуется несколько алгоритмов оптимального автоматического регулирования с полной или частичной реализацией функции оптимальности. Такой метод осуществляется поочередным регулированием установки приоритета по тому или иному алгоритму управления или совместным регулированием по всем необходимым параметрам этого критерия. Адаптивная СЧПУ может реализовывать несколько алгоритмов автоматического регулирования параметров техпроцесса.

 

 

Тема 3.5 Гибкие производственные системы  и гибкие производственные модули

1. Основные термины и определения ГПС
2. Гибкие автоматизированные линии
3. Управление ГПС
4. Современные тенденции в использовании ГПС

 

1. Гибкая производственная система (ГПС) представляет собой совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени. Любая ТПС обладает свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

Роботизированный  технологический комплекс (РТК) состоит из единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения (устройств накопления, ориентации и поштучной выдачи изделий). РТК может функционировать автономно, осуществляя многократно циклы обработки. Если РТК предназначены для работы в составе ГПС, то они должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания в систему.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая функции, связанные с производством изделий, и имеющая возможность встраивания в ГПС.

По организационным признакам  можно выделить 3 разновидности ГПС: ТАЛ, ГАУ и ГАЦ.

1) В гибкой автоматизированной линии (ГАЛ) технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.

2) Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) функционирует по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

3) В состав гибкого автоматизированного цеха (ГАЦ) входят в различных сочетаниях гибкие автоматизированные линии, роботизированные технологические линии, гибкие автоматизированные участки и роботизированные технологические линии и участки для производства изделий заданной номенклатуры.

Таким образом, ГПС — это организационно-техническая производственная система, позволяющая в условиях мелкосерийного, серийного и в отдельных случаях крупносерийного многономенклатурного производства заменить с минимальными затратами и в короткий срок выпускаемую продукцию на новую.

В структуре типовой ГПС необходимы три группы компонентов: технологическая, управления и подготовки производства. Каждая из указанных групп компонентов, образующих соответствующую систему (или подсистему), является человеко-машинной, в которой наиболее трудоемкие функции выполняются входящими в систему средствами вычислительной техники, а творческие функции — конструкторами, технологами и организаторами производства, работающими на АРМ.

Технологическая система представляет собой совокупность основного и вспомогательного технологического оборудования и реализованного на нем технологического производственного процесса, который может быть механообрабатывающим, сборочным, литейным, кузнечнопрессовым, сварочным, гальваническим и т. д. Производственные функции выполняются с помощью специфических для каждого вида производства технических средств, построенных на модульной основе.

При этом решаются следующие задачи: комплектация, складирование, транспортирование и промежуточное накопление исходного материала, заготовок, полуфабрикатов и технологической оснастки; обработка и сборка объектов производства; контроль заготовок, полуфабрикатов и готовой продукции; контроль параметров технологического процесса и состояния инструмента, уборка отходов производства (стружки, облоя, литников); подача вспомогательных материалов (смазочного материала, охлаждающей жидкости, формовочных материалов).

Производственная гибкость ГПС определяется технологической, структурно-организационной и параметрической гибкостью. При этом под гибкостью понимают приспосабливаемость ГПС к изменениям, связанным с выполнением производственной программы. Производственная система считается гибкой и быстропереналаживаемой без существенных затрат, если при изменении объектов производства не меняется состав  компонентов системы и состав информационных связей.

 

2. Обычно станочные автоматические линии, созданные для обработки одной конкретной детали, очень сложно использовать для обработки новой детали, даже аналогичной по конструкции. Принципиально новые средства автоматизации, появившиеся в виде ГПС, позволили создать для таких производств гибкие автоматизированные линии (ГАЛ).

 ГАЛ предназначены  для групповой обработки нескольких  заранее известных аналогичных по конструкции и технологии изготовления деталей. Они состоят из переналаживаемых агрегатных станков и станков с ЧПУ, объединенных единой автоматической транспортной системой Станки с ЧПУ используют в таких линиях при сложных циклах обработки и при необходимости реализовать контурное управление. Технологическое оборудование ГАЛ расположено в принятой последовательности технологических операций.

Широкое распространение  получили ГАЛ, создаваемые на базе агрегатных станков со сменными шпиндельными коробками для обработки корпусных деталей.

На рисунке 43 показан пример такой линии, в состав которой входят: два комплекта унифицированных узлов 1 и 6 для механообработки, две автоматически действующие секции конвейеров шпиндельных коробок 2 и 4, стеллаж  3 для складирования не используемых в заданном цикле работы шпиндельных коробок, три позиции 10 установки заготовок на зажимные приспособления-спутники, транспортная система  автоматической подачи деталей со спутниками на рабочие позиции 11 и 8 (позиция 9 для промежуточного контроля деталей). Комплекты унифицированных узлов имеют силовой стол с редуктором 7 для крепления сменных шпиндельных коробок 5, устройство подачи к силовому столу шпиндельных коробок 12, набор секций конвейеров и поворотных столов. На линии используется до 28 многошпиндельных коробок, которые на спутниках транспортируются в нужный период цикла обработки к силовому узлу, где поочередно автоматически закрепляются. При переналадке новый комплект коробок загружается ни конвейер со склада.

Также большее применение находят в ГАЛ для обработки  деталей типа тел вращения и корпусных  деталей агрегатные станки с ЧПУ, создаваемые из комплектов унифицированных узлов (столов различных типов, механизмов автоматической смены инструмента).

 

3. Управление ГПС реализует комплексные многофункциональные иерархически построенные автоматизированные системы управления (АСУ), в которых можно выделить две функциональные составные части:

- управления технологическими процессами (АСУТП)

- организационно- - технологического управления (АСУОТ).

Первая решает задачи группового управления технологическим и транспортным оборудованием, а вторая – задачи планирования, диспетчеризации и учета хода производства. Обе составные части АСУ ГПС тесно взаимосвязаны между собой как аппаратными, так и программными средствами.

АСУ ТП предназначена для выработки управляющих воздействий на комплексы (группы) основного и вспомогательного оборудования ГПС, передачи управляющих программ и другой требуемой информации в устройства локального управления (системы ЧПУ оборудованием, устройства электроавтоматики), приема информации от устройств локального управления, а также для организации хранения в памяти ЭВМ библиотеки управляющих программ и всей необходимой технологической документации. В состав АСУ ТП входят модули локального управления, средства информационно-измерительной и вычислительной техники.

В ГПС программное управление обеспечивает функционирование оборудования в автоматическом режиме в соответствии с заданной программой и возможность изменения процессов функционирования при смене программы.

Главная проблема, возникающая при разработке системы группового управления оборудования ГПС – обеспечение взаимодействия устройства локального управления с ЭВМ. Решение этой проблемы связано с унификацией и стандартизацией программно-аппаратных интерфейсов (физического, логического и информационного).

Физический интерфейс определяет способ электрического и механического сопряжения ЭВМ и локальных устройств управления. Логический интерфейс определяет способ передачи информации (протокол обмена информацией) по каналу  связи: способ установления и прекращения сеансов связи, размер передаваемых сообщений. Информационный интерфейс определяет состав и формат передаваемых по каналу связи сообщений, т.е. язык информационного обмена между ЭВМ и локальными устройствами управления.

 

 

4. ГПС находят применение в основном в станкостроении, машиностроении.

Анализ ГПС позволяет сделать  некоторые выводы:

• управление транспортными системами и работой станков осуществляется одной или несколькими отдельными ЭВМ;
• число станков в ГПС колеблется от 2 до 50. Однако 80% ГПС составлено из 4-5 станков и 15% из 8 – 10;
• реже встречаются системы из 30-50 станков (2-3%);
• наибольший экономический эффект от использования ГПС достигается при обработке корпусных деталей, нежели от их использования при обработке других деталей, например деталей типа тел вращения. Например в Германии их 60%, в Японии – более 70, в США – около 90%;
• различна и степень гибкости ГПС. Например в США преобладают системы для обработки изделий в пределах 4-10 наименований, в Германии – от 50 до 200;
• нормативный срок окупаемости ГПС в различных странах 2 - 4,5 года.

Проблемы, возникшие при  применении гибких систем:

• ГПС не достигла поставленных целей по рентабельности; она оказалась слишком дорогостоящей по сравнению с преимуществами, достигнутыми с ней. Обнаружено, что причиной высокой стоимости оборудования были несоразмерные расходы на приспособления и транспортную систему;
• разработка и введение в эксплуатацию комплексной ГПС оказалось трудным, а также дорогостоящим;
• из-за недостатка опыта было трудно выбирать подходящие типы систем и оборудование для нее;
• имеется мало поставщиков систем, которые могут поставлять сложные системы.
• в некоторых случаях эксплуатационники получили опыт о фактически слабой гибкости;
• конструктивные элементы ГАПС, например, станки, системы управления и периферийные устройства часто оказывались неподходящими к системе и вызывали лишние проблемы по стыковке.
• Эксплуатационники часто не имеют достаточной готовности к эксплуатации сложной системы;
• Длительный срок выполнения проекта от конструирования до запуска системы.

Перспективы применения гибких систем

• одновременное повышение эффективности и гибкости;
• повышение степени автоматизации не уменьшая гибкости;
• усовершенствование таких измерительно-контрольных методов, которые контролируют в процессе обработки состояние инструмента и обрабатываемых деталей, необходимое для соответствующей автоматической подналадки;
• уменьшение количества приспособлений и палет за счет автоматизации крепления деталей;
• введение в ГПС таких операций, как промывка, покрытие, термообработка, сборка и т.д;
• развитие профилактического техобслуживания.

Значение ГПС

• более высокий коэффициент использования станков (в 2-4 раза больше по сравнению с применением отдельных станков);
• более короткое время прохода производства;
• уменьшается доля незаконченного производства, т.е. уменьшается количество запасов деталей на складах, которое означает уменьшение продукции, привязанного к производству;
• более ясный поток материала, меньше перетранспортировок и меньше точек управления производством;
• уменьшаются расходы на заработную плату;
• более ровное качество продукции;
• более удобная и благоприятная обстановка и условия работы для работающих.