CC BY
129
Перевертов В.П.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ МОДЕЛИ ГИБКОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО МОДУЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Для повышения качества поковок и обеспечения надежной работы технологического оборудования гибкого производственного модуля обработки материалов давлением (ГПМ ОМД) (рис. 1) высокие требования предъявляются как к его основным элементам, так и к системе диагностического управления, составными частями которой являются: 1- система контроля (совокупность различного типа датчиков для получения
информации о физических параметрах); 2 - система диагностики (обработка информации, принятие решения о техническом состоянии, выход из состояния отказа); 3 - система управления; 4 - исполнительный орган (рис. 2).
Рис. 1. Структурно-функциональная модель ГПМ ОМД:
1 - кузнечно-штамповочная машина (КШМ) - технологическое оборудование гибкого производственного модуля (ГПМ); 1' - система диагностического управления (СДУ);
2 - система диагностического управления (СДУ) ГПМ; 3 - устройство подачи заготовок (УПЗ) - робот-манипулятор; 3' - система управления УПЗ; 4 - устройство подачи (замены) штампов (УПШ); 4' - СУ УПШ; 5 - устройство подачи поковок (УПП) - робот-манипулятор; 5' - СУ УПП
Рис. 2. Структура управляющей модели ГПМ ОМД для получения заготовок обработкой давлением К основным технологическим требованиям, предъявляемым к оборудованию для точной объемной штамповки, следует отнести: большой запас точно дозируемой энергии; наименьшая зависимость вертикальных
размеров поковки от упругих деформаций системы машина - штамп - заготовка, точное и жесткое направление ползуна; короткое время деформирования и суммарное время контакта штампа с поковкой; короткое время машинного цикла; возможность механизации и автоматизации процесса; возможность изменения основных параметров при наладке.
Отклонения высотных размеров поковок зависят от стабильности крайнего нижнего положения ползуна машины и от колебаний параметров технологического процесса. На винтовых прессах (ВП) стабильность поковок при штамповке без смыкания штампов зависит от точности дозирования энергии. При штамповке на ВП до смыкания штампов неизбежные долевые и температурные деформации деталей пресса и штампов компенсируются самой машиной за счет дополнительного поворота винтового механизма и перемещения ползу-
на. Эта особенность позволяет существенно снизить допуски на размеры по высоте поковки. На ВП при штамповке со смыканием штампов (до упора) получают поковку, точность которой на 2-3 класса выше точности поковок, получаемых на штамповочных молотах, и на 1-2 класса - по сравнению с КГШП.
Муфтовые ВП (МВП) являются новым, перспективным видом КШМ ударного действия и имеют перед традиционными ВП как технологические преимущества (более высокая производительность, большая располагаемая энергия формоизменения, более высокая и почти постоянная скорость деформирования, более короткое время контакта заготовки со штампом под нагрузкой), так и эксплуатационные преимущества (более высокий КПД, «плавный» характер потребления электроэнергии из сети).
Принцип действия МВП обуславливает необходимость быстрого и точного отключения муфты по окончании хода деформирования. Время отсоединения маховика от винта должно быть на порядок меньше длительности хода деформирования. Запаздывание отключения муфты приводит к повышенному износу и преждевременному выходу из строя фрикционных элементов муфты, перегрузке штампов и винтовой пары, уменьшению КПД пресса, сказывается на точность высотного размера поковок (рис. 3).
Рис. 3. Контрольно-диагностические узлы (элементы) МВП
Отключение муфты за тысячные доли секунды представляет собой достаточно сложную техническую проблему.
В условиях ГПС, предполагающих автоматизированный характер функционирования технологического оборудования, система управления МВП должна иметь возможность свободного программирования на необходимое число последовательных ходов, на требуемую работу, усилие или ход деформирования в каждом машинном цикле; должна включать в себя микропроцессорную технику и представлять собой системы программного управления с соответствующим обеспечением программного и адаптивного управления.
В последние годы системы управления (СУ) КШМ изготавливают на основе микропроцессорных элементов, объединенных в модульные блоки; экономичных, компактных, долговечных не требующих длительного времени для замены элементов, быстродействующих и малоинерционных. С учетом этих особенностей при разработке СУ ВП можно сформулировать следующие основные технические требования:
- обеспечивать дозирование энергии с точностью не ниже ± 4 % для горячештамповочного производства
и его функционирование при различных режимах работы: наладка, одиночные, автоматические. Энергию
удара дозировать от номинального значения до 0,3-0,4 Тэ. При номинальной величине энергии должна обеспечиваться номинальная быстроходность машины (паспортное число ходов в минуту);
- пульт управления ВП оснастить цифровой индикацией фактических величин контролируемых и диагностируемых параметров технологического процесса, ВП и его элементов с плавным (ступенчатым) заданием фактической величины энергии, что улучшит условия работы оператора, повысит культуру и безопасность производства;
- создавать микропроцессорные СУ ВП из серийных отечественных элементов с использованием модульных блоков, позволяющих при необходимости производить замену для устранения простоев дорогостоящих КШМ и обеспечивающих моделирование контролируемых зависимостей. Измерение скорости рабочих частей КШМ, температуры, массы, линейных размеров заготовки и штампов и т.д. при этом заключается не в получении их абсолютных значений, а в получении сигнала, пропорционального их значениям, поскольку устройство выполняет не только контрольные, но и диагностические и управляющие функции. Это упрощает конструкцию и процесс отладки.
- структурные схемы устройств для контроля и диагностики параметров технологического процесса и оборудования, включая его исполнительный орган, необходимо оснастить управляющими включением схем сравнения элементами автоматики эталонных (тестовых) сигналов, соответствующих предельным значениям контролируемого и диагностируемого параметра для данного технологического процесса и КШМ;
- устройство должно иметь задатчик скорости с блоком коррекции заданного значения скорости по
температуре, массе, химическому составу, линейным размерам заготовки, с быстродействующим исполнительным органом. Измерители перемещения и скорости рабочих частей КШМ должны иметь ошибки измерения не более 1 % от измеряемого значения на всем диапазоне, быть быстродействующими для целей автоматического контроля, диагностики и управления. Датчики температуры, массы, линейных размеров заготовки должны быть бесконтактными и быстродействующими, чтобы обеспечить передачу сигнала в систему управления ВП для корректировки величины энергии удара. Погрешность измерения не должна превышать 1 % на
всем участке выбранного диапазона измерений;
- для устранения «холодных» ударов, когда заготовка отсутствует, а также при установке в штамп (контейнер матричного блока) заготовки с температурой и массой ниже допустимой, датчики температуры и массы должны подавать сигнал в систему управления для отключения привода пресса;
- при разработке устройств учесть требования техники безопасности, эргономики и рассмотреть возможность их применения на КШМ, предусмотренных к серийному выпуску.
Принципиально новыми и малоизученными элементами горячештамповочного модуля являются автоматизированные устройства подачи и удаления заготовок, поковок, отходов, смены штампов и инструмента (рис.1).
К ним относятся различного рода роботы-манипуляторы, грейферные устройства, магнитные, гравитационные, вибрационные системы (загрузочное оборудование) и т.д., заменяющие рабочего»
В условиях гибкого кузнечного производства они должны обладать: универсальностью;
гибкостью и модульностью на заданную номенклатуру изделий, в частности, путем замены захватных устройств у роботов-манипуляторов;
совместимостью с технологическим оборудованием и транспортными системами; безотказностью;
контролем и ремонтопригодностью;
быстродействием, достаточным для обеспечения требуемой производительности кузнечной машины; безопасностью в работе.
В условиях горячештамповочного производства к ним предъявляются дополнительные требования: повышенная теплостойкость; коррозионно-стойкость; износоустойчивость.
Выполнение этих требований необходимо ввиду наличия окалины, графитовой пыли, агрессивных примесей в кузнечном цехе. Повышенные требования к системам загрузки-выгрузки вызваны наибольшим числом их отказов по сравнению с другими системами.
Применение в горячештамповочном модуле (комплексе) разных типов практически несовместимых систем управления как по конструкции, так и по функциям (системы управления работами-манипуляторами, механизмами смены штампов и инструмента, транспортными средствами и т.д.) затрудняет координацию (синхронизацию) его работы. Концепция распределенной структуры позволит решить эти вопросы, возложив на СУ кузнечным оборудованием и автоматизированными устройствами на базе микро-ЭВМ стыковку с СУ ГПМ ОМД, увеличит надежность системы за счет перераспределения загрузки между оставшимся работоспособным технологическим оборудованием, функций управления между ЭВМ. Применение дешевых, по сравнению со стоимостью всего ГПМ и надежных микропроцессоров и микро-ЭВМ в контуре управления позволит малыми средствами организовать аварийное резервирование в системе управления модулем, повысить живучесть системы в целом.
Выбор надежной структуры системы управления ГПМ ОМД является важной задачей и должен предшествовать ее разработке.
При разработке ГПМ следует обеспечивать инвариантность функционирования наиболее важных элементов программного обеспечения оборудования комплекса, что позволит создать практически реализуемые мало-возмущающиеся системы. При этом необходимо учитывать внешние действующие технологические нагрузки.
Структура управления ГПМ ОМД строится с учетом повышенных требований к живучести систем в целом для обеспечения независимого функционирования отдельных подсистем. Необходимо применение систем управления базами данных, что значительно сократит сроки разработки программного обеспечения и позволит оперативно решать задачи, необходимые производству.
Главное отличие ГПМ ОМД автоматизированных работотехнических штамповочных комплексов - высокая гибкость; как технологическая, так и конструктивная, то есть возможность быстрой переналадки при переходе с одной поковки на другую и возможность работы в течение длительного времени без обслуживающего персонала.
Для выполнения этих задач система управления ГПМ ОМД должна обладать: универсальностью, гибкостью, мобильностью; модульной структурой;
надежностью и живучестью управления при переналадке основного технологического оборудования, загрузочных и транспортно-складских систем;
давать информацию о местах возникновения и причинах отказов, переводить оборудование при перегрузках на работу с облегченными режимами в целях сохранения живучести;
осуществлять функции планирования запуска всех элементов модуля с синхронизацией их работы; обобщать информацию для выполнения функций учета и диспетчеризации;
обеспечивать непрерывную работу модуля в режиме автоматизированной технологии в течение не менее чем одной смены;
использовать ЭВМ системы управления в нерабочие смены для создания нового математического обеспечения, обработки диагностической информации.
Рациональный выбор вычислительной системы управления модулем необходим для обеспечения эффективного функционирования кузнечного модуля при сравнительно небольших, по крайней мере, обоснованных, затратах. Выбор вычислительной системы для ГПМ должен отвечать следующим требованиям:
производительность, объем вычислительной системы, состав периферийного и специализированного оборудования должны соответствовать характеру и особенностям решаемых задач (задачи контроля обработки информации, диагностирования, принятия решений и управления);
обеспечивать создание эффективных баз данных (база данных системы контроля, диагностики, принятия решений и т.п.);
быть совместимой программно и архитектурно с более мощными вычислительными системами; учитывать объективный процесс совершенствования средств вычислительной техники, экономическую эффективность, массовость применения;
быть способной образовывать с вычислительными системами обслуживающими ГО линию, ГП участок, ГП цех и т.д. единую многомашинную систему.
Система управления ГПМ ОМД характеризуется увеличением числа контролируемых параметров и взаимных связей между ними, большим количеством датчиков, воспринимающих и преобразующих информацию о различных взаимосвязанных параметрах кузнечной машины и технологического процесса, разветвленными каналами связи, высокими требованиями к усилительным, нормализующим, согласующим устройствам, устройствам функциональной обработки информации на базе аналоговой, гибридной, цифровой и вычислительной техники, микропроцессорных устройств, устройств отображения информации и исполнительных органов КШМ и модуля в целом.
