ТРЕХКАНАЛЬНАЯ АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.048.06-52

ТРЕХКАНАЛЬНАЯ АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

В. А. ПОЛЕТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, И. С. СЫРКИН, аспирант, КузГТУ, г.Кемерово

Рассматривается трехканальная адаптивная система управления технологическим процессом электроэрозионной обработки. Приводится функциональная схема адаптивной системы управления электроэрозионным станком, результаты экспериментального исследования.

The three channel adaptive system of electroerosion treatment control :s studied. The functional diagram of the adaptive control system of an electroerosion tool and the results of experimental research are given.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА, ЭКСПЕРИМЕНТЫ.

Технологический процесс (операция) ТП ЭЭО представляется в виде многомерного объекта (рис. 1), характеризующегося следующими векторными переменными:

• X(t) = [x1 (t),xn(t)] - характеристики заготовки;

• V(t)=[v1(t), vi(t)] - характеристики состояния ТП; ' Y(t) = [y1(t).....ym(t)] - характеристики готового

изделия.

V(t)

m

xi (t)

*n(t)

v,(t Г': | V (0

ТП

I zi(t) г ' ' ' ч I

no

y«k t)

Z(t)

Рис. 1. Схема многомерного ТП

Часть составляющих векторов X{t) и V{t) могут быть управляющими и составлять вектор управления W) = №,(0. uk(t)]. Так как вектор Y{t) рассматривается как следствие осуществления ТП, составляющие векторов X{t) и V{t) могут рассматриваться как причина, поэтому в общем виде переменные X{t) и V{t) обьчно объединяются в группу входных переменных под общим обозначением X(t). Такое представление ТП дает возможность рассматривать его как систему преобразования случайных функций X{t) в случайные функции Y{t).

Неучтенные (неизмеряемые) входные переменные относятся к неконтролируемым возмущениям ДО = [^(0. Zj(f)]. Это особенно важно для процессов ЭЭО, которые подвержены влиянию многочисленных некотролируемых возмущающих воздействий, влияние которых на управляющую величину V(t) невозможно предсказать.

Из сказанного очевидно, что ТП ЭЭО могут быть отнесены к системам с неполной случайной информацией.

Приведенное представление ТП как функционального преобразователя дает возможность применять известные метсды математического описания объекта. В качестве общей динамической характеристики ТП принимается оператор, ставящий в соответствие входные и выходные функции

к,(*М{*.(0.....*«(*)}

(1)

Конкретное выражение оператора зависит от выбранной модели, которая определяется в основном решаемой задачей. В зависимости ст способа представления оператора и входных и выходных переменных обычно и производится классификация объектов. В общем случае ТП ЭЭО относится к классу стохастических объектов, а оператор ТП, как и его входные и выходные переменные, является в общем случае стохастическим. Все остальные случаи носят частный характер.

Следует отметить, что для реальных процессов ЭЭО размерность Х(0, ЦО» У(0> Z{t) очень велика, поэтому учитывается только часть составляющих при контроле и управлении в соответствии с целевой функцией управления и структурой системы управления. В ряде случаев в качестве управляемых величин выбирают режимные параметры процесса, а не характеристики готового изделия. Это связано, во-первых, с простотой контроля и управления данными параметрами, во-вторых, с комплексным влиянием их на эффективность ТП.

На рис. 2 представлена двухзвенная структура процесса ЭЭО как управляемого объекта.

*i(t) Z2(t)

V(t) Звено формирования режимных параметров -x(t) Звено ПО

формирования технологических параметров

Рис. 2. Структура процесса ЭЭО как объекта управления

№ 4(¿1)2008 7

Деление ОУ на звенья условно и ставит задачей показать сложность процесса формирования как режимных параметров, так и технологических. Режимные параметры характеризуют динамику процессов, происходящих в межэлектродном гространстве (МЭП). К каким параметрам относятся частота следования, амплитуда и форма импульсов тока; скорость прокачки и расход рабочей жидкости, время задержки пробоя и др.

Вектор переменных V[t) = |у,(0, ..., vk(f)] вводит с помощью генератора импульсов, привода подачи и устройства прокачки рабочей жидкости рабочие импульсы тока с требуемыми параметрами, опорный сигнал подачи и другую информацию, необходимую для процесса ЭЭО.

Второе звено формирует технологические показатели процесса ЭЭО. В качестве входных являются режимные параметры процесса обработки. На обьект управления действуют возмущающие воздействия zA{t) и z2(t). К векторным переменным z,(f) относятся: колебания величины МЭЗ, колебания величины сечения канала разряда, число пробоев МЭЗ в единицу времени и др. К возмущениям z2(t) - колебания площади обработки, изменение глубины сбработки, вариации количественного соотношения газопаровой, твердой и жидкой сред в МЭП и др. [1, 2]. Как было отмечено выше, данные параметры относятся к неконтролируемым переменным состояния, так как порождаются самим процессом обработки.

К основным выходным технологическим показателям Y(t) = [y,(t).....ym(f)] процесса ЭЭО относятся:

• производительность, т.е. скорость формирования требуемой чертежом поверхности;

• точность обработки, т.е. соответствие требованиям чертежа размеров детали, получаемых в результате обработки;

• качество формирования поверхности (шероховатость);

• качество поверхностного слоя изготовленной детали. В зависимости от требований к ТП могут рассматриваться и другие технологические показатели.

Для обеспечения нормального процесса электроэрозионной обработки необходимо подвести к электродам импульсы технологического тока с требуемыми формой и параметрами, а также ввести в межэлектродную полость поток рабочей жидкости для удаления продуктов обработки и охлаждения рабочей зоны. Кроме того, необходимо настроить сервопривод на поддержание оптимального размера эрозионного промежутка (ЭП), а ь вырезных станках ус1анови1ь 1акже икорои1ь перемотки и натяжение проволочного ЭИ. Таким образом, регулируют электрические, гидравлические и механические параметры режима обработки, взаимосвязанные через рабочую зону.

Основная трудность управления электроэрозионной обработкой заключается в непредвиденных изменениях в широких пределах характеристик внешних воздействий и свойств управляющих объектов, а также е неполноте информации как о свойствах объекта управления, так и внешних воздействиях. Поэтому системе автоматического управления придают свойства адаптивности. Адаптивное управление позволяет на основе полученной от процесса ЭЭО информации о его параметрах находить и поддерживать для конкретных условий обработки оптимальный или заданный режимы работы.

Наибольшую сложность представляет процесс обработки сложнопрофильных полостей на копировально-прошивных электроэрозионных станках.

В общем случае технологический процесс состоит из

предварительной (черновой), получистовой и окончательной обработки.

Цель предварительной обработки - удаление основной части припуска за минималэное время при ограничениях, накладываемых износом инструмента.

Цель получистовой обработки - получение заданной точности изготовления и уменьшение высоты неровности поверхности и толщины измененного слоя после предварительной обработки в соответствии с требованиями по шероховатости поверхности, величина которой определяет длительность доводки.

Цель окончательной обработки - получение заданной шероховатости поверхности за минимальное время.

Таким образом, САУ процессом ЭЭО должна менять целевую функцию управления при переходе с одной операции на другую, а следовательно, и конкретную структуру системы.

Исследование процесса ЭЭО [4, 7] показало, что для управления ходом ТП необходимо использовать несколько каналов управления: генератором импульсов 2; системой прокачки рабочей жидкости 3 и сервоприводом 1 (рис. 3).

Управление сервоприводом, генератором импульсов и системой прокачки осуществляется посредством микропроцессоров 5, б и 7.

Адаптивное управление процессом ЭЭО осуществляется микропроцессором 9. Оптимальные режимы обработки в зависимости от требуемых технологических харамериыик, рассчтанные в «Авюмажческом 1ехно-логе» 5, являются исходными при адаптивном управлении.

Критерий оптимальности зависит от целевой функции управления процессом ЭЭО, а следовательно, и от вида технологической операции ЭЭО. Например, для предварительной обработки критерием оптимальности может являться производительность обработки.

Состояние ЭЭО определяется по анализатору 4. Измеряемыми яеличинями яяляются: разрядное напряжение иэ, время задержки пробоев (ВЗП), эффективность т) использования импульсов.

Ш

4

Рис. 3. Структурная схема адаптивной системы управления электроэрозионным станком

Регулируемые параметры: время паузы между импульсами, величина эрозионного промежутка (ЭП) или координата ЭИ, расход жидкости.

На вход главного микропроцессора 9 поступают измеряемые величины, на выход - координата ЭИ (пропоз-циональная величине ЭП) для микропроцессора 5, зна-

№4(41)2008

чения Г,, и1 и /е для микропроцессора 6, упраылиюще! и генератором 2, и значение расхода жидкости для микропроцессора 7, управляющего системой прокачки 3.

Расчет оптимальных режимов обработки осуществляется в микропроцессоре «Автоматический технолог» 8 на основе достижения максимальной производительности обработки при соблюдении заданных технических требований на деталь.

Задача оптимизации технологического процесса состоит в определении структуры и параметров обработки, при которых общее время обработки Гобщ примет минимальное значение:

(2)

min £ЛЩД V

С учетом времени разведения электродов при релаксации электродов при релаксации

To6iU =min|/VIA1vA1

1+foi

(3)

где А^Д.Кц); = при условии

xl = f(xl,u{,ti)-,

x,(f)=e x„/=W u,(t)=euit

(4)

(5)

где N. - число режимов обработки (переходов); А. - гло-щадь обработки на /'-м режиме (переходе); Д1 - припуск, снимаемый на /'-м режиме (переходе); 1/со1 - скорость съема припуска на /'-м режиме; £о1 - время разведения электродов при релаксации; £р1 - время работы между двумя последовательными разведениями;^ - множество допустимых значений векторах^); - фазовый вектор технологических параметров, определяющих состояние операции (перехода) в момент времени V, и1 - множество допустимых значений вектора ¿7,(0 - вектор управления, компонентами которого являются технологические параметры г-го перехода.

К фазовым технологическим параметрам относятся показатели качества детали. К управляющим - режимы обрабстки, припуск на обработку.

Математическая модель технологической операции представлена системой уравнений связи (4) и ограничений (5).

В общем случае накладываются ограничения по качеству продукции, себестоимости обработки и другим показателям.

Определение численных значений технологических параметров, при которых целевая функция принимает минимальное значение и составляет суть задачи параметрической оптимизации технологической операции.

На основе проведенных исследований [3. 4, 5, 6] в Кузбасском государственном техническом университете разработана САУ электроэрозионным станком, функциональная схема которого представлена на рис. 4.

При проектировании адаптивной системы решаются две основные задачи: синтез алгоритма управления и его техническая реализация.

Алгоритм адаптивных систем управления электроэрозионными станками состоит из частных алгоритмов: выбора оптимальной модели или первичной оптимизации; определения параметров внешних воздействий;

наифиики параметров оптимальной модели по параметрам внешних воздействий; идентификации объектов управления; настройки параметров корректирующих воздействий по параметрам оптимальной модели и объекта управления; переработки корректирующим сигналом основного контура управления; самонастройки по замкнутому циклу, или вторичной оптимизации, включающей определение вычислительной ошибки цепей самонастройки и выбор управляющих элементов.

"о(0

Я0

<?о(0

"(0

ДО Г"

п

11

14

12

ф)

*,(0ТА,(0 С

(?) Сервомеханизм

2(0 М

X(t)

10

Рис. 4. Функциональная схема САУ: 1 - задающее устройство; 2, 11, 13- преобразовательные устройства; 3 - суммирующее устройство; 4 - усилитель; 5 - регулятор; 6 - исполнительное устройство; 7- тяговое устройство; 8- объект управления; 9 - измерительное

устройство; 10 - анализатор; 12 - управляющее устройство генератора импульсов; 14 - управляющее устройство системы прокачки рабочей жидкости

Решение задачи синтеза адаптивной системы управления электроэрозионным станком имеет следующие этапы.

1. Формулирование критерия первичной оптимизации на оснозе изучения конечной цели адаптивного управления.

2. Описание входного сигнала, который представляет собой полезный сигнал или его комбинацию с сигналом помех.

3. Задание идеального преобразования, которое должно осуществляться САУ.

4. Формулирование сведений о структуре САУ.

5. Формулирование ограничений на переменные параметры системы.

Для обработки сложнопрофильных полостей для различных переходов технологической операции разработаны три различных алгоритма, техническая реализация которых осуществлена в единой САУ, функциональная схема которой представлена на рис. 4.

Для проведения исследований реализации процесса ЭЭО и разработанной САУ был спроектирован и изготовлен экспериментальный образец копировапьно-прошив-ного станка, принципиальная схема которого представлена на рис. 5 [1 2].

Станина 1 выполнена в виде сварной конструкции, на которой крепится неподвижный рабочий стол 2 и каретка вертикального перемещения 4. Вертикальное перемещение осуществляется с помощью тягового устройства ходовой винт - гайка и является установочными. Рабочее перемещение ЭИ осуществляется с помощью линейного сервопривода 5. Ванна с рабочей жидкостью 3 устанавливается на рабочем столе 2 и герметично крепится к нему. Для изоляции станины и рабочих органов установлены изоляционные прокладки 7. для перекачки рабочей жидкости используется шестеренный насос Г11. В качестве фильтров 11 - фильтр тонкой очистки П4-2Ф. Вертикальное перемещение инструментальной головки определяют по индикатору часового тига.

№4(41)2008 9

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментального образца копировально-прошивного электроэрозионного станка: 1 - станина станка; 2- рабочий стол; 3 - ванна с рабочей жидкостью; 4 - каретка вертикального перемещения;

5 - линейный сервопривод; 6 - блок управления; 7- изоляционная прокладка; 8 - электроэрозионный инструмент; 9 - обрабатываемая заготовка; 10- насос;

11 - фильтр; 12 - предохранительный клапан

Станок обеспечивает обработку фасонных поверхностей и отверстий, профиль которых соответствует профилю ЭИ. Гидравлическая система для перекачки рабочей жидкости представляет возможность вести обработку как с прокачкой рабочей жидкости через МЭП, так и без прокачки. Гидравлическая система включает в себя насос 1, фильтры 11 и предохранительный клапан 10. Насос перекачивает предварительно отфилэтрованную рабочую жидкость либо только в ванну, либо (при работе с прокачкой) в ванну V дополнительно через отверстия в ЭИ в МЭП. В рабочей ванне имеются сливные отверстия, через которые при превышении уровня рабочей жидкости выше заданного избыток возвращается в бак. Установка заготовки осуществляется на столе с универсальным приспособлением для ориентации относительно ЭИ. При необходимости точной установки ЭИ относительно заготовки имеется возможность использования специальных регулируемых приспособлений.

В блоке управления располагается САУ электроэрозионным станком, структурная схема которой представлена на рис. 6.

Целью экспериментальных исследований является проверка теоретических результатов, полученных при проектировании САУ.

Основными задачами исследования являются:

• исследование процесса ЭЭО как объекта управления;

• исследование оснсвных свойств разработанной САУ процессом ЭЭО.

При проведении натурных экспериментов 112] прОЕО-дилось:

• исследование переходных процессов обработки в объекте управления;

• исследование кривых переходных процессов САУ;

• анализ поисковых режимов работы экспериментальной САУ.

Рис. 6. Структурная схема адаптивной системы управления электроэрозионным станком

Анализ полученных экспериментальных данных подтвердил достаточно хорошее совпадение с теоретическими результатами, полученными путем моделирования процессов на ЭВМ [6, 9, 11], а применяемый в системе шаговый поисковый алгоритм обеспечивает достаточное быстродействие, точность и надежность процессов поиска экстремумов режимных паэаметров [11].

Список литературы

1. Иоффе О. Ф. Автоматизированные электроэрозионные станки / В.Ф. Иоффе, М.В. Коренбгюм, В.А. Шавырин - Л.: Машиностроение, 1984. - 227 с.

2. Размерная электрическая обработка металлов / Б. А. Артамонов и др. - М.: Высш. школа, 1Э78. - 336 с.

3. Особенности управления процессом ЭЭО / В.А. Полетаев, И.С. Сыркин // Вестник СГУПСа. - Новосибирск, 20С5. -Вып. 11.-С. 56-62.

4. Конструкция системы упраЕления электроэрояионным станком / Полетаев В.А., Сыркин И.С. // Вестник КузГТУ. - Кемерово, 2007. - Вып. 1. - С. 54-59.

5. Разработка и управление ходом технологического процесса электроэрозионной обработки / В.А. Полетаев, И.С. Сыркин // Вестник КузГТУ. - Кемерово, 2007. - Вып. 1. - С. 60-66.

6. Отчет по программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.) на 2006-2007 гг.» по проекту "Разработка системы управления с использованием теории нечетких множеств и нейронных сетей", код проекта 2.1.2-5232.

7. Полетаев В. А. Адаптивная система управления процессом злектроэрозионной обработки/ В.А. Полетаев, И.З. Сыркин // Труды I Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса». - Кемерово, 2007

8. Сыркин И. С. Управление процессом злектроэрозионной обработки / И.С. Сыркин, В.А. Полетаев // Вестник РАЕН, 2007. -Вып. 9.-С. 192-198.

10 №4(41)2008

9. Атрощенко b. ü. I Ювышение эффективности электроэрозионной обработки методом гибкого энергетического воздействия / В.В. Атрощенко, А. Г. Голубятников, А.Б. Лахмостов, A.A. Митрофанов, В.И. Полянин // Авиационная промышленность, 1989. - Вып. 10.-С. 40-43.

10. Проектирование адаптивной системы управления процессом электроэрозионной обработки / В. А. Полетаев, И. С.

Сыркин // Вестник КузГТУ. 62-71.

Кемерово, 2007. - Вып. 6. - С.

11. Экспериментальные исследования адаптивной системы управления процессом электроэрозионной обработки / В. А. Полетаев, И. С. Сыркин // Вестник КузГТУ. - Кемерово, 2007. - Вып. 6. - С. 72-75.

УДК 669.018.218

'АНОМАЛИЯ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В. К. АФАНАСЬЕВ, академик РАЕН, профессор, доктор техн. наук,

А.В. ГОРШЕНИН, вед. инженер ПТТП4, М.В. ПОПОВА, профессор, доктор техн.

наук, СибГИУ, г.Новокузнецк

Исследуется увеличение коэффициента линейного расширения поршневых сплавов и на этой основе сделан вывод о необходимости разработки режимов термической обработки поршней ДВС, устраняющих аномалию коэффициента.

The increase of linear expansion coefficient of piston alloys is studied and on this basis the conclusion about the need to develop the conditions for thermal treatment of internal combustion engine pistons to eliminate the coefficient anomaly is made.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ.

Повышение эксплуатационной стойкости двигателей внутреннего сгорания (ДВС) полностью определяется разработкой мероприятий по уменьшению коэффициента линейного расширения (КЛР) поршневых сплавов. Такое положение естественно, так как поршень является «сердцем» ДВС.

R современных ДВС применяются поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов, среди которых лидирующее положение занимают сплавы алюминия с кремнием (силумины), дополнительно легированные медью, магнием, никелем, титаном и другими элементами. В таблице 1 приведен в качестве примера химический состав поршней некоторых ДВС.

Изучение химического состава поршневых сплавов позволяет сделать вывод о том, что все перечисленные поршни изготовлены из эвтектических силуминов (кроме заэыемичеики! и Mahle 138). Анализ системы «поршень-гильза^ показывает, что одним из важнейших условий ее успешной работы является близость коэффициентов линейного расширения поршчя и стальной гильзы, для того, чтобы зазор между ними был минимальным. Величина зазора определяет КПД двигателя.

На дифференциальном фоторегистрирующем дилатометре системы Шевенара определяли КЛР образцов, вырезанных из поршней ДВС легковых и грузозых автомобилей (табл. 2). На рисунке дополнительно для большей наглядности приведена графическая картина изменения КЛР, так как он измеряется в миллионных долях метра.

В результате проведенной работы было сделано обобщающее заключение: для всех поршневых эвтектических силуминов характерно увеличение КЛР в области рабочих температур поршня (250...300 °С), называемое аномалией линейного расширения. Заэвтектический сплав

Mahle 138 аномалий КЛР не имеет, так как в его структуре присутствует кремний в виде первичных кристаллов, образующих жесткий каркас, препятствующий расширению сплава. Однако появление первичных кристаллов кремнистой фазы в структуре сплава резко снижает его технологичность.

Сделан вывод о необходимости разработки режимов термической обработки поршней ДВС, устраняющих аномалию КЛР без увеличения содержания кремния в сплаве. Работа е этом направлении продолжается.

25 24 23 22 21

i » Ъ* 19 в

18 17 16 15 14 13

30 100 150 200 250 300 350 400 450 Температура, *С

-о—ЗИЛ 130; -о- ЗИЛ 375; -й- ИКАРУС 255;

-*-ГАЗ 53-4; -*-BMW; -0-МаЫе138.

Рис. Линейное расширение поршней различных ДВС

*- здесь и далее изложение доклада на 6-ой научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлобрабо^ки в промышленности на современном этапе», 25 марта 2008 г., г.Новосибирск