Методика проектирования гибких модулей на базе винтовых прессов с системой диагностического управления

Перевертов В.П., Авдонин Г.Т., Бочаров Ю.А. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКИХ МОДУЛЕЙ НА БАЗЕ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ С СИСТЕМОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Создание гибких производственных модулей (ГПМ) и комплексов обработки материала давлением с системой диагностического управления, составными частями которой являются система контроля (получение информации от датчиков), система диагностики (обработка информации, принятие диагноза о техническом состоянии объекта, выход из состояния отказа), система управления (ручное, программное, адаптивное) представляет собой комплекс задач, решение которых целесообразно осуществлять поэтапно, в соответствии с разработанными алгоритмами (рис. 1-5). В [1] отмечено, что в зависимости от технологического процесса гибкие модули обработки давлением можно подразделить на заготовительные (ГПМз), термические (ГПМТ), штамповочные (ГПМш), обрезные (ГПМо), контрольные (ГПМк) из которых можно компоновать кузнечные линии, участки, цехи и заводы.

Рассмотрим горячештамповочный модуль на базе винтового пресса (ВП) с электрическим приводом (ЭВП), гидравлическим приводом (ГВП), фрикционным (ФВП) и муфтовым приводом (МВП). При разработке систем контроля, диагностирования и управления КШМ необходимо в каждом конкретном случае учитывать конструктивные особенности ВП.

Характерными этапами при его проектировании является разработка структурно-функциональных, динамических и математических моделей: модуля, системы контроля, диагностики и управления,

технологического процесса и кузнечного оборудования. В [2] рассматривается математическая модель гибкого модуля на основе линейной регрессии, которую можно использовать при расчетах. Следующими характерными этапами проектирования являются: разработка алгоритмов контроля, диагностирования и управления как КШМ, так и модуля в целом; разработка программного обеспечения, структурных и принципиальных схем систем контроля, диагностики и управления; проведение имитационного моделирования и исследований на реальном оборудовании. При проектировании систем контроля, диагностирования и управления ВП (рис.1-5), а так же модуля в целом, необходимо условно «разбить» КШМ на основные элементы 1-6 в соответствии с разработанной классификацией отказов 2 рода, каждый из которых имеет свою математическую и динамическую модель. На основе этих моделей выбираются контролируемые и диагностируемые параметры 1-1"', ...6-6"' и диапазон технического

состояния (норма, риск, отказ) каждого из диагностируемых элементов пресса. Для определения технического состояния каждого из элементов выбираются методы диагностирования и технические средства контроля (система контроля) для его осуществления. Далее рабочий процесс проектирования осуществляется в соответствии с разработанным алгоритмом (рис. 2) и результатами, приведенными в [1-5].

Для ГВП, в качестве элемента 1 (силовое оборудование) является гидропривод, имеющий математическую и динамическую модели [1]. В качестве диагностируемых параметров 1 - 1''' можно

выбрать следующие: 1' - давление масла в гидросистеме; 1'' - температура масла; 1''' - объем масла в гидросистеме и т.д. Для ЭВП в качестве элемента 1 является электропривод (силовое оборудование), для которого характерна своя математическая и динамическая модели, из которых можно выбрать следующие диагностические параметры: 1' - крутящий момент; 1'' - зазор между ротором-статором; 1'''

- температура обмоток статора и т.д.

Рис. 1. Алгоритм процесса проектирования ГПМ обработки давлением

Рис. 2. Алгоритм проектирования систем диагностики КШМ

В качестве элемента 2 КШМ (рис. 2),от которого зависит точность дозирования энергии удара, а следовательно качество поковок, выбираем исполнительный орган пресса. Для ГВП это может быть запорный клапан высокого давления или быстродействующий импульсный клапан [6]. В качестве диагностируемых параметров выбираем: 2' - ход золотника; 2'' - время срабатывания; 2''' - давление в запорном клапане и т.д. Для ЭВП в качестве исполнительного органа служат электромагнитные переключатели, в ФВП - поршневые гидропневмоцилиндры механизма нажатия диском на маховик. У муфтовых винтовых прессов (МВП) исполнительным органом служат электромагнитные, пьезо или

механические гидроклапаны включение-отключение. Наиболее перспективны пьезогидравлические

исполнительные органы с импульсным сбрасывающим клапаном [6].

В качестве элемента 3 КШМ выбираем штамповую оснастку, а диагностируемых параметров: 3' - объем полости штампа; 3'' - температура штампов и т.д. Аналогично рассматриваются и последующие элементы КШМ, количество которых зависит от «глубины» диагностирования.

При выборе области состояний элементов КШМ следует учитывать, что диагноз - образ собирательный и зависит от каждого из рассмотренных параметров. На этом этапе проектирования рекомендуется установить диапазон ограничений на диагностируемые параметры; их взаимное влияние, использовать алгоритм диагностирования.

При выборе методов диагностирования КШМ следует руководствоваться материалами, рассмотренными в работах [1, 3] . Рассмотренная методика построения систем диагностирования применима и к

системам более высокого порядка: модулям и комплексам.

Алгоритм проектирования технических средств систем контроля параметров технологического

процесса, КШМ и модулей на их основе представлена на рис. 3. При выборе методов измерения следует исходить из того, что технические средства будут работать в условиях вибраций, ударных нагрузок, графитовой пыли т.е. должны быть бесконтактными. При выборе методов обработки информации рекомендуется использовать адаптивные методы, разработанные С.В. Копейкиным [4].

Создание систем управления энергией удара КШМ целесообразно осуществлять в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 4.

1. Технологический процесс. На этом этапе необходимо выбрать оптимальный технологический

процесс: 1 - штамповка в открытых штампах; 2-штамповка в закрытых штампах; 3 - закрытая объемная

штамповка выдавливанием в разъемные матрицы; 4 - штамповка с активными силами трения; 5-

штамповка с кручением и т.д.

2. Технологическое оборудование. На этом этапе выбирается КШМ, на которой можно осуществлять выбранный технологический процесс, отвечающая требованиям гибкого производства.

3. Разработка математических моделей технологического процесса, КШМ, технических средств контроля, диагностики и управления, алгоритма управления необходима как на этапе исследований на реальном оборудовании, так и при имитационном моделировании.

Исследование физики процесса деформирования заготовки при штамповке не входит в круг задач

данной работы. Поэтому при моделировании работы системы управления энергией КШМ считается известной зависимость энергии деформирования заготовки при штамповке заданных деталей.

Для разработки методики сформулированы математические модели технологического процесса, кузнечной машины, технических средств контроля и управления, алгоритма управления в соответствии с [1]. Поскольку в реальных условиях существенное значение имеют случайные факторы, они должны быть отражены в математических моделях соответствующими параметрами и зависимостями.

Технологический процесс. В задачах управления процессом горячей объемной штамповки на КШМ ударного действия математической моделью технологического процесса является одна из следующих функциональных зависимостей:

а) технологического усилия Рд в зависимости от параметров технологического процесса

(температуры 0з, массы (объема) Шз (Уз) заготовки и т.д.) и величины деформации заготовки на

рабочем ходе Б'

Рд = Рд

где Хт =(Д0з, А Шз, ...) - вектор отклонений контролируемых параметров технологического процесса от

расчетных значений Хт ; - вектор контролируемых параметров технологического процесса.

Рис. 3. Алгоритм проектирования средств контроля параметров технологического процесса и КШМ

Рис. 4. Алгоритм проектирования систем управления энергией удара КШМ

В реальных условиях контролируемые параметры технологического процесса 0з, Шз, ... измеряются

датчиками с некоторыми погрешностями 5е, 5ш,  поэтому более точной моделью технологического

усилия будетТ зависимость

Рд = Рд

где Х т - вектор параметров технологического процесса, измеренных реальными датчиками системы контроля; 5хт - вектор погрешностей датчиков системы контроля параметров технологического процесса.

Функции (1) и (2) в общем случае нелинейны по своим аргументам. Однако если отклонение параметров технологического процесса допустить только в достаточно узком диапазоне[1], то модель (1) технологического усилия можно представить в линеаризованном виде

Рд = X

где X (Б ') - линейная кусочно-гладкая функция,

Л

где 5р - случайная составляющая,

технологического процесса 5т •

Модель (2) линеаризуется к виду

т ‘хт =хт

обусловленная наличием неконтролируемых параметров

Рд = X (^) + Л (Б ') -X 'т + Ур, где 4' = § - X (Б')-4хт

б) потребной работы деформирования заготовки Ад

Ад = Ад

0

или в линеаризованном виде где

Ад—Хз+Л*Хт+5а_ Хз+Л*Х ' т+У ' а,

X = | Л(Б';

0

Л = | Л(Б УБ' ;

Гл = ^ -ГРІ4 = •£ .

в) оптимальной эффективной энергии рабочих частей КШМ

Т’О _ Ла

тэ =

где ^д - механический КПД рабочего хода.

КШМ ударного действия. В задачах управления энергией КШМ ударного действия её упрощенной математической моделью является модель силового нагружения 0 рабочих частей на ходе разгона

0—0

и уравнение движения рабочих частей

О

_$К_$К__.2£

& м г

где Б, У -перемещение и скорость рабочих частей на ходе разгона 0<Б<Бр; и - управляющий параметр, Хм - вектор контролируемых параметров КШМ; 5м - вектор неконтролируемых параметров КШМ; М -приведенная масса рабочих частей.

При нелинейной зависимости 0 от Б и У2 уравнение (13) является нелинейным дифференциальным уравнением. Учитывая погрешности датчиков системы контроля зависимость (12) можно представить в виде

0=0

где Х'м - параметры машины, определенные датчиками системы контроля, 5хм - погрешности этих датчиков.

Технические средства контроля и управления. Измерение параметров Х± заготовки, штампа и

кузнечной машины датчиками системы контроля производятся с погрешностями 51 (Х± компоненты векторов Хт, Хм; 51 - компоненты векторов 5хм, 5хт). Функционирование технических средств системы управления КШМ (ЭВМ, АЦП, ЦАП и т.д.) также характеризуются возникновением погрешностей (ошибка квантования 5к, ошибки отслеживания параметров Б, У, и - 51, 5у, 5и) и запаздыванием управления

(Дtз). В общем случае, погрешность 5 датчика является нормально распределенной случайной

величиной. Закон и параметры распределения погрешности датчика (М§ - среднее, а -

среднеквадратичное отклонение - в случае нормального распределения) можно считать его приближенной математической моделью.

Запаздывание Дtз цепи управления, включая исполнительный орган пресса, в первом приближении так же может рассматриваться как математическая модель управляющего органа.

Алгоритм управления. Математическая модель алгоритма управления представляет процедуру

вычисления оптимального управления и0 по контролируемым параметрам технологического процесса Хт и машины Хм

и0= и0 (Х„ Хм).

В зависимости от предположений относительно адекватности рассмотренных ранее математических моделей технологического процесса, КШМ и технических средств системы управления используются два основных типа процедур: программного и адаптивного управления. Программное управление может

производиться при фиксированных и переменных параметрах по линейной и по нелинейной моделям КШМ с использованием обратной связи по скорости и т.д. Процедура адаптивного управления в зависимости от аналической конструкции адаптивного регулятора может быть различных типов: с

немодифицированным регулятором, с обновлением регрессии, с экспоненциальной фильтрацией, с

использованием структурной минимизации риска, с использованием вспомогательной обратной связи по результатам хода разгона рабочих частей и т.д.

4. Выбор управляющих параметров.

Для определения влияния различных факторов на конечный результат заданного технологического процесса необходимо учитывать результаты исследований [1]. Так при штамповке поковок на ВП в

открытых штампах потребная энергия деформирования зависит главным образом от температуры

заготовки. При штамповке поковок в закрытых штампах с разъемными матрицами потребная энергия деформирования зависит как от температуры, так и от массы заготовки.

Применение дозированных по массе (объему) заготовок с отклонением 1% позволяет использовать в качестве управляющего параметра температуру заготовки, при требуемом качестве поковок и стойкости штамповой оснастки. Использование заготовок в технологическом процессе с отклонением по массе (объему) свыше 1 % вызывает необходимость применения в качестве управляющего параметра также

массы заготовки. В качестве управляющего параметра можно использовать отклонения химического состава заготовок при наличии системы контроля с быстрой обратной связью.

5. Выбор управляемых параметров.

Активная энергия ВП зависит от конструкции процесса и типа привода. При выборе параметров следует учитывать возможность изменения энергии удара в заданных пределах наиболее простым способом, а требуемую точностью при измерении ±1%. Так для ГВП такими параметрами являются ход разгона ползунов, давление в аккумуляторе и т.д., для ЭВП - ход разгона рабочих частей.

6. Выбор принципа управления энергией удара КШМ (позиционный, автоматический, адаптивный) рассмотрен в работах [1].

7. Выбор методов и средств оценки результатов штамповки и компенсации погрешностей.

При позиционном и автоматическом (программном) принципах управления энергией удара КШМ оценка результатов штамповки производится по окончанию технологического процесса. Адаптивный принцип управления может быть осуществлен только при наличии обратной связи по результатам штамповки, что вызывает необходимость разработки методов и средств контроля величины отклонения фактической анергии удара от требуемой при штамповке поковок. Так при штамповке выдавливанием в разъемные матрицы без упора о результатах штамповки можно судить по положению пуансонов в конце рабочего хода. При недостатке энергии деформирования пуансоны не достигнут нулевого положения, при избытке продвинутся за нулевое положение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. Управление кузнечными машинами в ГПС. -

Куйбышев: Кн. из-во, 1987. - 160с.

2. Копейкин С.В., Перевертов В.П. Построение математической модели ГПМ горячей объемной штамповки на основе линейной регрессии// Известия высших учебных заведений. - М.: Машиностроение.

- 1989. - №3. - С.

3. Нахапетян Е.Г. Диагностирование оборудования гибкого автоматизированного производства. -

М.: Наука, 1985. - 225с.

4. Копейкин С.В. Адаптивные методы обработки измерений. - Саратов: СГУ, 1982. - 119с.

5. Перевертов В.П., Герасимов А.В. Структура диагностики кузнечно-штамповочных машин и гибких модулей на их основе// Известия высших учебных заведений. - М.: Машиностроение. - 1988. - №6. - С 107-108.

6. Перевертов В.П., Маркушин М.Е. Динамическое моделирование быстродействующего

исполнительного органа муфтового винтового пресса на базе персонального компьютера// Жизнь и

компьютер: Материалы Всесоюзного семинара автоматизации инженерного труда. - Харьков: НПО

Турбоатом, 1990. - С.69-73.