Автоматизовані ковальсько-пресові комплекси
Реальний технологічний процес виробництва великогабаритних виробів складної конфігурації характеризується многофакторностью, наявністю на вході і виході тих, що не піддаються контролю параметрів, нестаціонарною, складними залежностями між параметрами і значним запізнюванням по основних каналах управління. В той же час розробка технологій і систем управління процесами базується на фізично погано обумовлених рішеннях крайових зв'язаних завдань термоупругопластичности. Тому дослідження течії металу, а також визначення напружено-деформованого стану і температурних полів в процесі пластичної деформації виробів складної конфігурації зв'язані з великими, часто принципово непереборними обчислювальними труднощами. Певні успіхи досягаються за рахунок розбиття тіл складної конфігурації на ряд тіл простої форми(при використанні прямих варіаційних методів), за допомогою структурного методу(методу R- функцій), за рахунок застосування методу комфортних відображень і використання сучасних чисельних(дискретних) методів(наприклад, методу кінцевих елементів).
Для вирішення завдань, пов'язаних з великими пластичними деформаціями в процесах обробки металів тиском, серед яких в першу чергу варто відмітити DEFORM(Design Environment for FORMing). Проте, принципово важливий той факт, що усі детерміновані математичні моделі фізично недостатньо добре обумовлені у зв'язку з відсутністю точних знань граничних умов(наприклад, сил тертя на контактних поверхнях), механічних і теплофізичних властивостей матеріалу, що деформується.
Усе вищесказане диктує необхідність залучення неформальних(евристичних) методів рішення поставлених завдань і створення експертних систем(ЭС), призначених для проектування технологічних процесів виробництва виробів складної конфігурації з легенів і спеціальних сплавів.
Нині в технічній літературі є окремі відомості про різні підходи до створення ЭС в окремих областях ОМД. Інтелектуалізація завдань обробки металів тиском, мабуть, піде по двох основних напрямах: розробка ЭС проектування технологічних процесів пластичної деформації виробів складної конфігурації і створення інтелектуальних систем управління технологічними машинами і комплексами.
Експертна система призначена для проектування технологічних процесів обробки металів тиском, в першу чергу процесів штампування і пресування виробів складної конфігурації з алюмінієвих, титанових і спеціальних сплавів, а також для вирішення наступних завдань :
• проектування інструменту, що забезпечує рівномірну течію металу в процесі пластичної деформації матеріалу;
• визначення швидкісних режимів деформації(включаючи ізотермічну деформацію);
• визначення енергосилових параметрів процесу пластичної деформації(включаючи визначення енергетичних витрат на кожному технологічному переділі в процесі виготовлення виробу);
• класифікація конфігурацій виробів за складністю їх виготовлення;
• формалізація опису технологічного процесу виготовлення виробів.
Для реалізації поставлених завдань ЭС містить:
• класифікатор конфігурації виробів і повний словник ознак класів виробів;
• базу знань(БЗ), що включає декларативні знання про діючі технологічні процеси і процедурні знання, що дозволяють моделювати технологічні процеси;
• алгоритм отримання виведень і висновків;
• систему накопичення знань і систему пояснень, що відповідає на питання про те, на основі яких даних зроблений той або інший висновок.
Алгоритми отримання виведень і висновків можуть бути побудовані у вигляді системи продукційних правил.
Для побудови БЗ перспективні методи нейроінформатики. БЗ, зосереджена в навчених нейронних мережах, відрізняється великою гнучкістю при зміні і доповненні новими знаннями. Використання нейромереж - універсальний підхід до рішення неформальних завдань, заснованих на експертних оцінках. Отримання структурно-прозорих мереж у БЗ дозволяє обгрунтовувати отримані рішення.
Основні переваги нейромережевих ЭС перед звичайними:
• нейромережі приймають рішення на основі досвіду, придбаного ними самостійно в процесі навчання;
• рішення, що приймається нейромережею, не є категоричним, а виражає певну міру упевненості;
• нейромережа дає можливість в процесі моделювання ситуації подивитися, «а що буде, якщо.».;
• нейромережі зручно використати в різних динамічних системах, оскільки вони дають відповідь дуже швидко;
• можливості нейромереж дозволяють спрощувати процес створення ЭС.
Вітчизняні автоматизовані комплекси і лінії з'явилися порівняно недавно і спеціалізуються на пресуванні будівельних профілів і м'яких алюмінієвих сплавів (Хабаровський і Воронежський заводи обладнані пресами японської фірми Ube, Московський завод в р. Видне - пресами Ube і SMS Hasenclever, Новосибірський завод - пресами фірми «Коджис Трейдинг» і т. д.). Одна з кращих вітчизняних автоматизованих ліній для пресування м'яких алюмінієвих сплавів на базі пресу зусиллям 24 МН створена Уралмашзаводом в 1997 р. для ВАТ ВСМПО. Вона досконаліша в порівнянні з лініями, створеними на Самарському, Каменск-Уральском і Красноярськом металургійних заводах, і ідентична по планувальних рішеннях складу устаткування і системам автоматизованого управління лінії SMS Hasenclever.
Останніми роками широкий розвиток отримують автоматизовані комплекси і лінії прямого і зворотного пресування сплавів, що важко деформуються.
Рис. 3.10. Система управления комплексом
Для управління процесом необхідно в реальному масштабі часу вирішити два завдання : визначити момент і величину зміни швидкості руху пресс-штампеля. Вказані завдання дуже ефективно вирішуються методами нейро-інформатики за рахунок використання в контурі управління штучних нейронних мереж для вироблення адаптивних коефіцієнтів налаштування ПІД-регуляторів гідравлічного приводу пресу. Цей прийом ефективний як для пресів з акумуляторним, так і з індивідуальним приводами. Цей підхід вимагає в раніше розроблені структурні схеми управління гідроприводом ввести блок, що містить нейромережу для налаштування параметрів регулятора.
У завданнях управління зазвичай використовуються повнозв'язні тришарові мережі, на входи яких подаються сигнали, що визначають стан виконавської системи, а на виході отримують сигнал, що управляє. У системі управління доцільно використати другу додаткову нейронну мережу для вироблення уставок на зміни швидкості пресс-штемпеля в певні моменти часу, грунтуючись на даних про поточну швидкість пресс-штемпеля і температурі пресс-изделия.
Для реалізації ізотермічного(чи близькою до неї) штампування потрібне виконання ряду технологічних умов. Вимагається, по-перше, стабілізувати температуру робочої поверхні штампу на визначеному технологічно оптимальному рівні, і, по-друге, регулювати в процесі штампування швидкість руху інструменту для забезпечення належної швидкості деформації матеріалу штампованого виробу. Крім того, необхідно підготувати для ізотермічного штампування заготівлі заданої структури з однорідними по перерізу властивостями. Штампування ж виробів в режимі надпластичності вимагає створення спеціалізованої лінії по підготовці структури заготівель для штампування(наприклад, «Gatorizing»).
Мабуть, у більшості випадків ці дві функції є незалежними один від одного і можуть бути виконані двома незалежними системами управління. Проте, для деяких процесів, наприклад, при обробці тиском титанових сплавів, внаслідок великої кількості теплової енергії, що виділяється при деформації заготівлі, може істотно змінюватися температурне поле штампового набору. У такій ситуації потрібна взаємодія згаданих вище підсистем. Загальна схема системи управління автоматизованим технологічним комплексом ізотермічного штампування приведена на Рис. 3.11.
Рис. 3.11. Схема системи управління автоматизованим технологічним комплексом ізотермічного штампування
Рис. 3.12. Принципова схема системи управління нагрівом штампового набору
На Рис. 3.12 представлена принципова блок-схема системи управління нагрівом штампового набору. Об'єктом управління є штамповий набір, дія на який здійснюється з боку автономних електричних нагрівачів ізотермічного блоку. Задана потужність роботи кожного з них досягається за допомогою відповідного регулятора живлення нагрівача. Стан штампового набору(ШН) вимірюється відповідними термопарами штампового набору, встановленими усередині його об'єму, у тому числі поблизу гравюри штампу, а також термопарами нагрівачів, що вимірюють температуру в зонах найбільшого нагріву для кожного з нагрівачів.
Система також містить блоки: пам'яті, обчислення керованої складової температури(ВУСТ), оцінки некерованої складової температури(НСТ), прогнозування температури, оцінки розузгодження температур, визначення уставок для регуляторів живлення нагрівачів(РПН) і коригування дій, що управляють.
Блок пам'яті зберігає інформацію про вектори дій, що управляють, в попередні моменти часу - uj(к), а також - коефіцієнти впливу aijk, якщо потрібно - обчислює їх. Блок обчислення ВУСТ, отримуючи необхідну інформацію від блоку пам'яті, обчислює OUi.
Блок оцінки НСТ обчислює різницю між свідченнями термопар ШН і Qni і результат - величини @hi - передає блоку прогнозування температур, який з урахуванням температури довкілля вс, а також інформації, що зберігається у блоці пам'яті, обчислює температурну післядію &di, що має сенс свідчень термопар ШН ®i через часи T у разі припинення нагріву.
Блок оцінки розузгодження температур обчислює різницю між потрібною ©* і ®di. Нейромережа знаходить вектор uj. Блок коригування дій, що управляють, коригує вектор u j, якщо зблизька j го нагрівача температура матеріалу наблизилася до критичної, або, якщо серед компонент u~j зустрічаються негативні значення.
Відкоригований вектор дій u~ j, що управляють, записується у блоці пам'яті, а також передається регуляторам живлення нагрівачів, які обробляють його, відповідним чином вибираючи напругу, що подається на кожен нагрівач.
На Рис. 3.13 представлена принципова блок-схема системи управління рухом траверси пресу. Дії, що управляють, на траверсу пресу здійснюються гідросистемою пресу. Стан об'єкту управління відбивають показники датчиків положення і швидкості траверси, а також тиски рідини в робочому циліндрі, по якому робиться оцінка зусилля штампування.
Інформація від датчиків поступає у блок аналізу стану об'єкту, який перевіряє цей стан : на правильність відробітку попередньої уставки за швидкістю; на знаходження величини швидкості в межах, що допускають її вимір і регулювання; на знаходження в допустимих межах зусилля штампування; на наявність досить великої відстані між верхньою і нижньою половинами штампу.
Рис. 3.13. Принципова блок-схема системи управління рухом траверси пресу
Залежно від результатів аналізу стану цим блоком операторові пресу поступає інформація про закінчення або ненормальне протікання процесу внаслідок несправності об'єкту або невірного вибору технології, або дається команда про перехід на режим доштамповки, при якому зазвичай швидкість руху траверси знижується настільки, що не піддається регулюванню, або поступає дозвіл на продовження управління потужністю деформації. У останньому випадку далі робиться обчислення потужності і залежно від її величини обчислюється нова уставка за швидкістю. Блок обчислення нової уставки може, звичайно, залишити її колишній. Від цього блоку уставка за швидкістю подається на вхід регулятора швидкості, який за допомогою регульованого насоса або дроселя її відпрацьовує.
Нині у виробництво впроваджуються технологічні процеси об'ємного ізотермічного штампування виробів складної конфігурації з титанових сплавів з використанням ефекту надпластичності. Слід зауважити, що при об'ємному формоизменении тіл складної конфігурації у вогнищі пластичної деформації виникає нестаціонарне і неоднорідне поле швидкостей деформації. Тому навіть в ізотермічних умовах увесь об'єм заготівлі, що деформується, не може знаходитися в змозі сверпластичности. Отже, при об'ємному штампуванні можна говорити лише про використання явища надпластичності в тих зонах заготівлі, в яких йде найбільш інтенсивна пластична течія.
Мехатронное верстатне устаткування з ЧПУ
Верстатне устаткування з системою ЧПУ(числове програмне управління) нині широко застосовується в промисловості. За даними на ринку ЧПУ існує п'ять варіантів архітектурного рішення систем ЧПУ:
• Класична система комп'ютерного числового програмованого управління CNC(computer numerical control).
• Система управління з додатковим персональним комп'ютером в якості терміналу PCNC(для візуалізації даних і повідомлень).
• Двохкомп'ютерна система PCNC.
• Системи PCNC, ядро яких реалізоване на окремій платі, що встановлюється в корпусі промислового термінального персонального комп'ютера(один з варіантів двохкомп'ютерної системи PCNC).
• Однокомп'ютерний варіант PCNC.
Перші системи типу PCNC відносилися до двохкомп'ютерної архітектури.
На Рис. 3.14 архітектура системи ЧПУ типу CNC фірми NUM(Франція, Німеччина), побудованої за принципом многопро-цессорных CNC систем : з ЧПУ-процессором, з процесором програмованого контроллера автоматики і з графічним процесором. Система NUM може бути оснащенапассивным терміналом або промисловим комп'ютером з операційною системою Windows - 98.
Рис. 3.14. Архітектура системи ЧПУ типу CNC фірми NUM
У системі використовуються традиційні аналогові або автономні цифрові стежачі приводи, підключені до оптоволоконної мережі. Обчислювальна потужність систем NUM виключно висока, і цим визначається широкий набір їх функціональних можливостей.
Роботи і робототехнічні системи
Сучасна робототехника є великою сферою прикладного застосування інтелектуальних технологій і засобів управління.
Досвід промислової експлуатації маніпуляційних і транспортних роботів на практиці довів високу ефективність їх використання для автоматизації різних технологічних процесів. Роботи знайшли широке застосування в автомобільній і електронній промисловості, в машино- і приладобудуванні, а також в інших галузях виробництва при виконанні складальних, фарбувальних, зварювальних, транспортних і інших операції. Проте розвиток робототехники охоплює не лише промислові сфери, але і ті прикладні області, загальна специфіка яких характеризується екстремальними умовами проведення необхідних робіт.
Одні з перших непромислових додатків робототехнічних систем історично були пов'язані з обслуговуванням радіоактивних установок, з організацією космічних і глибоководних досліджень, а також в області медицини і біології.
Роботи класифікуються за призначенням, за конструктивними ознаками, за способом управління, по швидкодії і точності рухів.
Класифікація за призначенням
Сьогодні основним типом роботів є промислові роботи(ПР), які призначені для застосування в промисловості і складають 80 % усього парку роботів у світі. За типом виконуваних операцій усі промислові роботи діляться на роботів технологічних, які виконують основні технологічні операції, і роботів допоміжних, призначених для виконання допоміжних технологічних операцій по обслуговуванню основного технологічного устаткування. Технологічні роботи відносяться до основного технологічного устаткування, а допоміжні можна віднести до засобів автоматизації.
По широті переліку операцій, для виконання яких призначений робот, розрізняються роботи спеціальні, спеціалізовані і універсальні. Спеціальні роботи призначені для виконання одній конкретній технологічній операції(наприклад, зварювання, нанесення покриттів, певна складальна операція або обслуговування певної марки технологічного устаткування). Спеціалізовані роботи можуть виконувати декілька однотипних операцій(складальний робот зі змінними робітниками інструментами, робот для обслуговування певного типу технологічного устаткування і т. п.).
Універсальні роботи можуть виконувати різні основні і допоміжні операції в межах їх технічних можливостей. Збільшення міри універсальності робота розширює область його можливих застосувань, але одночасно неминуче супроводжується недовикористанням цих можливостей на кожній конкретній операції, а також дорожчанням робота. Оптимальними в цьому відношенні являються спеціальні роботи, але з іншого боку це гранично звужує їх ринок, а, отже, і обсяг виробництва.