Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
189 automation 2009
automation 2009 dr in. Jerzy Kapcia Politechnika Gdaska
Wydzia Oceanotechniki i Okrtownictwa
UKADY STEROWANIA PROCESAMI OBRÓBKI
Z DODATKOWYMI PTLAMI SPRZENIA ZWROTNEGO
OD PRZEDMIOTU OBRABIANEGO I NARZDZIA.
W referacie przedstawiono próby zastosowania dodatkowych sprze zwrotnych w ukadach sterowania maszyn na przykadzie pilarki oraz frezarki sterowanej numerycznie. Ide wprowadzenia takich rozwiza jest budowa ukadów sterowania i diagnostyki, które – w myl zasady, i: „ lepiej zapobiega uszkodzeniom ni potem je naprawia” – koryguj proces sterowania tak, aby nie dopuci do uszkodzenia maszyny lub przedmiotu obrabianego.
The article presents working control system with extra feedback from machine tool and workpiece on example of sawing machine and milling machine. The idea to engineer (design) control and diagnostic systems has it roots in the golden rule: “Better prevent from damages than repair them”. Thanks to their features the control process is corrected against a machine tool or a workpiece breakdowns.
1. WSTP
W projektowaniu maszyn i urzdze zasadniczym celem projektanta jest opracowanie i wdroenie projektu wydajnej i bezawaryjnej maszyny. Ukad sterowania takiej maszyny powinien przeprowadzi proces obróbki wedug cile zaprogramowanego algorytmu. Jeli w trakcie procesu sterowania wystpi sytuacje awaryjne, to takie podzespoy jak: wyczniki kracowe, nadprdowe czy kontrolne ukady logiczne powinny przerwa prac maszyny. W proponowanych rozwizaniach montowane s na maszynie-obiekcie dodatkowe przetworniki diagnostyczne pozwalajce na wprowadzenie dodatkowych ptli sprzenia zwrotnego. Schemat blokowy proponowanego rozwizania przedstawiony zosta na rys. 1. W omawianych przykadach zastosowane przetworniki pozwalaj na pomiar takich wielkoci jak:
x przemieszcze – indukcyjne liniowe, x przypiesze – ukady scalane AD, x siy – tensometry,
x prdów – hallotronowe.
Ukad
sterowania Obiekt
Przetworniki ukadu sterowania. Przetworniki ukadu diagnost.
Ukady wykonawcze Ukad diagnostyki Ukad korekcji
Rys. 1. Schemat blokowy zintegrowanego ukadu sterowania i diagnostyki Wartoci
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
190 automation 2009automation 2009
Wystpujcy na rys. 1 blok ukadu diagnostyki realizowany jest z wykorzystaniem komputera PC. W przypadku pilarki jako modu wejciowy i wyjciowy dla sygnaów cyfrowych i analogowych zastosowano modu USB-DAQ. W przypadku frezarki sterowanej numerycznie zastosowano wewntrzn kart ze zczem PCI. Wprowadzenie ukadu diagnostyki moe by równie wykorzystane w kolejnych etapach prac do prowadzenia procesów optymalizacji obróbki
UKAD STEROWANIA I DIAGNOSTYKI PILARKI
Podstawowym zadaniem ukadu diagnostycznego jest pomiar i analiza mocy pobieranej przez silnik gówny i silnik posuwu oraz analiza drga citego materiau i piy. W przypadku przekroczenia wartoci progowych dla zadanych parametrów citego materiau, moliwa jest korekta prdkoci posuwu a w kracowym przypadku wyczenie silników. Schemat usytuowania przetworników dla pilarki przedstawiono na rys. 2. Dwa przetworniki hallotronowe umieszczono w obwodach staoprdowych falowników silnika posuwu oraz silnika napdu gównego. Przetworniki pozwalaj na pomiar i rejestracj przebiegu prdu a na tej podstawie obliczany jest przebieg mocy chwilowej. Z czujnika indukcyjnego liniowego mierzone s drgania ramy z piami tncymi. W kolejnym etapie bada planowane jest zamocowanie na kadej z pi czujnika przypiesze do analizy ich drga.
d – walce dociskowe,
c – czujniki obecnoci materiau, cc – czujnik cinienia,
ci – czujnik indukcyjny liniowy, pw – przetwornik wysokoci materiau, H – przetwornik hallotronowy, pa – przetwornik przypieszenia, SP – silnik posuwu,
SG – silnik napdu gównego
Rys. 2. Schemat blokowy pocze dla ukadu diagnostyki pilarki
Bezporednio do stou pilarki zamocowano czujnik przypiesze do poredniego pomiaru drga przecinanego drewna. Z ukadu sterowania do ukadu diagnostyki doczone s równie sygnay dotyczce prdkoci obrotowej silnika gównego i szybkoci posuwu. Do prawidowego funkcjonowania ukadu diagnostyki niezbdna jest równie informacja o wysokoci przecinanego materiau uzyskiwana z przetwornika pw do pomiaru przemieszcze. Ponadto wprowadzane s dodatkowe parametry dotyczce liczby pi zamocowanych w ramie oraz informacja o rodzaju przecinanego drewna i stopniu wilgotnoci. Prdko obrotowa i prdko posuwu jest funkcj wielu parametrów zwizanych z rodzajem piy i rodzajem citego drewna. W omawianym ukadzie diagnostyki przyjto, e prdko posuwu jest funkcj takich zmiennych jak: rodzaj materiau, wysoko citego materiau, liczba pi, rodzaj pi. W miar zuycia pi pogarszaj si jej parametry a zatem moc pobierana podczas cicia bdzie rosa i powyej zadanego progu powinien pojawi si komunikat o koniecznoci wymiany pi. Aby system diagnostyki speni zaoone wymagania niezbdna jest pena identyfikacja procesu cicia. W tym celu przeprowadzono rejestracj i analiz sygnaów podczas procesu przecinania. Uzyskane wyniki s przechowywane w bazie danych. Opisany powyej ukad diagnostyki w pierwszym etapie modyfikuje tylko jeden sygna sterujcy posuwem. W drugim etapie planowane jest rozszerzenie algorytm sterowania pozwalajce na modyfikacj prdkoci obrotowej silnika gównego.
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
191 automation 2009
automation 2009
2. UKAD STEROWANIA I DIAGNOSTYKI FREZARKI STEROWANEJ NUMERYCZNIE
Schemat blokowy frezarki sterowanej numerycznie z ukadem diagnostyki przedstawiony zosta na rys. 3. Jest on bardziej rozbudowany nie tylko z uwagi na liczb przetworników, ale równie stopie zoonoci ukadu sterowania samej frezarki. Zadaniem ukadu jest modyfikacja dwóch sygnaów sterujcych obrabiark: prdkoci obrotow wrzeciona oraz szybkoci posuwów. W pierwszym etapie wdraania jako zmienne funkcji korekcji posuwu i funkcji korekcji obrotów przewidziane zostay sygnay z przetworników drga i przemieszcze zarówno narzdzia jak i przedmiotu obrabianego oraz sygnay z przetworników siy. W drugim etapie wprowadzone zostan do funkcji korekcji sygnay z przetworników prdowych. SZ – silnik osi z, SX – silnik osi x, Lz – linia osi z, Lx – linia osi x, Pn – przetwornik ugicia narzdzia Na – narzdzie, Po – przedmiot obrabiany, Pp – przetwornik ugicia przedmiotu, Ps – przetwornik siy, Pa – przetwornik przypieszenia, H – przetwornik hallotronowy.
Rys. 3. Schemat blokowy pocze dla ukadu diagnostyki frezarki CNC
Zastosowanie czujników indukcyjnych liniowych dla badania przemieszcze, a cilej ugi i drga zarówno narzdzia Pn jak i przedmiotu Pp wynikao z ksztatu przedmiotu obrabianego – paty rub okrtowych i paty rub dla elektrowni wodnych. W procesie obróbki przyoenie zbyt duych si moe powodowa ugicie obrabianego materiau. Drugi efekt, jaki moe pojawia si to drgania wynikajce z czstotliwoci wasnych przedmiotu obrabianego. Efekty te maj wpyw nie tylko na utrzymanie dokadnoci obróbki, ale równie na gadko powierzchni obrabianej. Przetwornik si – trójosiowy – zamontowany pomidzy stoem a uchwytem przedmiotu obrabianego suy jedynie do pomiaru si statycznych (z uwagi na du mas zarówno uchwytu jak i przedmiotu obrabianego). Docelowym zadaniem algorytmów bdcych podstaw oprogramowania ukadów diagnostyki powinna by: optymalizacja procesu obróbki, eliminacja ( minimalizacja) przypadków awaryjnych. W pierwszym etapie wdraania zadaniem algorytmu dla korekcji posuwu byo utrzymanie zadanego ugicia poprzez regulacj szybkoci posuwu. Korekcja prdkoci obrotowej wrzeciona dokonywana bya w przypadku przekroczenia zadanej amplitudy drga.
Algorytm eliminacji przypadków awaryjnych realizowany jest na bazie informacji o wartociach granicznych dla danego zakresu obróbki przedmiotu. Wartoci graniczne powinny by ustalone w procesie analizy sygnaów zarejestrowanych podczas obróbki pierwszego przedmiotu.
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
192 automation 2009automation 2009
Przedstawione powyej rozwaania dotycz jedynie wybranego fragmentu procesu obróbki przedmiotu. Obrabiarki sterowane numerycznie realizuj najczciej wielogodzinny program przy wielokrotnej zmianie narzdzi i parametrów obróbki. Nie jest moliwe opracowanie uniwersalnego algorytmu i oprogramowania dla ukadu diagnostyki.
Algorytmy te powinny by cile powizane a nawet zsynchronizowane z programem realizowanym przez ukad sterowania obrabiarki. Dotyczy to szczególnie zadania optymalizacji obróbki, ale równie eliminacji przypadków awaryjnych. Na przykad – stosunkowo proste zadanie jak kontrola zuycia narzdzia, poprzez kontrol mocy pobieranej przez silnik wymaga podania na wejcie ukadu diagnostycznego wielu parametrów dotyczcych narzdzia i przedmiotu obrabianego.
WNIOSKI
W referacie przedstawiono próby wprowadzenia do ukadów sterowania maszyn dodatkowych ptli sprzenia w celu optymalizacji procesu obróbki oraz minimalizacji sytuacji awaryjnych. Wprowadzony w ptli sprzenia ukad diagnostyki realizujcy te zadania to komputer PC – rejestrujcy i przetwarzajcy sygnay z dodatkowych przetworników zamontowanych na maszynie. Opracowanie i oprogramowanie algorytmów realizujcych te zadania wymaga analizy sygnaów wejciowych w odniesieniu do parametrów przedmiotu obrabianego oraz parametrów narzdzi. W przypadku obrabiarki sterowanej numerycznie program dla ukadu diagnostyki powinien by cile powizany z programem obróbki przedmiotu.
LITERATURA
1. Praca zbiorowa, Diagnostyka procesów. WNT 2002.
2. Piotr Tatjewski , Sterowanie zaawansowane obiektów przemysowych, Exit 2002. 3. Tomasz P. Zieliski, Cyfrowe przetwarzanie sygnaów, WK 2005.
