Plik PDF - PAR Pomiary - Automatyka

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
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
x
x
x
przemieszcze – indukcyjne liniowe,
przypiesze – ukady scalane AD,
siy – tensometry,
prdów – hallotronowe.
Wartoci
zadana
Ukad
korekcji
Ukad
diagnostyki
Przetworniki ukadu diagnost.
Ukad
sterowania
Ukady
wykonawcze
Obiekt
Przetworniki ukadu sterowania.
Rys. 1. Schemat blokowy zintegrowanego ukadu sterowania i diagnostyki
automation 2009
189
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
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.
190
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
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.
automation 2009
191
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
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.
2.
3.
4.
192
Praca zbiorowa, Diagnostyka procesów. WNT 2002.
Piotr Tatjewski , Sterowanie zaawansowane obiektów przemysowych, Exit 2002.
Tomasz P. Zieliski, Cyfrowe przetwarzanie sygnaów, WK 2005.
Piotr Metzger, Anatomia PC, Helion 2001.
automation 2009