Структура автоматизированных станочных модулей как объектов управления

Современные тенденции развития машиностроения определяют создание принципиально нового станочного оборудования, способного длительное время функционировать как в автономном режиме, так и встраиваться в системы более высокого иерархического уровня. Согласно современной классификации такие объекты определяются как автоматизированные станочные модули (АСМ).

Отличительной особенностью этого оборудования по сравнению со станками с ЧПУ является большое число новых функций, реализуемых в АСМ, которые можно разбить на две группы: 1 – функции, связанные с повышением уровня автоматизации; 2 – функции, обеспечивающие надежность и эффективность эксплуатации. Очевидно, что в обоих случаях появляются дополнительное оборудование и специальное программно-математическое обеспечение, что приводит к усложнению структуры и возникновению проблем, относящихся не только к свойствам отдельных элементов, но и к закономерностям функционирования системы в целом.

Рассмотрим функции современного автоматизированного оборудования на примере токарного АСМ ТПАРМ-100 (рис.1). Отметим прежде конструктивные особенности объекта, направленные на повышение эффективности использования модуля для достижения цели функционирования – обеспечения количественных и качественных показателей изготавливаемой продукции:

– автоматическая загрузка заготовок и удаление деталей с помощью манипулятора;

– аэростатические опоры шпинделя и направляющие суппорта;

– лазерный интерферометр в качестве датчика обратной связи (ДОС) системы управления;

– фрикционные редукторы в приводах подач;

– возможность прерывистого резания для уменьшения процесса стружкообразования;

– импульсная подача СОЖ в процессе обработки;

– встроенное средство диагностирования состояния основных блоков.

Рассмотрим структурную иерархическую схему АСМ (рис. 2). Процесс функционирования АСМ представляет собой последовательность действий в рамках выполнения имеющихся заявок на производство, в которой каждая его часть есть комбинация соответствующих элементов различной физической природы и связей между ними. Эта совокупность называется подсистемой, а с учетом характера ее действий – функциональной подсистемой АСМ, не подлежащей (на данном уровне) дальнейшему разбиению. Тогда внутренняя структура подсистемы не является предметом исследования и имеют значение только те ее свойства, которые определяют взаимодействие и оказывают влияние на характер системы в целом. Таких подсистем в АСМ восемь: автоматическое управляющее устройство (АУУ), привод главного движения (ПГД), приводы продольных (ПП_z) и поперечных (ПП_х) перемещений, смена заготовки (СЗ), смена инструмента (СИ), режущий инструмент (РИ), обеспечение СОЖ (СОЖ).

Рис.1. токарный АСМ ТПАРМ-100

Однако выделенные подсистемы сами являются сложными системами, которые легко расчленить на подсистемы. Например, в подсистеме привода главного движения выделим преобразователь частоты, двигатель главного движения, тормоз, шпиндель, реле оптическое шпинделя. Верно и обратное положение. Исходные подсистемы можно объединить, что еще упростит структуру системы и уменьшит число связей между элементами. Так, подсистемы приводов главного движения, подач и процесса резания легко объединяются в формообразующую подсистему, а подсистемы смены заготовки, смены инструмента и обеспечениях СОЖ – во вспомогательную подсистему, а подсистемы смены заготовки, смены инструмента и обеспечения СОЖ – во вспомогательную подсистему. Тогда АСМ будет представлять собой совокупность трех подсистем: управляющей, формообразующей, вспомогательной. Наконец, объединение всех подсистем позволяет получить АСМ в целом как динамическую стохастическую систему, которую можно рассматривать, например, в качестве одноканальной системы массового обслуживания.

Подсистемы 1 уровня

Подсистемы 2 уровня

3 уровень

Рис. 2. Иерархическая структура АСМ:

ПЧ – преобразователь частоты; Д – двигатель; Шп – шпиндель; РОШ – реле

оптическое шпинделя; Т – тормоз; ФР – фрикционный редуктор, ТГ – тахогенератор; К_х, К_z – каретки суппорта по оси Х и Z; ДКПх, z – датчики крайнего положения по оси Х и Z; ЛИ – лазерный интерферометр; РИ – режущий инструмент; РД – резцедержка; УВП – устройство ввода программы; УСО – устройство сопряжения с объектом;

ПУ – пульт управления; БА – блок автоматики; СЗ – подсистема смены заготовки;

М – магазин; Мп – манипулятор; П – патрон; СИ – подсистема смены инструмента;

РГ – резцовая головка; СОЖ – подсистема обеспечения смазочно-охлаждающей

жидкостью; Бак – бак с СОЖ; УП – устройство подачи СОЖ в зону резания

Нетрудно убедиться, что при данном представлении понимание АСМ возрастает при последовательном переходе от одного уровня к другому: чем ниже осуществляется спуск по иерархии, тем более детальным становится раскрытие системы, чем выше подъем, тем яснее становятся ее смысл и знание. Полученная структура реализует ряд потенциальных преимуществ стратификации, среди которых главным является получение отправных точек для исследования различных аспектов и проблем анализа и синтеза (оптимизации) процесса функционирования АСМ.