Глава 8. Системы адаптивного контроля и измерительные роботы

8.1. Цели и задачи адаптивного контроля

Одним из важнейших требований, предъявляемых к автоматизированному производству, является обеспечение заданного качества изготовляемой продукции. Для автоматического управления качеством, профилактики и предотвращения брака служат системы автоматического контроля (САК).

Основными функциями САК являются следующие контрольно-измерительные операции:

1. измерение и контроль параметров заготовок и готовых изделий;
2. контроль и диагностика состояния инструмента;
3. измерение размеров и учет времени работы инструмента;
4. формирование данных для коррекции управляющих программ;
5. контроль за удалением технологических отходов;
6. контроль за состоянием оборудования.

САК делятся на системы выносного контроля, когда контрольные операции выполняются вне технологического оборудования, и системы встроенного контроля, когда необходимые измерения и контроль осуществляются непосредственно в ходе обработки деталей.

К системам выносного контроля относятся измерительные машины и роботы. Они обычно устанавливаются на постах контроля или в измерительных лабораториях, т. е. вне станков или другого технологического оборудования. Недостатком выносных САК является необходимость транспортировки деталей между технологическим оборудованием, САК и автоматическими складами готовой продукции. Это снижает производительность производства. Однако выносные САК обеспечивают чрезвычайно высокую точность измерений, например, точность измерения геометрических параметров деталей достигает долей микрометра.

Системы встроенного контроля устанавливаются непосредственно на технологическом оборудовании. Большое распространение получили САК в токарных станках с адаптивным программным управлением. Они служат для автоматического измерения размеров обрабатываемых деталей и формирования данных для адаптивной коррекции программы управления инструментом с целью обеспечения требуемой точности обработки. Системы такого рода относятся к системам активного контроля [34, 99].

Характерной чертой этих систем является то, что результаты измерений сразу же используются для управления технологическим оборудованием с целью повышения его точности и производительности. При активном контроле измерительные операции совмещаются с основными технологическими. Благодаря этому увеличивается производительность производства.

Смысл активного контроля заключается в компенсации технологических погрешностей в процессе обработки деталей, тем самым повышается точность и надежность станков. Встроенные САК часто используются как источники дополнительных обратных связей для организации коррекции параметров законов программного и адаптивного управления технологическим оборудованием. Примерами могут служить системы активного контроля с коррекцией скорости съема, припуска, с компенсацией силовых деформаций, с температурной коррекцией и т. п. [1, 24]. Получили также распространение двухуровневые системы управления точностью обработки, сочетающие оперативный контроль с под наладкой.

Наиболее эффективными САК являются системы адаптивного контроля. Они позволяют достичь предельной точности в непредсказуемо изменяющихся производственных условиях. В основе адаптивного контроля лежат принципы коррекции программного управления и самонастройки управляющих параметров.

Системы адаптивного контроля играют важную роль в ГАП. Дело в том, что обычные встроенные САК, допускающие вмешательство человека-оператора, в условиях гибкой безлюдной технологии могут потерять работоспособность или привести к аварийным ситуациям. Такие ситуации могут возникнуть, например, при внезапной поломке режущего инструмента (резца, фрезы и т. п.). Поэтому адаптивный контроль в условиях ГАП предполагает диагностику состояния инструмента, основанную на автоматических измерениях (например, определение положения режущей кромки инструмента после каждого технологического прохода). Без текущего контроля и диагностики внезапная поломка инструмента может привести к поломке всего технологического оборудования.

Особенность задачи адаптивного контроля в условиях ГАП заключается в том, что технологическое оборудование со встроенными САК должно эксплуатироваться не в стабильной обстановке массового производства с установившейся технологией и номенклатурой продукции, а в не детерминированной и постоянно изменяющейся обстановке мелкосерийного или даже единичного производства. Поэтому САК должны обладать способностью автоматически перенастраиваться при переходе ГАП на выпуск новых изделий, а также приспосабливаться к непредсказуемому изменению производственных условий. Иначе говоря, встроенные САК должны быть достаточно универсальными, гибкими и адаптивными.

Технология адаптивного контроля должна проектироваться одновременно с гибкой технологией производства. Процесс технологического проектирования с помощью ЭВМ завершается разработкой комплекса взаимосвязанных программ управления технологическим оборудованием и встроенными в него САК. Благодаря этому комплекс программ управления оборудованием ГАП, включающий программы адаптивного контроля качества изделий, обеспечивает быструю и надежную перенастройку САК при переходе ГАП на выпуск новой продукции.

Важно отметить, что программы управления ГАП (в том числе и программы, разработанные с помощью САПР) принципиально не могут предусмотреть всех факторов и особенностей, возникающих в процессе фактического изготовления каждой конкретной детали и непосредственно влияющих на качество продукции. К таким факторам и особенностям можно отнести непредсказуемые изменения физико-механических свойств заготовок и инструментов в процессе гибкого производства, колебания припусков, дрейф параметров исполнительных приводов и механизмов и многое другое. Эти скрытые факторы, не учитываемые в программах управления станками и САК, могут сильно влиять на точность изготовления деталей и зачастую приводят к браку. Поэтому для обеспечения заданного качества продукции необходимо, чтобы все технологическое оборудование и САК, входящее в состав ГАП, обладало способностью адекватно реагировать на текущие изменения параметров и условий производства за счет самонастройки системы управления технологическим оборудованием и САК. Обычно эта способность реализуется с помощью алгоритмов и программ адаптивного управления и контроля. Благодаря указанным алгоритмам и программам система управления ГАП сохраняет работоспособность и эффективность в широком классе непредсказуемо изменяющихся условий производства, характерной для мелкосерийного много номенклатурного производства.

Способность к самонастройке адаптивных САК в условиях ГАП отличает их от обычных САК, используемых в массовом автоматическом производстве. Это принципиальное отличие налагает дополнительные требования к алгоритмическому и программному обеспечению систем управления ГАП.

Теоретической основой при разработке соответствующих алгоритмов и программ служит общая методология гибкого программирования и адаптивного управления, изложенная в гл. 2 и 3. Применение этой методологии при автоматизированном проектировании САК позволяет создавать наиболее совершенные системы адаптивного контроля. По мере необходимости эти системы могут снабжаться элементами искусственного интеллекта, реализующими функции диагностики состояния инструмента, визуального контроля и распознавания и т. п.