Многопараметрическая диагностика и управление процессом обработки на металлорежущих станках в условиях гибкого автоматизированного производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Отаров, Степан Каспарович

• Отаров, Степан Каспарович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Отаров, Степан Каспарович

Введение (

Глава 1. Анализ и обобщение состояния вопроса. Постановка задач 9 исследования

1.1. Динамические явления при резании металлов

1.1.1. Динамические явления при резании

1.1.2. Динамические явления при трении

1.1.3. Механизм стружкообразования

1.1.4. Энергетический подход к оценке процессов трения и резания

1.2. Состояние проблемы диагностики и управления процессом резания

1.3. Выводы. Цель и задачи исследования

Глава 2. Построение физико-математической модели процесса резания

2.1 .Основные принципы построения и структура- модели. v

2.2. Моделирование механической подсистемы '"""

2.2.1. Моделирование системы СПИД

2.2.2. Вспомогательные модули модели

2.2.3. Процессы на передней поверхности инструмента

2.2.4. Процессы на задней поверхности инструмента

2.3. Моделирование тепловой подсистемы

2.4. Моделирование электрической подсистемы

2.5. Выводы. Перспективы развития и сферы применения 98 физико-математической модели процесса резания

Глава 3. Диагностические сигналы, несущие информацию о процессе 100 резания. Методы и средства их регистрации

3.1. Регистрация механических колебаний инструмента

3.2. Регистрация электрических параметров зоны резания

3.3. Оптическая оценка шероховатости обработанной поверхности

3.4. Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса резания

4.1. Предварительный эксперимент по исследованию спектральных 122 характеристик сигналов ВАЭ и ТЭДС

4.2. Исследование обрабатываемости металлов резанием

4.2.1. Экспресс оценка обрабатываемости металлов резанием на 126 основе анализа сигнала тока от ТЭДС

4.2.2. Исследование влияния обрабатываемого материала на характер 135 зависимости энергоемкости процесса обработки от скорости резания

4.2.3. Экспресс диагностика обрабатываемости металлов резанием на 138 основании анализа пространственной ориентации вектора виброускорения

4.3. Исследование влияния параметров режима обработки и элементов 143 технологической системы СПИД на энергоемкость процесса резания

4.3.1. Исследование влияния параметров режима обработки на 145 энергоемкость процесса резания

4.3.2. Исследования влияния жесткости системы СПИД на 151 энергоемкость процесса резания

4.4. Исследование отображения износа в пространстве диагностических 154 сигналов

4.4.1. Отображение износа в сигнале тока от ТЭДС

4.4.2. Отображение износа в спектральных характеристиках сигнала 159 ВАЭ

4.5. Выводы

Глава 5. Поиск подходов к исследованию колебаний, возникающих в 164 процессе резания, с позиции современных технологий цифровой обработки сигналов

5.1. Исследование сигнала виброакустической эмиссии процесса резания 165 с использованием технологии OverSample

5.2. Применение Wavelet анализа для исследования диагностических 171 сигналов процесса резания

5.3. Частотно-временной анализ сигналов на базе классических методов 4 183 спектрального оценивания

5.4. Использование преобразования Хартли для увеличения 189 быстродействия спектрального анализа

5.5. Выводы. Математическое обеспечение задач исследования и 196 диагностики процесса резания

Глава 6. Пути создания систем многопараметрической диагностики и управления процессом резания в условиях ГАП

6.1. Система многопараметрической диагностики и управления , 198 процессом резания DMC

6.1.1. Аппаратная часть системы многопараметрической диагностики 199 и управления процессом резания

6.1.2. Программное обеспечение системы многопараметрической 209 диагностики и управления процессом резания

6.2. Библиотека цифровой обработки сигналов TDS Visual Interactive

6.3. Комплексное управление автоматизированным производством в 224 условиях ГАП. Распределенный комплекс управления, сбора и обработки технологической информации TMCS

6.4. Выводы 231 Заключение и общие выводы 233 Библиографический список 237 Список электронных ссылок (URL) на ресурсы сети Internet 264 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многопараметрическая диагностика и управление процессом обработки на металлорежущих станках в условиях гибкого автоматизированного производства»

Изменение социально-экономических условий в стране - демократизация общественных отношений, активизация процессов интеграции большинства отраслей производства и финансовых институтов в мировую систему хозяйства - еще более актуализировала проблему конкурентоспособности отечественных изделий, товаров и услуг. Конкурентоспособность продукции, как известно, предопределяется ее потребительскими свойствами, комплексом качественных показателей и стоимостных характеристик.

В себестоимости готовых изделий значительный удельный вес (до 40%) занимает перенесенная стоимость применяемых для их производства оборудования и технологических процессов. При этом приоритетными для динамичного развития всех отраслей экономики были и продолжают оставаться машиностроение и металлообработка.

Несмотря на появление новых методов обработки, основанных на совмещении механического, теплового, химического и электрического воздействий, обработка материалов резанием продолжает оставаться одним из наиболее эффективных технологических приемов формообразования деталей машин и механизмов.

Анализ тенденций развития мирового машиностроительного и приборостроительного производства показывает, что его отличительной особенностью является интенсивный процесс повышения производительности, надежности и долговечности функционирования технологического оборудования, увеличение доли прецизионных станков, повышение уровня автоматизации, структурной и системной интеграции как технологических процессов в целом, так и их отдельных элементов.

Большое внимание уделяется выпуску металлорежущих станков (MPC) с числовым программным управлением (ЧПУ), широкому применению в системах управления станочным оборудованием микропроцессорной техники, современных регулируемых электроприводов, измерительных устройств, устройств автоматической смены инструмента, систем диагностики (СД) состояния процесса резания и автоматизированного станочного оборудования в целом. Продолжают наращиваться масштабы создания гибких производственных станочных модулей с ЧПУ (ГПМ), роботизированных комплексов (РК), гибких автоматизированных участков, систем (ГАС) и производств (ГАП).

В этой связи задача построения систем автоматической диагностики и управления процессом резания, обеспечивающих требуемое качество, высокую производительность и минимально возможную затратность обработки деталей машин на металлорежущих станках, особенно в условиях гибкого автоматизированного производства, была и продолжает оставаться приоритетной научно-технической проблемой.

Существующие системы автоматической диагностики состояния процесса резания обладают целым рядом существенных недостатков и не удовлетворяют в полной мере требованиям современного гибкого автоматизированного производства, так как не обеспечивают функционирования с высокой степенью точности и достоверности в реальном масштабе времени.

Несмотря на то, что изучению явлений, протекающих в зоне обработки, посвящено значительное число интересных исследований как в теоретическом плане, так и в части практических рекомендаций, до настоящего времени исчерпывающе ясной картины этих явлений не воссоздано.

Такое положение дел обусловлено тем, что резание характеризуется множественной гаммой динамических процессов различной физической и химической природы, тесно взаимосвязанных между собой обратными связями и образующих сложную нелинейную открытую систему. Процесс обработки сопровождается действием большого числа факторов, таких, как износ режущего инструмента, анизотропия физико-химических свойств материала заготовки, изменение параметров динамической системы при тепловой деформации и износе и т.п. На показатели качества обработки влияет также жесткость всех элементов технологической системы, характер и параметры относительных колебаний инструмента и детали и т.д.

Следует отметить, что на сегодняшний день не создано единой модели процесса резания как целостной системы. Также недостаточно разработаны теоретические основы, математическое обеспечение, аппаратные и программные средства создания систем диагностики и исследования динамики процесса резания, в которых для получения информации об одной и той же характеристике используются сигналы эмиссионных источников различной физической природы.

В ряду актуальных проблем следует отметить слабое развитие системной интеграции современного производства, позволяющей перевести его с уровня управления отдельными технологическими операциями на уровень управления технологическими процессами в целом.

В связи с вышеизложенным разработка теоретических закономерностей и экспериментальные исследования с целью создания систем многопараметрической диагностики и управления процессом резания являются важной научной и технической проблемой.

Диссертация выполнена на кафедре "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета и в известном смысле является продолжением и творческим развитием идеологии научных школ профессоров A.A. Рыжкина, B.J1. Заковоротного, Н.С. Колева, Г.Г. Палагнюка и др.

Научная новизна работы состоит в том, что :

- создана блочно-модульная физико-математическая модель процесса резания, представляющая собой виртуальную аналоговую вычислительную машину, которая позволяет использовать современный уровень развития аппаратных и программных средств для эффективного решения задач моделирования, и являющаяся теоретической базой для построения систем диагностики и управления технологическими процессами в реальном масштабе времени;

- осуществлен выбор и обоснование наиболее информативных диагностических сигналов, несущих информацию о всем многообразии процессов, происходящих при обработке металлов резанием, и предложены способы их регистрации, в том числе бесконтактными методами;

- выявлены доминирующие закономерности отображения основной гаммы параметров, характеризующих процессы и явления, происходящие при резании и связанные с физико-механическими свойствами материалов обрабатываемого изделия и инструмента, показателями его износа, индивидуальным состоянием и жесткостью элементов технологической системы, параметрами режима обработки, в пространстве диагностических сигналов и предложены соответствующие диагностические алгоритмы;

- приведены и проиллюстрированы на примерах оригинальные методы исследования динамических процессов и явлений, происходящих в зоне резания, на базе использования современных технологий цифровой обработки сигналов.

Задачи, решаемые в работе, рассматриваются с позиций положений физики твердого тела, теории резания металлов, теории управления техническими системами, промышленной электроники, современной теории цифровой обработки сигналов, основ технической кибернетики и искусственного интеллекта.

Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:

- предложены методики и алгоритмы экспресс-оценки обрабатываемости материалов резанием, диагностики износа инструмента, а также автоматического выбора оптимальной скорости резания по критерию минимума энергоемкости процесса обработки;

- разработан и доведен до практической реализации аппаратно-программный комплекс многопараметрической диагностики и управления процессом резания на автоматизированном станочном оборудовании;

- создана объектно-ориентированная библиотека цифровой обработки сигналов и управления техническими объектами, базирующаяся на технологии визуального программирования;

- разработана и доведена до практической реализации распределенная система управления сбора и обработки технологической информации, осуществляющая верхний уровень АСУ ТП.

Практическая апробация результатов работы была осуществлена в производственных условиях ОАО "Завод Квант" и Государственного конструкторского бюро аппаратно-программных средств "Связь" .

Уважение других дает повод к уважению самого себя. © Рене Декарт.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Отаров, Степан Каспарович

Общие выводы и результаты работы могут быть сформулированы в следующих основных положениях:

1. На основании представлений о процессе резания как сложной нелинейной многофакторной диссипативной самоорганизующейся системе построена физико-математическая модель состояния процесса резания, послужившая теоретической базой для создания алгоритмов и средств многопараметрической диагностики.

2. На базе физико-математической модели сформировано пространство диагностических сигналов, дающих полную информацию о процессе обработки и состоянии технологической наладки.

3. Теоретически и экспериментально обоснованы преимущества использования сигнала тока от ТЭДС в качестве комбинированного источника информации о тепловых и механических процессах в зоне резания.

4. В процессе экспериментальных исследований получены следующие результаты, имеющие важное значение для целей построения систем диагностики:

- относительные параметры обрабатываемости металлов в сравнении с эталонным могут быть оценены непосредственно в процессе обработки с учетом фактического состояния технологического оборудования и инструмента. Для этого используются построенные на основании сигнала тока от ТЭДС коэффициенты, характеризующие среднюю температуру в зоне контакта, нестационарность контактного взаимодействия, скорость выравнивания температуры в зоне обработки и производство энтропии, или коэффициент, отражающий изменение преимущественной пространственной ориентации вектора ВАЭ;

- зависимость энергоемкости процесса разрушения материала срезаемого слоя от параметров режима обработки носит полиэкстремальный характер и имеет минимум на участках, где достигаются условия термодинамического равновесия и волноводного согласования параметров процесса стружкообразования с частотой колебаний инструмента;

- энергоемкость процесса обработки существенно зависит от жесткости элементов технологической системы. При этом может достигаться существенное (до 30%) снижение энергоемкости процесса. Это имеет место при совпадении собственной частоты или одной из ее гармоник какого-либо из элементов технологической системы с частотой релаксации напряжений в зоне обработки. В этом случае создаются условия, аналогичные вибрационному резанию;

- износ режущего инструмента приводит к интенсификации диссипативных процессов, которые отражаются в пространстве выбранных диагностических сигналов увеличением постоянной составляющей тока от термо ЭДС, возрастанием коэффициента, характеризующего производство энтропии и равного отношению постоянной составляющей тока от ТЭДС к его переменной составляющей, а также перераспределением энергетических уровней спектра сигнала ВАЭ из низкочастотной области в высокочастотную.

5. Многофакторность и стохастичность характеристик процесса резания при эволюционном изменении многих из них делает бесперспективным построение каких-либо априорных алгоритмов определения оптимальных параметров режима резания. Поэтому разработаны и экспериментально проверены ряд методик и алгоритмов диагностики и управления процессом резания, имеющих функции самообучения и позволяющих осуществлять многокритериальную экспресс-оценку обрабатываемости, оценку величины и интенсивности износа, назначение и поддержание оптимальных режимов обработки по критерию минимума энергоемкости.

6. В связи с проблемами цифрового исследования сигналов, отражающих колебания сложной формы с различными видами модуляции, адаптированы и применены такие современные технологии цифровой обработки сигнала, как Ovarsample, Time-Frequency analysis, Wavelet и Fast Hartley Transform, ранее не использовавшиеся в станковедении и позволяющие существенно расширить возможности и повысить быстродействие операций цифровой обработки.

7. Разработан аппаратно- программный комплекс многопараметрической диагностики и управления процессом резания "DMC-01", реализующий набор описанных выше принципов и алгоритмов. Комплекс внедрен на ОАО "Завод Квант" и прзволил сократить себестоимость выпускаемых изделий на 5-7%.

8. При создании комплекса "DMC-01" разработана библиотека цифровой обработки сигналов и управления техническими объектами "TDS Visual Interactive", которая позволяет легко и наглядно на базе технологий визуального программирования, доступных инженеру-производственнику, строить быстродействующие и автономные программные продукты, реализующие разнообразные DSP алгоритмы.

9. В производственных условиях Государственного конструкторского бюро аппаратно-программных систем "Связь" разработана и внедрена распределенная система управления, сбора и обработки технологической информации в масштабах реального времени "TMCS-01", реализующая верхний уровень АСУ ТП.

10. Ряд методик, алгоритмов и экспериментальных установок данной работы внедрены в учебный процесс кафедры "Автоматизация производственных процессов" ДГТУ.

Следует отметить, что идеология создания, структура и блочно-модульный принцип построения предложенной в работе физико-математической модели процесса обработки резанием как единой информационно- преобразующей системы, предопределяют возможности ее развития и модернизации по мере появления новых знаний в науке о резании металлов.

Это обстоятельство открывает возможность и вызывает необходимость дальнейших исследований в области расширения модели за счет введения новых подсистем и поиска путей идентификации ее параметров для расширения теоретической базы разработки микропроцессорных систем многопараметрической диагностики и управления процессом резания в условиях ГАП.

Это и будет предметом дальнейших исследований.

Комплекс рассмотренных вопросов обладает внутренней логикой, носит завершенный характер и ориентирован на достижение цели, сформулированной в начале диссертационной работы, а содержание этих вопросов очерчено задачами исследований, которые реализованы в полной мере.

Заключение и общие выводы

Диссертационная работа является продолжением и творческим развитием основных положений сформированной в Донском государственном техническом университете научной школы, занимающейся исследованием динамики процесса резания, и посвящена решению проблем, связанных с исследованием физических основ, моделированием и многопараметрической диагностикой процесса механической обработки металлов резанием.

При этом для получения данных, несущих информацию о состоянии процесса резания и технологической наладки, использовались сигналы эмиссионных источников различной физической природы, современное математическое обеспечение, аппаратные и программные средства. Предлагаемые подходы и алгоритмы, в основе которых - физика процесса резания, учитывают индивидуальность динамических характеристик технологического оборудования и оснастки, свойства обрабатываемого и инструментального материалов, а также влияние эволюционных процессов, связанных с износом поверхностей режущего лезвия инструмента.

В этом научная новизна, экономическое и социальное значение работы. Её результаты открывают новые пути совершенствования систем диагностики и управления металлорежущими станками в условиях ГАП, определяющих показатели качества, производительности, экономичности и надежности производства в современных отраслях машиностроения и металлообработки.

Можно утверждать, что в работе на основе теоретического обобщения и масштабной экспериментальной апробации решена важная научно-технической проблема, заключающаяся в повышении эффективности процесса обработки на металлорежущих станках путем осуществления многопараметрического мониторинга и управления процессом резания.

Проблема многопараметрической диагностики и управления процессом резания потребовала создания новой информационно-технической базы, включающей физико-математическую модель процесса резания как единой системы, методы и средства регистрации диагностических сигналов, а также использования новейших программных средств и математического обеспечения.

Результаты исследований и разработок позволяют утверждать,, что работа не только теоретически обобщает вопросы диагностики процесса обработки на MPC, но и творчески развивает научное направление, связанное с комплексным анализом различных физических аспектов процесса резания в их взаимовлиянии.

Представленные материалы имеют эвристическую направленность в теоретическом, экспериментальном и прикладном отношениях, существенно расширяют научную базу изучения процесса резания и совершенствования алгоритмов и средств его диагностирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Отаров, Степан Каспарович, 1999 год

1. Дроздов Н. А. Силы, остаточные напряжения и трение при резании металлов.-Куйбышев, 1934.

2. Дроздов H.A. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке. Станки и инструмент. 8, № 22,10-17, 1937.

3. Кайдановский H.JL, Хайкин С.Э. Механические релаксационные колебания // Журнал технической физики. 1933.-T.3. № 1.

4. Кайдановский H.JI. Природа механических автоколебаний, возникающих при сухом трении // Журнал технической физики.-1949. Т. 19, № 9.

5. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.: Машгиз, 1944.

6. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1955.

7. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения.- М.: Машгиз, 1955.

8. Эрлих JI.B. Внутренний резонанс одна из причин, способствующих появлению вибраций при обработке на станках // Станки и инструменты. - 1949. -№1.

9. Штейнберг И.С. Устранение вибраций, возникавших при резании на токарном станке.- М.: Машгиз, 1947.

10. Амосов И.С. Осциллографические исследования вибраций при резании металлов // Точность механической обработки и пути ее повышения. М., 1951.

11. Амосов И.С. Экспериментальные и теоретические исследования вибраций при трении: Автореф. дис. канд. техн. наук. Д., 1950.

12. Колев К.С. Вопросы точности при резании металлов. -Киев: Машгиз, 1961.

13. Коновалов Е.Г., Борисенко A.B. Осциллирующее точение. Минск. 1960.

14. Латышев Ю.Т. Влияние жесткости системы СПИД на вибрации при точении: Автореф.дис. канд. техн. наук. -М., 1954.

15. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М. Машиностроение, -1960.16