Обеспечение точности автоматизированной системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем повышения эффективности обратной связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Кравченко, Станислав Алексеевич

• Кравченко, Станислав Алексеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кравченко, Станислав Алексеевич

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения и сокращения

Введение 7 Глава 1. Анализ особенностей управления процессом токарной обработки

нежестких валов. Постановка задачи работы

1.1 Особенности обработки нежестких валов

1.2 Структурная схема процесса резания как объекта управления

1.3 Обзор существующих систем управления процессом токарной обработки нежестких валов

1.3.1 Система управления продольным профилем путем корректировки положения резца по поперечной оси

1.3.2 Каскадная система управления продольным профилем

1.3.3 Система программного управления продольным профилем валов

1.3.4 Система управления профилем нежесткого вала при токарной обработке по настраиваемому копиру

1.3.5 Автоматизированная система управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке

1.4 Анализ систем управления. Постановка задачи работы 26 Глава 2. Выявление путей доработки объекта управления для создания условий эффективной работы обратной связи

2.1 Обзор методов синтеза систем управления

2.2 Постановка расширенной задачи управления и методика ее решения

2.3 Выбор первых этапов решения задачи повышения эффективности обратной связи системы управления процессом

токарной обработки 56 Глава 3. Решение задачи повышения эффективности обратной связи

внешнего контура системы управления 60 3.1 Исследование влияния величины транспортного запаздывания

2

на эффективность работы системы

3.2 Исследование влияния интенсивности среднечастотной составляющей возмущений на эффективность работы системы управления

3.3 Исследование влияния переменной составляющей силы

резания на точность обработки нежестких валов

3.4 Разработка контура управления силой резания путем

корректировки продольной подачи

3.4.1 Функциональная и структурная схема системы управления

3.4.2 Идентификация моделей элементов системы

3.4.3 Идентификация модели объекта управления

3.4.4 Построение модели возмущающего воздействия

3.4.5 Синтез и анализ эффективности регулятора силы резания

3.4.6 Исследование грубости системы управления 100 Глава 4. Структура и математическая модель динамического компенсатора

4.1 Исследование влияния взаимосвязи силы резания и положения

резца по поперечной оси на эффективность системы

4.2 Синтез ЛКГ-регулятора для многомерного объекта управления

силой резания и положением инструмента по поперечной оси

4.3 Динамическая компенсации взаимного влияния каналов

управления

4.4 Система управления силой резания и положением инструмента с динамической компенсацией 113 Глава 5 Система управления продольным профилем нежестких валов

с новой структурой и алгоритмом управления

5.1 Система управления продольным профилем нежестких валов с

новой структурой и алгоритмом управления

5.2 Реализация разработанной системы управления

Заключение и основные выводы по работе

Список используемых источников 129 Приложение 1 Программно-аппаратное обеспечение экспериментальных

исследований

Приложение 2 Модели объекта управления в пространстве состояний

Приложение 3 Листинги программного обеспечения в среде МайаЬ

Приложение 4 Экспериментальные данные

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ОУ - объект управления;

УУ - устройство управления;

САУ - система автоматического управления;

ТП - технологический процесс;

ММ - математическая модель;

МНК - метод наименьших квадратов;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЭП - электропривод;

ЛП - линейный привод;

ПО - программное обеспечение;

СОЖ - смазывающе-охлаждающая жидкость;

АЧХ - амлитудо-частотная характеристика;

АЧХ/"- амлитудо-частотная характеристика системы управления по возмущению;

УС - упругая система;

ЭУС - эквивалентная упругая система;

ПИД-регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор;

ЛКГ-регулятор - линейно-квадратичный гауссов регулятор; п.д, - период дискретизации; v - скорость резания; s - величина подачи; t - глубина резания, f - возмущающее воздействие; и - управляющее воздействие; t - время, с;

г - величина транспортного запаздывания

ст2 - дисперсия;

т] - корреляционное отношение;

- передаточная функция;

- передаточная функция формирующего фильтра;

- спектральная плотность; Р - сила резания;

р - дифференциальный оператор Лапласа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение точности автоматизированной системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем повышения эффективности обратной связи»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Перспективным направлением повышения эффективности металлообработки в машиностроении является создание автоматизированных систем управления процессами резания. Даже при использовании современных токарных станков ведущих фирм производителей, позволяющих достигать точности обработки до единиц микрон, данный подход является единственным, обеспечивающим компенсацию влияния изменения силовых воздействий при колебаниях припуска, характеристик материала, износа инструмента и других неконтролируемых возмущающих воздействий. Особое значение автоматизированные системы управления имеют при обработке нежестких валов, компенсируя деформации смещения задней и передней бабок и изгиба заготовки и обеспечивая высокую точность обработки без снижения производительности.

Вопросами исследования процессов резания как объектов управления, созданием систем контроля и управления данными процессами занимались Ку-динов В.А., Попов В.И., Локтев В.И., Бармин Б.П., Жарков И.Г., Аршанский М.М., Кедров С.С., Балакшин Б.С., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г., Зако-воротный В.Л., Васин С.А., Подураев В.Н., Драчев О.И., Петраков Ю.В., Расторгуев Д.А., Невельсон М.С., Бржозовский Б.М. и другие ученые.

Однако сложность, нелинейность, изменение закономерностей процессов резания, характеристик упругих систем станков, взаимосвязанность управляемых параметров приводят к невозможности создания эффективных систем управления непосредственно качественными показателями обработанных изделий по обратной связи. Под эффективностью понимается возможность снижения дисперсии регулируемых переменных до требуемых значений.

Это привело к созданию большого количества систем стабилизации возмущающих воздействий, режимных параметров процессов резания. Но возможность стабилизации отдельных возмущающих воздействий и режимных па-

7

раметров при наличии других возмущений не всегда решает поставленную задачу управления. Поэтому является актуальной задача обеспечения эффективности систем управления качественными показателями обработанных изделий по обратной связи.

Важным направлением обеспечения эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами резания, отличающимися большим уровнем неконтролируемых возмущающих воздействий, может быть использование методологии расширенной задачи управления, разработанной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. по программе "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)", проект № 2.1.2/7193 «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими процессами с неконтролируемыми широкополосными статистическими возмущающими воздействиями» с дальнейшим расширением программы на процессы металлообработки (2011 год).

Данная методология направлена на создание эффективных систем управления процессами, у которых динамические характеристики по управляющим воздействиям не соответствуют спектральным характеристикам возмущающих воздействий и типовой подход, включающий построение математической модели объекта управления и синтез оптимального регулятора, не позволяет создать эффективную систему. Суть расширенной задачи заключается в целенаправленном изменении исходных данных для синтеза регулятора путем формализованной доработки объекта управления, структуры системы и создания тем самым условий для эффективной работы обратной связи разрабатываемой системы. Введенные показатель управляемости объекта управления для оценки достижимой точности управления, частотные диапазоны эффективной и неэффективной работы обратной связи, методика доработки объекта управления на основе анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущению и спектральной плотности возмущения, построенная по результатам анализа методов повышения эффективности сис-

8

тем управления различных исследователей, позволяют целенаправленно, с количественным контролем на каждом шаге вести работу по повышению эффективности разрабатываемой системы управления. Эффективность методологии делает актуальным исследование возможности и особенностей ее применения при построении систем управления процессами токарной обработки.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем формализованного создания условий эффективной работы обратной связи на основе расширенной задачи управления.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. На основании методологии расширенной задачи управления выявить пути доработки объекта управления и структуры системы для создания условий эффективной работы внешнего контура обратной связи.

2. Обеспечить повышение эффективности системы путем расширения частотной зоны эффективной работы обратной связи и снижения интенсивности возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы обратной связи.

3. Разработать структуру и математическую модель динамического компенсатора взаимосвязи тангенциальной силы резания и положения резца по поперечной оси процесса токарной обработки.

4. Разработать новую структуру и алгоритм системы, обеспечивающие повышение эффективности управления продольным профилем нежестких валов.

Объект исследования. Объектом исследования является автоматизированная система управления продольным профилем нежесткого вала в процессе токарной обработки с оптимальным стохастическим ЛКГ-регулятором.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены на основе методов теории оптимального управления, анализа динамики станков, процессов резания и теории случайных процессов с использованием компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены на станке с ЧПУ 16А20ФЗ с использованием компьютерных систем измерений, включающих

метрологически обеспеченные элементы: датчик силы АС21, импульсный молоток АШ2, акселерометры АР2037, плату сбора данных ЛА2и8В-12.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов исследования, представительными выборками экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов, согласованностью построенных математических моделей с экспериментальными данными и результатами других авторов, использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, применением современного лицензионного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

1. На основе методологии расширенной задачи управления предложена методика последовательного синтеза систем управления процессами резания, заключающаяся в построении на первом этапе оптимальной системы управления по обратной связи, оценке достижимой точности управления для исходного объекта управления и формализованной итеративной доработке объекта управления и структуры системы на следующих этапах синтеза по результатам анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия с целью снижения дисперсии регулируемых переменных.

2. Выявлено, что возмущения вследствие колебания силы резания находятся в неэффективной зоне контура управления продольным профилем по обратной связи и приводят к сужению частотной зоны эффективной работы системы, повышению коэффициента передачи по возмущающему воздействию на регулируемую переменную, снижению прироста эффективности от уменьшения транспортного запаздывания; показано, что компенсация данного возмущения и устранение данных последствий возможна путем ввода в систему контура стабилизации силы резания, для которого данные возмущения находятся в зоне эффективной работы.

3. Показано, что наличие взаимосвязи силы резания и положения резца по

поперечной оси приводит к снижению коэффициента эффективности системы управления силой резания почти в 3 раза; развязка каналов управления путем введения в регулятор динамического компенсатора позволяет уменьшить взаим-ное влияние управляющих воздействий на данные параметры и восстановить эффективность системы стабилизации силы резания.

4. Предложены новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежестких валов, включающей более быстродействующую систему измерения диаметра обработанного вала в заданных точках, контур стабилизации силы резания для уменьшения среднечастотных возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи, динамический компенсатор для динамической развязки каналов управления тангенциальной силой резания и положением режущего инструмента по поперечной оси, что позволило расширить зону эффективной работы системы с 0,05 до 0,13 колебаний/период дискретизации, повысить эффективность отработки возмущений в данной зоне в 1,6 и более раз.

Практическая значимость. Использование полученных результатов позволяет путем уменьшения динамической ошибки обработки деталей производить токарную обработку на повышенных режимах резания или обрабатывать детали с более жесткими требованиями по точности обработки без снижения производительности. Способ исследования эффективности системы управления путем анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия может быть применен для решения задач повышения эффективности других систем управления в металлообработке. Разработанная система позволяет уменьшить ошибку управления, что подтверждено опытной обработкой нежестких валов на станке 16К20ФЗ. Разработанные компьютерные системы измерения сил резания и исследования качественных показателей обработанных изделий, программа обработки экспериментальных данных используются при проведении научно-исследовательских работ, а также при проведении занятий по дисциплинам

«Математическое моделирование процессов машиностроения», «Теория автоматического управления», «Адаптивные системы управления» на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления.

Разработанная система управления продольным профилем нежестких валов рекомендована к внедрению на предприятиях ОАО «Волгодизельмаш им. Маминых», ОАО «Волгодизельаппарат».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Направления доработки объекта управления и структуры системы управления, выявленные по результатам рассмотрения расширенной задачи управления и математического моделирования работы системы управления.

2. Полученные результаты зависимости эффективности системы от величины транспортного запаздывания объекта управления и интенсивности среднечастотных возмущающих воздействий.

3. Многосвязная система управления силой резания и положением резца по поперечной оси с динамическим компенсатором.

4. Новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежесткого вала, численное моделирование работы которой показало снижение ошибки управления внешнего контура более чем в 2 раза и позволило сделать вывод о достижении поставленной в работе цели.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009 г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Саратов, 2010 г.), Шестом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011), Международной конференции, посвященной 70-летию Самарского государственного аэрокосмического университета и 100-летию ОАО «Кузнецов» (Самара, СГАУ, 2012), 13 международном форуме «Образовательная среда-20 И »(Москва,

12

ВДНХ, 2011) международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях 24,25» (Саратов, 2011,2012г.).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 13 печатных работах, в числе которых 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в формулировании цели и постановке задач исследований, разработке методик, проведении теоретических и экспериментальных исследований, построении математических моделей, синтезе систем управления, компьютерном моделировании разработанных систем, создании программно-аппаратного обеспечения для проведения и обработки результатов экспериментов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 179 страницах, содержит 97 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы включает 128 наименований.

В первой главе представлены проблемы обработки нежестких валов и методы их решения, рассмотрена структурная схема объекта управления процессом токарной обработки, произведен обзор и анализ существующих систем управления, показана необходимость построения систем управления качественными показателями обработанных изделий и повышения эффективности каналов обратной связей систем управления путем решения расширенной задачи управления и компенсации взаимосвязи регулируемых параметров. Осуществлена постановка задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрена постановка расширенной задачи управления, показана суть задачи доработки объекта управления и методика ее решения на основе анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущению и спектральной плотности возмущающего воздействия, приведенного к выходу объекта управления, выявле-

ны пути решения задачи повышения эффективности системы управления продольным профилем нежесткого вала при токарной обработке.

В третьей главе исследовано влияние величины транспортного запаздывания и интенсивности среднечастотных возмущающих воздействий на эффективность системы управления, выявлено, что для повышения эффективности системы при снижении транспортного запаздывания необходимо снизить интенсивность среднечастотных возмущений, показано, что основным источником среднечастотных возмущений является нестабильность силы резания, произведено построение контура управления силой резания путем корректировки подачи, исследованы его эффективность и грубость.

В четвертой главе исследовано влияние взаимосвязи контуров управления силой резания и положением резца по поперечной оси, произведена разработка динамического компенсатора и многомерной системы управления силой резания и положением резца по поперечной оси с динамической развязкой каналов управления.

В пятой главе произведено построение системы управления продольным профилем нежестких валов с новой структурой и алгоритмом управления, показана ее эффективность.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

В данной главе представлены проблемы обработки нежестких валов и методы их решения, рассмотрена структурная схема объекта управления процессом токарной обработки, произведен обзор и анализ существующих систем управления, показана необходимость построения систем управления качественными показателями обработанных изделий и повышения эффективности каналов обратной связей систем управления путем решения расширенной задачи управления и компенсации взаимосвязи регулируемых параметров. Осуществлена постановка задачи диссертационной работы.

1.1 Особенности обработки нежестких валов

Особенностью токарной обработки нежестких валов является наличие повышенных погрешностей обработки вследствие деформации смещения передней и задней бабок и большой деформации изгиба вала под действием сил резания [1-2].

Уменьшения погрешности обработки добиваются:

1. Повышением жесткости и точности станков за счет повышения жесткости слабых звеньев, соблюдения точной геометрической формы стыковых поверхностей узлов станка и чистоты их обработки, уменьшения числа стыков, устранения эксцентричности приложения нагрузки к стыку и создания предварительного натяга в сопряжениях. Также жесткость повышается за счет повышения жесткости станины, однако это увеличивает металлоемкость станка и часто не приводит к желаемым результатам.

Повышение жесткости упругой системы заготовки в процессе обработки достигается рациональным положением опор при установке детали на станке,

а также - при необходимости - применением дополнительных опор, например люнетов. Применение подобных приспособлений позволяет достичь повышения точности обработки, однако вносит дополнительные сложности в процесс обработки изделия на станке и повышает время, затрачиваемое на обработку

[3].

2. Использованием менее интенсивных режимов обработки, при которых возникают меньшие силы резания, в результате чего уменьшаются упругие отжатая и точность обработки повышается. Однако, как правило, снижение режимов обработки ведет к снижению производительности.

3. Применением адаптивных систем управления, что позволяет отслеживать изменяющиеся условия обработки и гибко поднастраивать режимы обработки. Это обеспечивает получение заданной точности обработки без снижения производительности [4,5]. Системы управления включают каналы обратной связи, которые корректируют режимы резания при отклонении регулируемых параметров от заданных значений.

Данная работа направлена на повышение точности токарной обработки нежестких валов путем повышения эффективности автоматизированной системы управления.

1.2 Структурная схема процесса резания как объекта управления

В данной работе для описания процесса токарной обработки как объекта управления используется структурная схема, приведенная на рис. 1.1 [6,7].

Объект управления разбит на две части ОУ1, ОУ2. Первая часть объекта управления ОУ1 описывает влияние входных факторов (векторы Р/ и и) на внутренние показатели (вектор х). К внутренним показателям относятся силы, моменты, деформации и температурные изменения в зоне резания.

Контролируемые входные факторы:

1. Жесткость элементов упругой системы.

2. Параметры материала заготовки.

3. Параметры инструмента.

Неконтролируемые возмущающие воздействия:

1. Износ оборудования.

2. Нестабильность свойств материала.

3. Нестабильность припуска заготовки.

4. Погрешности базирования.

ОУ1

и

ОУ2

Внутренние показатели: Управляющее 1.Сила, момент резания, воздействия: 2 Упругие деф0рМации.

1. Скорость резания. 3.урове1!Ь вибр£щий.

2. Подача 4 Тип стружки

3. Глубина резания. 5 температура резания.

4. Состав, расход 6 Тешювые деформации.

сож.

Выходные показатели процесса резания:

1. Производительность.

2. Точность обработки.

3. Качество поверхности.

4. Состояние поверхностного слоя.

5. Себестоимость процесса.

7. Износ инструмента

Рис.1.1. Структурная схема технологического процесса токарной обработки

Вторая часть объекта управления ОУ2 описывает связь внутренних показателей состояния процесса с качественными показателями обработанных изделий и производительностью процесса обработки (вектор у).

Вектор промежуточных показателей объекта управления является возмущающим воздействием на качественные показатели обработанных изделий, но находится ближе к управляющим воздействиям, чем качественные показатели изделий, и имеет лучшие динамические характеристики по реакции на управляющие воздействия. Состав факторов по каждой позиции может быть изменен и расширен при рассмотрении конкретной задачи управления.

К входным контролируемым факторам (вектор Б) относятся величины, которые могут быть определены или измерены и учтены при назначении режима резания. Эти величины характеризуют исходные параметры используемого оборудования, инструмента и обрабатываемой детали.

К входным неконтролируемым факторам (вектор Г) относятся величины, которые влияют на технологический процесс, но не могут быть измерены и использованы для назначения режима резания. Эти величины характеризуют эволюционные преобразования и случайный процессы, сопровождающие процесс обработки.

К управляющим воздействиям (вектор и) относятся величины, которые

17

могут назначаться технологическим персоналом или системой управления с целью стабилизации или оптимизации процесса резания и качественных показателей обработанных изделий. К этим величинам относятся режимы и условия обработки.

Особенностями объекта управления процессом токарной обработки, усложняющими построение системы управления, являются сложность, стохас-тичность, нестационарность, нелинейность, несоответствие спектральных характеристик возмущающих воздействий динамическим характеристикам объекта управления.

В следующем разделе произведен обзор систем управления, обеспечивающих по прямым или косвенным показателям отработку возмущений по деформации нежестких валов при токарной обработке.

1.3. Обзор существующих систем управления процессом токарной

обработки нежестких валов

1.3.1 Система управления продольным профилем путем корректировки положения резца по поперечной оси. Функциональная схема одноконтурной системы стабилизации силы резания приведена на рис. 1.2 [4,8]. Данная система направлена на отработку возмущений по деформации нежестких валов в процессе токарной обработки. Система включает датчик силы резания Д, за-датчик ЗУ, элемент сравнения, управляющее устройство УУ, исполнительный механизм в виде электропривода малых перемещений ЭД для корректировки положения резца по поперечной оси у.

Рис. 1.2. Функциональная схема системы управления При отсутствии возмущений по припуску и характеристикам материала сила резания, измеряемая датчиком, определяется деформациями отжима переднего и заднего центров, изгиба заготовки и является косвенной информацией о глубине резания. В таком случае система стабилизации силы резания путем изменения положения резца по поперечной оси отслеживает деформацию заготовки под действием силы резания и тем самым позволяет стабилизировать глубину резания. При отсутствии возмущения по припуску и характеристикам материала это обеспечивает стабилизацию диаметра обработанной заготовки.

Наличие возмущений по припуску также приводит к изменению силы резания. В этом случае система, стабилизируя силу резания путем корректировки положения резца по поперечной оси, приводит к изменению диаметра обрабатываемой заготовки. Изменение диаметра при появлении возмущения по припуску является одним из основных недостатков системы. Аналогичная ситуация имеет место при изменении характеристик материала. Кроме того, недостатком рассмотренной системы является наличие возмущений по приводу малых перемещений (изменение напряжения питания, сопротивление контактов и обмоток), влияющих на глубину резания.

1.3.2 Каскадная система управления продольным профилем. Для устранения второго недостатка рассмотренной системы разработана каскадная система, содержащая внутри данной системы дополнительный контур управления положением резца по поперечной оси [4,8]. При этом возмущения по приводу

отрабатываются во внутреннем контуре и не влияют на глубину резания. Функциональная схема системы приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Функциональная схема двухконтурной системы управления Недостаток предыдущий системы, состоящий в появлении дополнительной погрешности обработки при наличии возмущений по припуску и характеристикам материала, сохраняется.

1.3.3 Система программного управления продольным профилем валов. На рис. 1.4. приведена система программного управления деформацией смещения пиноли задней бабки в процессе токарной обработки валов путем изменения геометрии режущего инструмента - угла наклона режущей кромки X [4, 9], что, в конечном итоге ведет к плавному изменению глубины резания.

Данная система предназначена для управления диаметром обрабатываемой детали по всей ее длине. Измеряемое упругое перемещение пиноли вызвано действием на пиноль силы резания и пропорционально ее значению. Определение упругого перемещения в обрабатываемом сечении детали производится по уравнению связи силы резания с деформацией в данном сечении. Программное устройство посредством заложенной в нем программы формирует задающее воздействие по длине детали с учетом изменения величины упругого перемещения по длине детали, обусловленного собственными деформациями детали и разной жесткостью передней и задней бабок станка.

В=кх —► ТТРОГ

УС

1Езад

X

№

им

УУ

Рис. 1.4. Функциональная схема системы автоматического управления Структурная схема системы управления приведена на рис 1.5.

Рис. 1.5. Структурная схема системы управления

Однако при этом не учитывается изменение закономерностей процесса резания, не выделены возмущения по характеристикам материала заготовки, погрешности начальной установки заготовки и инструмента, температурная деформация и другие факторы, которые в итоге могут привести к смещению задней бабки под действием силы резания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кравченко, Станислав Алексеевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Маталин A.A. Технология машиностроения Л.: Машиностроение, 1985,

496 с.

2. Основы технологии машиностроения / Под ред. B.C. Корсакова — М.: Машиностроение. 1985- 492с.

3. Драчев О. И., Тараненко, Г. В., Тараненко В. А.: Экспериментальные исследования стабилизации оси маложесткой детали при использовании самоцентрирующих люнетов. Технологии и техника автоматизации // Сборник трудов международной научно-технической конференции, посвященной 75 - летию ГИУА в г. Ереване 13-18 сентября 2008 г. - Ереван: ГИУА. - 2008. С. 57 - 61.

4. Драчёв, О. И. Основы расчёта и проектирования систем автоматического управления в машиностроении /О.И. Драчёв, Д.А. Расторгуев, A.A. Солдатов, А.Г. Схиртлаздзе. - М.: ТНТ, 2009.

5. http://instserv.ru/page/adaptive/

6. Кравченко С.А. Создание многомерной системы управления качественными показателями изделий при токарной обработке / А.Ю. Набилкин, С.А.Кравченко, В.П. Бирюков // Математические методы в технике и технологиях 24: материалы международной научной конференции. Саратов: СГТУ, 2011. С. 46-47.

7. Набилкин А.Ю. Автоматизированная двушкальная каскадная система управления продольным профилем нежёстких валов при токарной обработке. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Саратов, СГТУ. 2013 г.

8. Балакшин Б.С. Адаптивные управление станками.-М.: Машиностроение, 1973.-688с.

9. Самоподстраивающиеся станки. Управление упугими перемещениями системы СПИД. Под. Ред. Балакшина Б.С. М.: Машиностроение, 1970.-416с.

10. Невельсон М.С. Автоматическое управление точностью металлообработки. Л., Машиностроение, 1973. 176 с.

11. Растригин JI.A. Введение в идентификацию объектов управления / JI.A. Растригин, Н.Е. Маджаров - М.: Энергия, 1977. - 216с.

12. Турецкий К. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. — М.: Машиностроение. 1974. - 328с.

13. Смит О.Д. Автоматическое регулирование.- М.:Физматгиз, 1962.-848с.

14. Стрейц В. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления. М.: Наука, 1985. 294 с. (перевод с англ.).

15. Деруссо П., Рой Р., Клоуз Ч. Пространство состояния в теории управления. М.: Наука, 1970. - 620с.

16. Квакернак К. Линейные оптимальные системы управления / Квакер-нак К., Сиван Р. Пер. с англ. М.: Мир. 1977.-654 с.

17. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М. Высшая школа. 1989.-263с.

18. Бирюков В.П., Климов А.П., Сотников В.В., Схиртладзе А.Г.. Введение в современную теорию оптимального управления.

19. Бирюков В.П. Сотников В.В. Создание условий эффективной работы обратной связи систем управления.

20. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976. 424с.

21. Дорф Р., Бипош Р. Современные системы управления. М.: Юнимедиа-стайл. 2002, -932с.

22. Калюжный A.A. Система управления качеством битумных вибро-демпфирующих материалов. Автореферат дисс. канд. техн. наук. С-Пб., СПГТИ (ТУ). 2009 г.

23. Климов А.П. Автоматизированная система косвенной стабилизации разрывной прочности резинотехнических изделий. Автореферат дисс. канд. техн. наук. С-Пб, СПГТИ (ТУ). 2009 г.

24. Бирюков В.П. Некоторые принципы построения систем управления технологическими процессами с высоким уровнем неконтролируемых возмущений. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Л., ЛТИ. 1991г.

25. Методы классической и современной теории автоматического управления. Учебник в 5 томах. Т. 1: Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления/ Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. М: Из-во МГТУ им. Баумана, 2004. -656с.

26. Методы классической и современной теории автоматического управления. Учебник в 5 томах. Т.2: Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления/ Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. М: Из-во МГТУ им. Баумана, 2004.- 640с.

27. Методы классической и современной теории автоматического управления: Т.З. Синтез регуляторов систем управления. Под ред. К.А. Пупкова, М. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.-616с.

28. Кравченко С.А. Многосвязная система управления силой резания и положением резца по поперечной оси / С.А.Кравченко, А.Ю.Набилкин,

B.П.Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3 (58). Выпуск 2. С. 204-207.

29. Кравченко С.А. Решение задачи повышения эффективности системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке /

C.А.Кравченко, А.Ю.Набилкин,, В.П.Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3 (58). Выпуск 2. С. 207-214.

30. Кравченко С.А. Повышение эффективности системы управления продольным профилем нежёстких валов при токарной обработке / С.А.Кравченко, А.Ю.Набилкин, В.П.Бирюков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. №3 (34). Часть 1. С. 339-349.

31. Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами. Э.Я.Рапопорт Издатели: Высшая школа, год выпуска 2005. 296 страниц.

32. Бутковский А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами Москва, Наука, 1975, 568с.

33. Перелыгина Т.И. Моделирование процесса токарной обработки нежестких валов. Сборник трудов всероссийской научной конференции «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация», - Саратов: СГТУ, 2010. С. 246-248.

34. Мурашкин C.JI. Технология машиностроения. Колебания и точность при обработке материалов резанием: Учеб. Пособие/ C.JI. Мурашкин, А.Г. Схиртладзе, А.М.Соловейчик. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 280 е.: ил.

35. Бржозовский Б.М. Динамический мониторинг технологического оборудования: монография / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, И.Н. Янкин, М.Б. Бровкова. - Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2008. - 312 с.

36. Чернянский П.М. Основы проектирования точных станков. Теория и расчет: учебное пособие/ П.М. Чернянский, - М.: КНОРУС, 2010, 240 с.

37. Павлов A.A. Повышение точности малых перемещений суппорта прецизионного станка с применением комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной подачей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - Саратов, 2010 г.

38. www.inelsy.com

39. Заковоротный B.JI. Флек М.Б. Динамика процессов резания. Синер-гетический подход / B.JI. Заковоротный, М.Б. Флек. - Ростов-на-Дону.: Терра, 2006. - 876 с.

40. Надежность и диагностика технологических систем: учебник для вузов / Б.М. Бржозовский, A.A. Игнатьев, В.В. Мартынов, А.Г. Схиртладзе; под ред. Б.М. Бржозовского. - Саратов: Сар.гос.техн.ун-т, 2006. - 307 с.

41. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. - М.: Мир, 1974. Т1-2

42. Бочкарев П.Ю., Бржозовский Б.М., Мартынов В.В., Схиртладзе А.Г. Управление станками и станочными комплексами: Учебник. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007.

43. Бржозовский Б.М. Обеспечение точности токарной обработки на основе учета динамического состояния оборудования в реальном времени / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, М.Б. Бровкова // Точность технологических и транспортных систем (ТиТС-98): сб.ст. Междунар.науч-техн.конф. - Пенза ПДНТП, 1998. 4.1. - С.102-105.

44. Бирюков В.П., Сотников В.В. К вопросу разработки алгоритмов управления технологическими процессами. Тезисы докладов Научно-практической конференции «Системы управления подвижными объектами и автоматизация технологических процессов» Томск. 1989, с.80.

45. Отчет о НИР по проекту № 7193. Первый этап. 2011 г. УДК 533.677.678.

46. Отчет о НИР по проекту № 7193. Заключительный этап. 2011 г. УДК 533.677.678.

47. Базров Б.М. Выбор способа адаптивного управления процессом механической обработки деталей. - «Станки и инструмент», 1974, №8, с. 1-4.

48. Перельман И.И. Оперативная идентификация объектов управления. -М.:Энергоиздат. 1982. -272с.

49. Ротач В.Я. Автоматизация настройки систем управления. - М.: Энергоатомиздат. 1984.-272с.

50. Гудвин Г. К., Требе С. Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004 - 911с., ил.

51. Такер Г., Уилле Д. Упрощенные методы анализа систем автоматического регулирования. М - Л.: Госэнергоиздат. 1963. — 386с.

52. Бесекерский В.А., Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. -768с.

53. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.:Наука, 1977.-560 с.

54. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования.К.: В ища школа, 1975.- 424с.

55. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1973.- 528с.

56. Санковский Е.К. Вопросы теории автоматического управления. Статистический анализ и синтез САУ. М. : Высшая школа, 1971. -232 с.

57. Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987.-480с.

58. Певзнер Л.Д. Теория систем управления.- М.: Изд-во МГГУ, 2002,

470 с.

59. Певзнер Л.Д. Практикум по теории автоматического управления. -М.: Высшая школа. 2006. - 590с.

60. Мирошник И. В. Теория автоматического управления линейными системами. СПб.: Питер, 2005. - 336с.

61. Мирошник И. В. Теория автоматического управления нелинейными и оптимальными системами. СПб.: Питер, 2006. - 272с.

62. Рей У. Методы управления технологическими процессами. Пер. с англ. М. Мир, 1983 .-368с.

63. Менский Б.М. Принцип инвариантности в автоматическом регулировании и управлении.М.: Машинострение, 1978.- 248с.

64. Алиев P.A. Принцип инвариантности и его применение для проектирования промышленных систем управления. М:Энергоатомиздат, 1985. - 128с.

65. Оптимизация в технике / Реклейтик Г. и др. Кн. 1. -М.: Мир, 1986. -

350 с.

66. Оптимизация в технике / Реклейтик Г^и др. Кн. 2. -М.: Мир, 1986. -320 с. •

67. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. -344с.

134

68. Алексеев A.A. Идентификация и диагностика систем.-М.¡Академия, 2009.-352с.

69. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов - М.: Энергия, 1979.-240с.

70. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами.М.: Мир, 1973.-960с.

71. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления - М.: Мир 1975.-686с. '

72. Райбман Н.С. Построение моделей процессов производства / Н.С.

г

Райбман, В.М. Чадеев - М.: Энергия, 1975. - 376с.

73. Ордынцев В. М. Математическое описание объектов автоматизации -М.: Машиностроение, 1965. - 360с.

74. Гроп Д. Методы идентификации систем - М.: Мир, 1979. - 304с.

75. Бирюков В.П. Идентификация систем управления. Учебное пособие. Саратов, 2011.

76. Балакирев B.C. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управден-^й"к B.C. Балакирев и др. - М.: Энергия, 1967.-460с.

77. Советов Б.Я, Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: «Высшая школа» 2001,343 с.

78. Бакалов В.П. Цифровое моделирование случайных процессов / В.П. Бакалов. М.: Сайнс-пресс, 2002. - 90 с.

79. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического регулирования. - М.: Физматизд. 1960. -656с.

80. Бендат Д., Пирсол А. Прикладной .анализ случайных процессов. М.:Мир, 1989.- 540с. '

81. Бендат Д., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа.М. :Мир, 1983 .-312с.

82. Прикладной статистический анализ/ Алексахин C.B., Балдин A.B. и др. .:Приор,2001.-224с.

83. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер. с англ.-М.: Мир, 1975. -536 с.

84. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ. Книга 1 / Н. Дрей-

пер,

85. Дрейпер Н. Прикладной регрессионнщй анализ. Книга 1 / Н. Дрейпер,

86. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ. / Н. Дрейпер, Г. Смит - М.: Диалектика, 2007. - 912с.

87. Волгин В.В., Каримов Р.Н. Некоторые свойства амплитудно-частотных характеристик линейных систем автоматического регулирования и качество регулирования при случайных воздействиях.// Известия Вузов. Электромеханика. 1973. №2, с.195-205.

88. Волгин В.В., Каримов Р.Н., Карецкйй^ A.C. Учет реальных возму-

- -Y"

щающих воздействий и выбор критерия качества'при сравнительной оценке качества регулирования тепловых процессов.// Теплотехника. 1970. № 3. с. 25-30.

89. Мордкович Б.И. Системы питания технологических линий химических производств. М.: Химия. 1975.-174с.

90. Такер Г., Уилле. Д. Упрощенные методы анализа систем автоматического регулирования. M-JL: Госэнергоиздат. 1963. -368с.

91. Бирюков В.П. Грибалева E.H. К вопросу переработки целлюлозы разных марок в производстве вискозных волокон и пленок. // Химические волокна. 1988. №2. с.59-61. •. ! :

92. Бирюков В.П., Силкина A.A. Уменьшение влияния содержания примесей в каустике на вязкость вискозы. // Химические волокна. 1990. № 2. с. 2728.

93. Гельфанд Я.Е., Френкель Ю.Г. Синтез оптимального управляющего устройства для объектов с запаздыванием при управлении по косвенной пере-

менной. В ст. «Автоматизация планирования управления непрерывными процессами». -Фрунзе. Илим.1974. Выпуск 4. с. 32-38.

94. Ротач В.Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования. M.-JL: Госэнергоиздат. 1961. -344с.

95. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. —М.: Энергия. 1973. -440с.

96. Шалыгин A.C., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. M.: Машиностроение, 1986. -312 с.

97. Дроздов Н.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ / Н.В. Дроздов. Л.: Машиностроение, 1989. - 284 с.

98. Филлипс Ч. Системы управления с обратной связью / Ч. Филлипс, Р. Харбор. М. : ЛБЗ, 2001. -616 с.

99. Лазарев Ю. Моделирование процессов'-и систем в MATLAB. СПб.: Питер, Изд. Группа BHV, 2005.-512с. .Л';^ '

100. В. Дьяконов. MATLAB 6/6.1/6.5 Simulink 4/5 в математике и моделировании. Салон-пресс. М. 2003. - 576с.

101. Медведев B.C., Потемкин B.T.Control System Toolbox. М.Диалог МИФИ, 1999-287с.

102. Перельмутер В.М. Пакеты расширения Matlab. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox. / В.М.Перельмутер. - M.: САЛОН-ПРЕСС, 2008. - 224c.

103. Мурин C.B. Система управления составом и вязкостью вискозы в производстве химических волокон. Автореферат; дйсс. канд. техн. наук. С-Пб., СПГТИ (ТУ). 2008 г.

104. Кравченко С.А. Компьютерная система измерения сил резания / А.Ю.Набилкин, С.А.Кравченко, Г.А.Гилев, В.П.Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №2 (56). Выпуск 2. С. 248-252.

105. Кравченко С.А. Выбор структуры автоматизированной системы управления формой нежестких валов при токарной обработке / А.Ю.Набилкин, С.А.Кравченко, В.П.Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3 (58). Выпуск 2. С. 219-224.

106. Кравченко С.А. Математическая модель объекта управления формой нежестких валов при токарной обработке / А.Ю.Набилкин, С.А.Кравченко, В.П.Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3 (58). Выпуск 2. С. 224-229.

107. Кравченко С.А. Синтез и анализ эффективности многомерного стохастического ЛКГ-регулятора формы нежестких валов при токарной обработке

/ А.Ю.Набилкин, С.А.Кравченко, В.П.Бирюков,//-Вестник Саратовского госу-

(( Ij '

дарственного технического университета. 2011.*№3 (58). Выпуск 2. С. 224-229.

108. Кравченко С.А. Автоматизированная система управления формой нежёстких валов при токарной обработке/ А.Ю.Набилкин, С.А.Кравченко, В.П.Бирюков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. №3 (34). Часть 1. С. 321-330.

109. Технический паспорт станка 16А20ФЗ. 1986 г.

110. http://www.owen.ru/catalog/68343788

111. http://globaltest.ru/page/vpoicp_obsh2037/

112. Балакшин Б. С. Основы технологии машиностроения. — М: Маши-

к I *

ностроение, 1966.- 556 с. ■ t \

113. Справочник технолога-машиностроителя. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М: Машиностроение, 2003. Т 1. 656 с.

114. Справочник технолога-машиностроителя. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М: Машиностроение, 2003. Т 2. 496с.

115. Технология машиностроения. В 2 Т/ Под ред. A.M. Дальского.- М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998- Т1. 564с.

116. Технология машиностроения. В 2 Т/ Под ред. A.M. Дальского.- М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998- Т2. 640с. , ' ;

'I

117. Справочник технолога-машиностроителя. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М: Машиностроение, 2003. Т 1. 656с., ил., Т 2. 496с.,ил.

118. Колев К.С. Точность обработки и режимы резания. М., «Машиностроение», 1968, 130 стр.

119. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания. М., «Машиностроение», 1972, 72 с.

120. Васин С.А. Прогнозирование виброустойчивости инструмента при точении и фрезеровании. «Машиностроение» 2001, 369 стр.

121. Жарков Вибрации при обработке лезвийным инструментом. — Д.: Машиностроение. 1986. 184 с.

122. Попов В.И., Локтев В.И. Динамика станков. «Техника», 1975,136 стр.

123. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: «Машиностроение» 1967

124. Орликов М.Л. Динамика станков. «Высшая школа» 1989, 272 с.

125. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М., «Машиностроение», 1978. 199 с. с ил.

126. Кравченко С.А. Компьютерная система исследования динамических и вибрационных характеристик металлообрабатывающих станков / A.A. Калюжный, С.А.Кравченко, А.Ю. Набилкин // VI Саратовский салон изобретений,

' I

инноваций и инвестиций: сб. материалов: в 2 ч;' Саратов: Саратовский ГАУ, 2011. Ч. 1, С. 97-98.

I

127. Кравченко С.А. Математическая модель влияния режимов резания на уровень вибрации / А.Ю.Набилкин, С.А.Кравченко, Г.А.Гилев, В.П.Бирюков // Автоматизация, информационные технологии и системы автоматизированного проектирования технических систем: Сборник научных трудов всероссийской научно-технической конференции. Саратов: СГТУ, 2011. С. 238-241.

128. Кравченко С.А. Многомерная система управления токарной обработкой нежестких валов / А.Ю. Набилкин, С.А.Кравченко, В.П. Бирюков // Математические методы в технике и технологиях 25:' материалы международной

* •

научной конференции. Саратов: СГТУ, 2012. Т.Ю! С. 17-18.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Компьютерная система измерения параметров качества обработанной поверхности

Сравнительный анализ систем управления процессами резания при меха-нобработке показал необходимость создания контура управления по характеристикам поверхности получаемых изделий, так как в них отражается влияние всех неконтролируемых возмущающих воздействий на процесс резания. Данный контур, как правило, вследствие необходимости затраты продолжительного времени для исследования качественных показателей поверхности, является самым медленным в системе управления и ограничивает коэффициент усиления основного контура регулирования. Поэтому снижение времени, необходимого для исследования качественных показателей поверхности обрабатываемых изделий является актуальной задачей.

В Балаковском институте техники технологии и управления разработана компьютерная система измерения параметров/качества обработанной поверхности. V;4',"'.. .

Измерительным звеном системы является индуктивный опорный датчик, действие которого основано на ощупывании неровностей измеряемой поверхности алмазной иглой с малым радиусом закругления и преобразовании ее колебаний в пропорциональные изменения амплитуды электрического напряжения.

Магнитная система датчика представляет сердечник с двумя катушками 1 (Рис.1). Катушка образует балансный мост датчика с двумя половинами первичной обмотки дифференциального входного .трансформатора 2, который пи-

ч'г

тается от генератора звуковой частоты 3. При. перемещении датчика относи' * Г' .

тельно исследуемой поверхности алмазная игд&, ощупывая неровности поверхности, приводит в колебательное движение коромысло 4, из-за смещений

которого меняются воздушные зазоры между якорем и сердечником, из-за чего изменяется амплитуда напряжения на выходе дифференциального трансформа-

Рис. 1. Электрическая схема датчика

На рис. 2 показана функциональная схема измерительной системы. В качестве датчика (Д) в системе используется вышеописанная измерительная часть. В качестве генератора звуковой частоты (ГЗЧ), необходимого для работы датчика, используется звуковая плата компьютер, с которой через усилитель (У) на датчик подается синусоидальный сигнал частотой 500 Гц.

Одновременно с подачей синусоидального сигнала на датчик программное обеспечение (ПО) дает команду на запуск электропривода (ЭП) через дискретный порт платы ввода-вывода (П В/В) и силовой драйвер (Др). К штоку электропривода прикреплен датчик. В состав электропривода входит четырехступенчатая коробка скоростей, шестерня, ходовой винт и маточная гайка, шарнирно закрепленная на корпусе штока.

Перед снятием профилограммы датчик взводится в начальное положение

с помощью рычага. Затем электропривод осуществляет рабочее движение датУ ' 1 .

чика, а плата ввода-вывода через аналоговый порт ввода считывает показания до тех пор, пока не сработает концевой датчик выключения, который через дискретный вход платы ввода-вывода подаст в программное обеспечение сигнал об окончании измерения.

Сигнал с выхода датчика считывается с помощью платы ввода-вывода (П В/В), построенной на базе микроконтроллера Atmegal6 и микросхемы АЦП AD7321, и передается на компьютер, где обрабатывается в программного обеспечении (ПО), написанном в среде разработки кросс-платформенных графических приложений Qt Creator. В программе производится расчет параметров шероховатости. Полученные данные сохраняются и выводится на экран в наглядной форме.

Др эп

Рис. 2. Функциональная схема системы

Программное обеспечение выполняет следующие функции в системе:

1) Связь с микропроцесорной частью системы, передача команд, управляющих проведением измерения и получение сигнала, содержащего информацию об исследуемом профиле.

2) Расчет и отображение параметров качества поверхности для ряда данных, снятых при ощупывании датчиком поверхности исследуемой детали:

Заданная длина пройдена?

да

Конец съема данных

Отключение ГНЧ

I

Вывод данных

Архивирование данных

нет

Останов двигателя

1 г

Расчет параметров шероховатости

1

в)

Начало

Раечет уровня средней линии т

Нахождение массива экстремумов

Выбор 5 минимумов и 5 максимумов

1

Яг = среднее по 5 максимумам и 5 минимумам относительно средней линии

Конец

Конец

Рнс. 3. Блок-схема алгоритма работы программной части системы исследования качества поверхности, а) Алгоритм снятия и обработки профилограммы; б) алгоритм подпрограммы расчета параметра Яа; в) алгоритм подпрограммы расчета параметра 112.

Параметры шероховатости, связанные с высотными свойствами неровностей:

»

Яа - среднее арифметическое отклонение профиля:

Яг - высота неровностей профиля по десяти точкам;

Кгпах - наибольшая высота неровностей профиля;

Яр - высота наибольшего выступа профиля;

Яу - глубина наибольшей впадины профиля;

- среднее квадратическое отклонение профиля.

Параметры шероховатости, связанные со свойствами неровностей в направлении длины профиля: . .

8т - средний шаг неровностей профиля.;

Б - средний шаг местных выступов профиля;

О - плотность выступов профиля;

3) Архивирование проведенных измерений с сохранением времени измерений и характеристиками исследуемой детали с возможностью обработки данных в стороннем программном обеспечении;

4) Сохранение результатов измерения и расчета параметров шероховатости в формате базы данных для дальнейшего использования в системах статистической обработки данных и системах принятия решений;

В программном обеспечении (ПО) произйо'дктся расчет стандартных параметров, характеризующих шероховатость поверхности, вывод их на экран, сохранение в базе данных и передачу информации в блок принятия решений. На основе измерений принимается решение о необходимом изменении параметров технологического процесса для улучшения качества получаемой продукции.

Блок-схема алгоритма работы программы для снятия профилограммы приведена на рис. 3. На рис.4 приведено главное окно программного обеспечения, входящего в состав системы.

, г

Окно программы включает следующие элементы:

1. Кнопка начать сбор (стоп сбор), запускает/останавливает сбор данных с датчика, одновременно запускает/останавливает двигатель, перемещающий датчик;

2. Окно задания базовой длины, в котором задается базовая длина (отрезок измеряемой поверхности на котором рассчитываются параметры шероховатости);

3. Кнопка расчета параметров шероховатости. Выводит параметры шероховатости;

4. Кнопка сохранить отрезок, позволяет сохранить нужный отрезок про-филограммы;

5. Окно вывода параметров шероховатости;

6. Шкала по оси У, на которой откладывается отклонения профиля от средней линии;

7. Метки базовой длины;

8. Полученный профиль поверхности

9. Шкала по оси X, на которой откладывается длина профиля;

10. Графический элемент отображения графиков;

11. Средняя линия профилограммы.

Профилогранма

' I

Рис.4. Главное окно программного обеспечения

Разработанная система позволяет решать задачи исследования закономерностей технологического процесса, построения моделей зависимости качества обработанной поверхности от параметров обработки, нахождения оптимального режима резания и может быть использована для измерения качества обработанных поверхностей непосредственно в системе управления.

2. Программное обеспечение для обработки результатов экспериментов

I «

' . .

по исследованию процессов резания / ;

Эксперименты по исследованию процессов резания при металлообработке требуют обеспечения измерения в реальном времени таких физических величин как сила резания, уровень вибраций и другие. Исследуемые процессы сопровождаются колебаниями этих величин различной частоты (от единиц до десятков килогерц). Для осуществления измерения и обработки результатов экспериментов необходимо использование соответствующего программно-аппаратного обеспечения.

После отбора и сохранения полученных в процессе измерения данных необходимо обеспечить их удобный анализ. Времеййые ряды для высокочастотных сигналов могут представлять собой достаточно большой объем данных, для обработки и визуализации которого могут потребоваться специальные средства. Например, временной ряд сигнала частотой 8 кГц, измеряемый в течении 10 секунд, содержит 80000 точек. Обрабатывать такой объем данных с помощью табличных процессоров, таких как Microsoft Excel, без предварительной обработки достаточно проблематично по ряду причин: из-за ограничения объема загружаемых в редактор данных, из-за отсутствия типового алгоритма обработки и визуализации больших объемов данных. Более продвинутые программные пакеты для решения задач вычислений-(Matlab и др.), частично лишены этих проблем, однако не дают достаточной гибкости при необходимости работы с группами экспериментальных выборок больших объемов. Поэтому целесообразным является разработка специализированных прикладных про-

граммных средств, учитывающих специфику требований конкретных серий экспериментов и позволяющих уменьшить время, затрачиваемое на анализ и сортировку данных.

В Балаковском институте техники, технологии и управления разработана программа для обработки результатов экспериментов по исследованию процессов резания. Главное окно программы показано на рис. 1.

Ъс

■ 5"О Iмп/об $"0 3$ ни/об 5-0 2 т/эб 5-0 25|<и«6 Яб-ОЗт^б

Рис. 1. Главное окно программы

Программа позволяет выводить графики для сохраненных временных выборок данных объемом до 120000 точек. Дополнительно к каждому временному ряду можно применить фильтрацию, аддитивную и мультипликативную коррекцию и смещение по времени. Таким образом, программа позволяет просматривать и приводить экспериментальные графики к удобному для демонстрации и опубликованию виду, а также отбирать из'/серии экспериментов наиболее достоверные данные. При этом время, затрачиваемое на вывод графиков, существенно снижается по сравнению с использованием существующих программных пакетов.

Разработанное программное обеспечение использовалось при обработке результатов экспериментов по исследованию процессов металлообработки.

Ниже описывается эксперимент по получению модели влияния глубины резания на тангенциальную составляющую силы резания при токарной обработке.

Влияние глубины резания на тангенциальную силу резания определялось следующим образом. В процессе эксперимента производилось продольное точение цилиндрической заготовки со ступенчатым изменением глубины резания от 0.3 мм до 1 мм. Таким образом получалось ступенчатое изменение глубины резания на 0.7 мм при неизменных остальных режимах резания.

На рис. 2 показан график полученного временного ряда.

700 -600 500 400

X Cl

300

100

-1-1-1-1-1-•-----1-1-1---•-1-1-'-1-■-'-I-1-1-1-*-1-1-'-----

5 10 15 20 25

t, С

Рис. 2. Временной ряд тангенциальной силы резания

Для определения параметров модели из полученного временного ряда необходимо выделить переходные процессы и аппроксимировать их апериодическим звеном первого порядка, подобрав параметры методом нелинейного программирования. Программное обеспечение дает .возможность просматривать весь временной ряд, изменяя масштаб просмотра по мере необходимости и выделять необходимые промежутки для отдельного сохранения.

3. Компьютерная система измерения сил резания

Переменные упругие деформации технологической системы станка, возникающие при изменении сил резания в процессе токарной обработки, являются одним из факторов, влияющих на величину погрешности обработки. Поэтому используют различные автоматизированные системы управления, стабили-

зирующие упругие перемещения технологической системы при изменении припуска заготовки, твердости материала и других возмущающих воздействий.

I

Динамические характеристики процесса резания как объекта управления, статистические характеристики возмущающих воздействий для построения системы управления преимущественно исследуют экспериментальным путем, что требует наличия различных измерительных систем.

В Балаковском институте техники технологии и управления разработана компьютерная система измерения сил резания. Данная система позволяет решать задачи исследования закономерностей технологического процесса, построения моделей процесса как объекта управления, нахождения оптимального режима резания и может быть использована для измерения силы резания непосредственно в системе управления.

В качестве датчика используется тензодатчик балочного типа с мостовым включением. Нормирующий преобразователь прербразует сигнал тензодатчика в нормированный сигнал 0-10 В. Выходной сигнал с преобразователя через устройство сбора аналоговой информации ЛА-2118В передается на компьютер.

Разработанное в среде ЬаЬУ1е\¥ программное обеспечение позволяет производить:

' /< ■'' .

- периодическии опрос датчиков; > '

- статистическую обработку;

?

- архивирование полученных результатов;

- построение временных рядов изменения сил резания в процессе обработки, гистограмм, автокорреляционных функций, спектральных плотностей полученных случайных процессов;

- использовать полученные результаты при выявлении закономерностей процесса и построении математических моделей..-;

Главное окно программы показано на рис. -1, Мгновенное значение силы резания выводится на милливольтметр 1 и цифровой-'индикатор. Временной ряд силы резания выводится на графике в окне 2. На рисунке показан временной

Милиюльтнетр

М» 5 т (.0 А ■„> ч о* Л .»«1«

ряд, полученный для тангенциальной силы резания при точении ступенчатой заготовки диаметром 30 мм при следующих режимах резания: V = 112,5 м/мин, б = 0.2 мм/об, I = 0.5 мм.

Нормирующий усилитель, внешнее устройство АЦП и вспомогательные устройства сопряжения и питания объединены в один блок с возможностью подключения к нему тензодатчиков. Это позволяет проводить измерения с использованием датчиков с различными характеристиками. Датчики разной чувствительности позволяют измерять силы резания различной максимальной ам-

/'V-

плитуды. 1

суу ? >.« *** *?>■>■ ■■ Шй

1

Сохиитъ

У Вых°Д 1

На самописец ССцххип, ГХ»ии^»1я|

Рис. 1. Главное окно программы измерения силы резания

11 12

тнзоттт

Рис. 2. Установка для тарирования датчика

Система тарирования датчика содержит специальную рычажную систему (рис. 2). Рычаг может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. На расстоянии ¡¡+12 от оси вращения рычага подвешивается эталонный груз. На расстоянии 12 от оси вращения к рычагу приварена призма, передающая усилие с рычага на резец. Это усилие через передающий элемент передается на датчик. Соответствующее этому грузу усилие рассчитывается исходя из уравнения статики для рычажной системы с учетом длин 1} и 12. Тарирование датчика проводится перед каждой серией измерений.

Эксперименты показали, что система измерения сил имеет линейную статическую характеристику. На рис. 3 показан пример статической характеристики датчика, полученной при тарировании. Данная статическая характеристика описывается регрессионным уравнением идат =Ь0 +ЪХР2 =0,741 +0,005Р. с коэффициентом корреляции В2 = 0,99. Система настроена с предварительным натягом Р0=0.74 В (по выходному напряжению датчика).

Сдаикш хар^мрястлка латам жш 1 " * "—~

3 ^

3 _

;> ■..<■>

р!Н ^

Рис. 3. Статическая характеристика, полученная в результате тарирования датчика силы

На рис. 4 приведены экспериментальные данные статической зависимости силы резания от глубины резания, подачи и скорости резания, полученные с помощью измерительной системы. Данные показывают линейную зависимость тангенциальной силы резания от глубины резания и подачи и нелинейную зависимость от скорости резания, что подтверждается литературными данными.

А

и, в

- 1683* + 79,10 К3 = 0,99

0,2 э, мм/об

0,4

Р,Н

250 200 150 100 50 0 О

500 1000 1500 V, мгл/мин

Рис.4. Статические зависимости силы резания от режимов резания На рис. 5 показаны графики экспериментальных измерений, полученные с помощью описываемой системой при точении заготовок с профилем, обуславливающим периодическое скачкообразное изменение величины припуска.

Рис. 5. а) Колебания силы резания при точении заготовки с четырьмя продольными пазами (У=19,5 м/мин, 1=0.4 мм, 8=0.35 мм/об, с1заг=46 мм); б) Колебания силы резания при точении цилиндрической заготовки, обусловленные неравномерностью припуска (У=54,9 м/мин, 1=0.5 мм, 5=0.4 мм/об, с!заг=33 мм)

НС а)

;йае -а-х- -йш * *<;»- ьж

(Начало работы профаммы

Инициализация платы сбора данных

т

Рис. 6. Схема алгоритма решения задачи.

4. Компьютерная система исследования вибрационных характеристик станков

Виброустойчивость является одним из основных показателей механической системы станка, определяющим рабочую зону, в которой обеспечивается его работоспособность при заданном качестве получаемых изделий. Виброустойчивость механической системы определяет точность металлорежущих станков.

В настоящее время большинство закономерностей процессов резания являются эмпирическими, построенными на основе экспериментальных данных. Для построения системы управления качественными показателями получаемых изделий необходимо провести исследование закономерностей процесса резания, упругой системы станка как объекта управления показателями обработанных изделий, исследовать статистические характеристики возмущающих воздействий, построить математические модели объекта управления по управляющим воздействиям. Ввиду многомерности и стохастичности процесса реза-

153

ния для этого требуются большие объемы выборки экспериментальных данных, и для их получения необходимо иметь автоматизированные системы как непосредственно для проведения экспериментов, так и для их обработки.

Отечественная и зарубежная промышленность предлагают ряд систем для исследования упругих характеристик механических систем и исследования качественных показателей поверхности механических изделий. Однако большая стоимость, избыточная функциональность и невозможность использования в системах управления делают невыгодным их применение.

Поэтому актуальна разработка простой и недорогой компьютерной системы, позволяющей в автоматизированном режиме исследовать характеристики жесткости и виброустойчивости станка, которую после незначительной переделки можно использовать непосредственно в составе системы управления качественными показателями обработки на металлорежущих станках.

В процессе точения в технологической системе наблюдаются колебания суппорта, шпинделя, заготовки и резца в диапазоне до 6 кГц. Поэтому главным требованием к системе исследования вибрационных характеристик станков является возможность обработки сигналов данного диапазона частот.

На рис.1 показана структурная схема предлагаемой системы исследования вибрационных характеристик узлов станка. Система позволяет получать частотные характеристики узлов станка, на основе которых производится расчет упруго-диссипативных характеристик механической системы и построение его модели как элемента упругой системы станка. Для снятия характеристик механической системы к ней прикладывается фиксируемое силовое импульсное воздействие. Измеренные входное воздействие и реакция системы усиливаются и через плату сбора информации поступают на персональный компьютер для дальнейшей обработки. Структурная схема измерительной системы представлена на рисунке 2.

В состав аппаратной части измерительной системы входят:

1) Импульсный молоток AU02 предназначен для создания измеряемой импульсной силовой нагрузки на элементы станка. Применяется при динамических испытания механических систем и конструкций с целью определения их частотных характеристик, измерения подвижности и механических импедан-сов. В данной системе используется датчик силы АС21.

2) Вибропреобразователъ. Отклик упругой системы станка от действия силы может быть оценён по: перемещению, скорости или ускорению. Выбор физической величины определяет тип используемого датчика. В качестве датчика выбран акселерометр АР2037-100 с закреплением на объект с помощью магнита с изолирующей шпилькой. Такое свободное крепление позволяет легко менять точку отклика при исследовании упругой системы станка. Кроме того датчик имеет встроенный предусилитель, что обеспечивает его высокий осевой коэффициент чувствительности при малых габаритах.

А. мкм

Импульсный молоток Учел

станка

Д1

UI.MB

иЗ.мВ

Д2

«г.мв

Д1. Д2 Акселерометры (датчики) 1 и 2, устанавливаемые на узел станка. У1, У2, УЗ - усилители сигнала, ПП - переходная коробка, содержащая три канала усиления.

АЦП - аналогово-цнфровой преобразователь, ПК - персональный компьютер

VI

у j

ПП

UI.B

U2, В

113. В

АЦП ЛА 2 US В

Л

ПК

Рис. 1. Структурная схема системы исследования вибрационных характеристик станков

Рис. 2. Методика снятия частотных характеристик с помощью импульсного воздействия.

3) Согласующий модуль AG01-3 обеспечивает подачу питания на преду-силители вибропреобразователей и разделение постоянной составляющей источника питания и переменной составляющей измеряемого сигнала вибропреобразователей.

4) Устройство сбора данных JIA2USBA2 производства фирмы ЗАО «Руднев-Шиляев» используется для сбора информации от датчиков и передачи их на компьютер. Тип платы выбран из условий обеспечения требований к метрологическим характеристикам системы. Плата имеет рабочий частотный диапазон 0-15 кГц .

Для получения частотных характеристик исследуемой системы используется спектральный анализ. Программное обеспечение системы разработано как Windows приложение. Лицевая панель анализатора разбита на два сектора: 1 -вкладки настроек и управления экспериментом, 2 - визуализация результатов эксперимента (рис. 3).

Сброс выборок

Датчики

Временная обл Управление при измерениях

Усиление канала А . ад Усиление канала В ^

Канал А В Перегрузка Недогрузка

Величина канала В

Ускорение, мм/с*? т~ |

Кол-во выборок 10

йв а,эззЕ-б

Сохранить временные хар-ки

Сохранить частотные хар-хи

Частотная область 3

*1 0.0004-' 135

!х1 0.000421 '135

Частотная область!

Частотная область 2

Врем», с

Время, с

0.01 Ф К 6-

а»! о

Рис. 3 Лицевая панель программного анализатора спектра На вкладке настроек задаются параметры платы сбора, пороговые значения и коэффициенты усиления сигнала по каждому каналу, величина канала отклика, дискретность сбора данных, а также отображаются перегрузки или недогрузки по каждому каналу. Программа позволяет сохранять полученные экспериментальные данные в файл для последующей обработки.

На рис. 4-8 представлен внешний вид окон программной части системы, на которых представлены временные графики входного и выходного сигналов (рис. 4, 5), функция когерентности (рис. 6), оценки спектральных плотностей входного и выходного сигналов (рис. 7), график амплитудо-частотной характеристики исследуемой системы (рис. 8).

Рис. 4. Внешний вид окна с импульсом силы

§ sooooo-g- sooooo

% -200008 с

t -500000-,

^ O 0.001 0,002 0.003 0,004 O 005

Время с

Иазда j 0 00042Í 135

Рис. 5. Внешний вид окна с реакции упругой системы станка на

импульс

силы

0,4 -0,4 02

00 1000 2000 3000

¡EH-ÍBíMD, i

5000 6000 7000 8000 3000 10000 UOOO 12000 13000 14000 15000

*'Гц ,5 о d» 4» SSi©-

Рис. 6. Внешний вид окна функции когерентности

Рис. 7 Внешний вид окна с взаимным расположением спектральных плотностей силы и реакции упругой системы станка

Рис. 8. Внешний вид окна амплитудно-частотной характеристикой (жёсткости упругой системы станка)

В качестве примера использования данной системы на рис. 9 приведены графики оценок функции когерентности и амплитудо-частотной характеристики упругой системы резца, построенные по данным десяти экспериментов на станке 1К62. Функция когерентности показывает наличие линейной зависимости между входными и выходными сигналами в диапазоне частот от 0,5 до 4000 Гц.

Частота 5ех

АЧХ

Оункция когерентности Re

0 16.496

1 IS.334

54.142 69.S17