Діагностіка процесу чистового шліфування по динаміці зміни вихідних змінних

Размещено на http://www.allbest.ru/

СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Діагностика процесу чистового шліфування по динаміці зміни вихідних змінних

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Ягьяєв Ельмар Енверович

Севастополь - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Новосьолов Юрій Костянтинович,

Севастопольський національний технічний університет, професор кафедри технології машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Калафатова Людмила Павлівна, Донецький національний технічний університет, професор кафедри металорізальних верстатів;

кандидат технічних наук, Головін Василь Ігорович, Севастопольський національний технічний університет, старший викладач кафедри автоматизації технологічних процесів та виробництв.

Захист відбудеться «22» жовтня 2010 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К50.052.01 у Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 33, СевНТУ, малий конференц-зал "FESTO".

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського національного технічного університету: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська 31.

Автореферат розісланий “20” вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К50.052.01, канд.техн.наук, доцент О.О. Харченко

шліфування збурення струм комп'ютерний

АНОТАЦІЯ

Ягьяєв Е.Е. Діагностіка процесу чистового шліфування по динаміці зміни вихідних змінних. - Рукопіс.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Севастопольський національний технічний університет. - Севастополь, 2010.

Дисертація містить теоретичні і експериментальні дослідження, направлені на вирішення актуальної задачі підвищення ефективності технологічних операцій круглого зовнішнього шліфування за рахунок діагностики і управління процесом обробки на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи.

В роботі вивчені існуючі методи діагностики технологічних систем, процесів різання і операції круглого зовнішнього шліфування.

Виконана постановка завдання системи діагностики, проведена класифікація змін і збурень на основі аналізу і декомпозиції технологічної системи процесу шліфування.

Розроблений метод непрямої діагностики сил різання на основі комп'ютерного контролю величин ефективного струму в обмотках електродвигуна.

Розроблена структура і алгоритм системи діагностики дозволяють за динамікою зміни вихідних перемінних встановлювати взаємодію відхилень і дає рекомендації що до необхідності проведення заміни системи або корекції.

Ключові слова: автоматизоване устаткування, діагностика, якість обробки, чистове шліфування, технологічна система.

АННОТАЦИЯ

Ягьяев Э.Э. Диагностика процесса чистового шлифования по динамике изменения выходных переменных. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальность 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Севастопольский национальный технический университет. - Севастополь, 2010.

Диссертация содержит теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение актуальной задачи повышения эффективности технологических операций круглого наружного шлифования за счет диагностики и управления процессом обработки на основе анализа динамики изменения выходных переменных и параметров состояния технологической системы.

Анализ работ по теме диссертации показал, что возможности автоматизированного оборудования в современном производстве используются на 60..70% от теоретических.

Выполнена постановка задачи диагностики, проведена классификация изменений и возмущений на основе анализа и декомпозиции технологической системы процесса шлифования.

Установлено что, изменения каждого параметра технологической системы имеют свои частотные, скоростные и временные характеристики. Они не образуют непрерывного спектра и достаточно хорошо различимы при наличии контроля динамики выходных переменных операции шлифования.

Разработана комплексная динамическая модель, включающая модели подсистем и их взаимодействия. Модель отличаются от известных не только тем, что позволяет определять текущие параметры состояния всех подсистем и системы в целом, но и проследить динамику формирования новой поверхности.

Выполнен анализ влияния изменений в технологической системе на выходные переменные операции шлифования. Полученные численные данные позволяют рассчитать интервалы времени, через которые необходимо учитывать те или иные изменения.

Разработан метод косвенной диагностики сил резания на основе компьютерного контроля величин эффективного тока в обмотках электродвигателя, применение которого, в режиме реального времени, позволяет осуществлять контроль силы резания P_z, и корректировать работу оборудования при изменениях параметров состояния технологической системы.

Выполненный анализ экспериментальных и расчетных данных указывает на достаточно полное отражение моделью процессов, протекающих в технологической системе операций шлифования, на ее адекватность реальным процессам обработки и возможность применения модели для решения задач диагностики при обработке деталей на автоматизированном оборудовании.

Разработан алгоритм функционирования системы диагностики, решена задача выявления отклонений параметров технологической системы Z по динамике изменения выходных переменных Y. Разработанная система диагностики позволяет по динамике изменения выходных переменных устанавливать причины отклонений, принимать решения о необходимости проведения замены элементов системы и коррекции процесса обработки.

Ключевые слова: автоматизированное оборудование, диагностика, качество обработки, чистовое шлифование, технологическая система.

SUMMARY

Ягьяєв E.E.diagnostics of process of fair grinding on dynamics of change of target variables. - Manuscript.

Dissertation on competition of а scientific degree of candidate engineering sciences in speciality 05.03.01 - Processes of machining machine tools and tools. - Sevastopol national technical university. - Sevastopol 2010.

Dissertation contains theoretical and the experimental researches directed on the decision of an actual problem, increase efficiency of technological operations of round external grinding at the expense of diagnostics, and managements of process of processing on the basis of the analysis of dynamics of change of target variables and parametres of а condition of technological system.

Analysis of works on а dissertation theme has shown, that at designing of systems of diagnostics for the automated equipment in а basis techniques of construction of operations and the management methods inherent in usual manufactures, without their essential processing undertake. In work existing methods of diagnostics of technological systems, processes of cutting and operation of round external grinding are studied.

Statement problem of system diagnostics is carried out, classification of changes and indignations, on the basis of the analysis and decomposition technological system process of grinding is spent.

Keywords: automated equipment, diagnostics, quality processing, fair grinding, technological system.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасне верстатне устаткування відкриває нові технологічні можливості для підвищення якості і продуктивності на фінішних операціях механічної обробки. Металообробні верстати і комплекси оснащуються високоефективними керованими приводами, спеціальними інформаційними системами і іншими функціональними пристроями з покрашеними технічними характеристиками. При цьому виникає ряд завдань, таких як аналіз зміни стану технологічного устаткування, контроль його функціонування, адаптація до зміни технологічного процесу і зовнішнього середовища, контроль параметрів, управління за динамічними параметрами, прогнозування, контроль якості, без вирішення яких ефективність застосування автоматизованих систем знижується. Вирішення перелічених завдань має особливе значення для операцій шліфування, при виконанні яких на якість і продуктивність впливають збурюючи дії і зміни параметрів технологічної системи. Особливу увагу необхідно приділити створенню і впровадженню сучасних систем діагностики.

Актуальність теми. Як правило, в автоматизованих системах використовуються існуючі принципи побудови технологічних процесів і управління устаткуванням без їх серйозного перегляду і розвитку. Технологічний процес розробляється один раз і залишається, незмінним на весь період випуску виробу, при цьому не враховуються зміни, що виникають в технологічній системі. В процесі експлуатації істотно змінюються точнісні і жорсткісні характеристики верстатів, від заміни до заміни фізичні і хімічні властивості мастильно-охолоджуючих технологічних засобів (МОТЗ), температура навколишнього середовища, діаметри шліфувальних кругів і стан їх робочих поверхонь. Кожна заготівка має свої індивідуальні особливості. Операція, настроюється на найгірший стан системи і середовища. Можливості верстата, МОТЗ, інструменту використовуються не повністю. Від операцій шліфування залежить якість і собівартість готової продукції.

Дослідження підвищення ефективності технологічних операцій за рахунок діагностики і управління процесом обробки на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи є актуальним завданням в теорії різання матеріалів. Теоретичні і експериментальні дослідження дають можливість підвищити продуктивність операцій шліфування в автоматизованому виробництві на 20..25% і стабілізувати якість продукції, що випускається.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційні дослідження виконувалися в рамках держбюджетної теми: фундаментальна науково-дослідна робота бюджетного фінансування «Основи створення систем управління процесами обробки матеріалів інструментами що обертаються», шифр 0109U001703 на 2009 - 2011 р. - «Фундаментальні дослідження у вищих навчальних закладах та наукових установах».

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в розробці методу діагностики процесу чистового шліфування на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи.

Для досягнення мети вирішені наступні завдання:

1. Виконаний аналіз існуючих методів діагностики технологічних систем і процесів різання.

2. Проведено системний аналіз і запропонована класифікація змін параметрів стану технологічної системи процесу чистового шліфування.

3. Встановлений зв'язок швидкостей зміни вихідних перемінних від змін параметрів стану технологічної системи.

4. Виконане математичне моделювання процесу круглого зовнішнього шліфування, що відображає закономірності зміни вихідних перемінних при зміні параметрів стану технологічної системи.

5. Розроблений алгоритм діагностики процесу чистового шліфування за динамікою зміни вихідних перемінних, що дозволяє встановлювати причину змін, швидкість зміни параметра стану системи і приймати рішення про необхідність проведення корекції в управлінні процесом обробки.

6. Розроблений метод непрямої діагностики сил різання на основі комп'ютерного контролю величин ефективного струму в обмотках електродвигуна.

7. Проведені експериментальні і промислові дослідження закономірностей зміни вихідних перемінних при зміні параметрів стану технологічної системи. Розроблені методи діагностики упроваджені у виробництво.

Об'єкт дослідження - процес круглого зовнішнього врізного шліфування на автоматизованому устаткуванні.

Предмет дослідження - процес діагностики параметрів стану технологічної системи.

Методи дослідження. В якості методів дослідження використовувалися методи системного аналізу, теорії випадкових процесів і математичної статистики. За основу досліджень були покладені загальні положення теорії різання металів і технічної діагностики, а також теорія автоматичного регулювання процесів шліфування, методи планування експериментів, аналізу і обробки результатів.

Для діагностики процесу шліфування на основі динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи використано сучасне автоматизоване устаткування і засоби контролю. Результати теоретичних досліджень підтверджені аналітичними розрахунками і експериментальними дослідженнями, а так само випробувані у виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів.

Обґрунтована необхідність створення для операцій шліфування на автоматизованому устаткуванні оперативної, працюючої в режимі реального часу, системи діагностики, яка б дозволяла не лише враховувати стан технологічної системи при проектуванні операції, але і коректувати роботу устаткування при виготовленні партії деталей, деталі і в процесі обробки однієї поверхні.

Вперше запропонований, логічно обґрунтований і експериментально перевірений новий метод діагностики операцій чистового шліфування на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи.

Виконаний аналіз і запропонована класифікація збурених дій, закономірних і випадкових змін параметрів стану технологічних систем на прикладі операції круглого зовнішнього врізного шліфування.

Запропонована динамічна модель операції шліфування, що встановлює зв'язок швидкості зміни вихідних перемінних із змінами параметрів стану технологічної системи.

Розроблена структура системи діагностики процесу круглого зовнішнього шліфування на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблена методика діагностики на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних операції шліфування, що дозволяє оцінювати поточний стан технологічної системи і приймати рішення по зміні режимів, корекції моделі і програми, що управляє.

Система діагностики при круглому зовнішньому шліфуванні на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи впроваджена на Сімферопольському заводі ВАТ «Завод Фіолент», яка дозволила підвищити продуктивність обробки в автоматизованому виробництві на 20..25% і стабілізувати якість деталей, що випускаються, за параметрами точності і шорсткості поверхні.

Розроблена система діагностики використовується в навчальному процесі Севастопольського національного технічного університету та Республіканського вищого навчального закладу «Кримський інженерно-педагогічний університет» (м. Сімферополь).

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи виконані автором самостійно. В працях, опублікованих у співавторстві, здобувачем проведений комплекс експериментальних та промислових досліджень, дана оцінка ефективності системи діагностики. Розроблена комплексна динамічна модель діагностики, що встановлює зв'язок зміни вихідних перемінних із зміною стану технологічної системи.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжнародних, регіональних і міжвузівських конференціях і семінарах: «Автоматизація: проблеми ідеї, рішення» (м. Севастополь, СевНТУ - 2007); Міжнародна науково-технічна конференція Кримського інженерно-педагогічного університету (м. Сімферополь, 2008, 2009, 2010); Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів і молодих учених «Прогресивні напрямки розвитку машино-приладобудівних галузей і транспорту» (м. Севастополь, СевНТУ - 2008, 2009, 2010); Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів і молодих учених « MicroCAD » (Україна, м. Харків, НТУ "ХПИ". - 2009); Міжнародна науково-технічна конференція «Стратегія якості в промисловості і освіті» (Болгарія. м. Варна, 2009); Міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні технології в газотурбобудуванні" (м. Алушта, 2009); «Теорія і практика удосконалення машин: проблеми і перспективи» (м. Херсон, 2009). Результати роботи обговорювалися на наукових семінарах Кримського інженерно-педагогічного університету в 2008, 2009, 2010 роках.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових робіт: 6 статей в збірках, рекомендованих ВАК України, 5 тез доповідей, 2 роботи опубліковано без співавторів, 2 - в іноземних виданнях.

Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, додатків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 167 сторінки, у тому числі: 147 сторінки основного тексту, 32 ілюстрації по тексту, 4 ілюстрації на 4 сторінках, 13 таблиць по тексту, 1 таблиця на 4 сторінки, 5 додатка на 7 сторінках, список з 146 використаних літературних джерел на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми, приведена коротка анотація роботи, виконаний аналіз напрямів підвищення ефективності діагностики операцій шліфування в автоматизованому виробництві.

У першому розділі розглянуті існуючі методи діагностики технологічних систем і процесів різання.

Сучасні методи діагностики базуються на дослідженнях теоретичних основ діагностики, теорії різання матеріалів, формоутворення поверхонь, проектування ріжучих інструментів і устаткування, які приведені в роботах: Біргера І.А., Верезуба В.М., Внукова Ю.М., Грабченко А.І., Деревянченко А.Г., Залоги В.А., Корчака С.Н., Кузнецова Ю.Н., Лінчевського П.А., Лоладзе Т.Н., Маслова Е.Н., Маталіна А.А., Матюхи П.Г., Пархоменко П.П., Подураєва В.Н., Равської Н.С., Семко М.Ф., Согомоняна Е.С., Узуняна М.Д., Усова А.В., Якубова Ф.Я. і багатьох інших.

Не дивлячись на значний обсяг відомих досліджень, можливості шліфувальних верстатів в автоматизованому виробництві використовуються не повністю. Це пов'язано з великим впливом на продуктивність і якість параметрів технологічної системи, що змінюються в процесі обробки. При установленні на верстат кожної нової заготівки система приймає новий початковий стан, що відмінний від попереднього. Для здобуття необхідної якості шліфування при високій продуктивності операцій необхідно або прагнути стабілізувати стан системи, або управляти процесом на основі діагностичної інформації, що враховує зміни, які відбуваються в технологічній системі. Перший підхід реалізується в роботах Харківського національного політехнічного університету при обробці матеріалів алмазним інструментом. З точки зору підвищення ефективності він є найбільш раціональним але, на жаль, не завжди реалізовується. Так при обробці абразивними інструментами неможливо безперервно правити круг, замінювати МОТЗ, неможливо повністю усунути вплив на процес змін параметрів технологічної системи.

При обробці заготовок на верстатах з ЧПК реалізація другого підходу вимагає оцінок зміни параметрів технологічної системи. Аналіз виконаних в галузі робіт по опису операцій шліфування показав, що найбільш придатними є теоретичні моделі, запропоновані Корольовим А.В., Новосьоловим Ю.К., Якимовим А.В., Корчаком С.Н., Петраковим Ю.В., Струтінським Н.І., Братаном С.М., які при відповідному доопрацюванні дозволяють не лише врахувати різноманіття чинників, що впливають на вихідні перемінні, але і прослідкувати динаміку зміни параметрів системи.

Аналіз опублікованих робіт за темою дисертації і узагальнення досвіду експлуатації автоматизованого устаткування дозволило зробити наступні висновки:

При проектуванні технологічних процесів для автоматизованого устаткування за основу беруться методики побудови операцій і режимів різання, які властиві звичайним виробництвам. Операція налаштовується на найгірший стан технологічної системи. В результаті можливості автоматизованого обладнання на операціях шліфування в сучасному виробництві використовуються лише на 60..70% від теоретичних.

Обробка заготовок на металоріжучих верстатах характеризується зміною взаємного розташування заготівки і інструменту, параметрів всієї технологічної системи: верстата, ріжучих властивостей інструменту, властивостей МОТЗ. Одні параметри технологічної системи змінюються повільно, зміна інших стає помітним не лише впродовж обробки партії заготовок, але і при обробці однієї поверхні. Найбільш чутливими до змін стану технологічної системи є операції шліфування.

Підвищення ефективності обробки заготовок на автоматизованому обладнанні можна забезпечити за рахунок створення більш оперативної, працюючої в режимі реального часу системи діагностики на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи.

У другому розділі «Класифікація змін в технологічній системі, завдання діагностики операції шліфування» виконана постановка завдання діагностики, проведена класифікація змін і збурень на основі декомпозиції і аналізу технологічної системи. Операція шліфування розглядається як динамічна система, що працює в циклічному режимі, для якої характерна наявність тісного зв'язку вихідних перемінних з параметрами стану системи у вигляді функції

, (1)

де - вектор вихідних змінних при j-м циклі у момент часу t; - вектор вхідних перемінних; - вектор параметрів стану технологічної системи при j-1 циклі; - відповідний вектор управляючих дій; ?(t) - вектор збурюючих дій.

Для аналізу швидкісних характеристик проведена класифікація змін. Оскільки при діагностиці на основі динаміки зміни вихідних перемінних можуть бути узяті залежності, що моделюють структуру, для проведення класифікації виконана декомпозиція операції шліфування (рис.1) на підсистеми верстата, пристосування, інструменту, заготівки, МОТЗ, зони контакту. Подібний варіант декомпозиції найбільш виправдав себе як при вивченні процесів різання, так і при оцінці впливу технологічних параметрів на вихідні перемінні операцій. Підсистема верстата доповнена підсистемою управління, підсистемою правки абразивного інструменту і вимірювальною підсистемою. Як критерії класифікації прийняті наступні характеристики змін: випадкові, закономірні, контрольовані, неконтрольовані.

Рис. 1. Декомпозиція операції шліфування, у вигляді причинно-наслідкової діаграми Ісикави. (Розшифровка позначень параметрів наводитися в роботі. Наприклад, В1 - розміри інструменту, С1 - поточні технічні дані верстата, К1 - координати положення відносно системи).

Розглянуті також особливості зміни параметрів стану і вихідних перемінних операції шліфування. Інтервали зміни часів переривання Т параметрів технологічної системи показані на рис. 2. Кожен з періодів переривання вищої тривалості (порядку) включає декілька інтервалів нижченаведеного порядку. Сукупність інтервалів утворюють ієрархічну структуру. Так, наприклад встановлено, що при обробці деталей типу валів на круглошліфувальному верстаті термін роботи верстата до технічного обслуговування Тст = 7,5*10⁶с., термін роботи інструменту до повного зносу Тін = 6,9*10⁴с., термін роботи інструменту між правками Тпр = 2,4*10²с., термін обробки однієї поверхні Тпов = 20с., термін оберту деталі Тобд = 0,25с., термін оберту круга Тобкр = 0,026с. Тривалість інтервалів непостійна і залежить не лише від конструктивних особливостей елементів системи і законів зміни впливів, що управляють, але і стану системи у момент часу t. Зміни параметрів підсистем приводить до змін вихідних перемінних y, наприклад, швидкості знімання матеріалу Дr, (рис. 2б) і шорсткості Ra (рис. 2в) на величину Дy.

При обробці матеріалів різанням після переривання виробляється часткове або повне відновлення параметрів системи або її підсистем (заміна заготівки, правка круга, заміна інструменту, пристрою). В результаті вихідні перемінні y (швидкість знімання матеріалу початку наступного циклу змінюються на величину Д(Дr_в), шорсткість матеріалу початку наступного циклу змінюються на величину ДRaв).

Узагальнення досвіду експлуатації шліфувальних верстатів і проведений аналіз дозволяє зробити висновок, що контроль вихідних перемінних в у момент часу t не дозволяє визначити параметри стану технологічної системи, в результаті зміни якого виникли відхилення вихідних перемінних. Така можливість з'являється при контролі швидкості зміни у(t), оскільки інтервали часів переривання Т для різних підсистем істотно розрізняються.

Моделювання простору станів операції шліфування.

Відомі моделі для: безперервної системи

(2)

(3)

дискретної системи

(4)

(5)

де z(t) - вектор параметрів стану технологічної системи; U(t) - вектор управляючих дій; A(t), B(t), D(t) - матриці відповідних коефіцієнтів, t - 1,2,..n.

Для оцінки параметрів стану технологічної системи на основі залежностей (2-5) можуть бути побудовані фільтри Калмана, а при значних похибках виміру вихідних перемінних і збуреннях фільтри - Калмана-Бьюси. Для завдання діагностики даної системи побудова таких фільтрів викликає серйозні труднощі, оскільки вектора управляючих дій в рівняннях (2) і (4) залежать від параметрів стану системи і на кожному етапі, наприклад при розрахунку граничного циклу, що забезпечує максимальну продуктивність процесу, визначаються методами оптимального управління. Крім того, велика частина залежностей, що моделюють процеси обробки, має нелінійний вигляд. При побудові фільтрів матриці А і В вважаються відомими, при діагностуванні вони, як правило, підлягають визначенню.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Особливості зміни параметрів стану та вихідних перемінних операції шліфування: а) інтервали часового переривання Т параметрів технологічної системи; б) зміна швидкості знімання матеріалу за час роботи інструменту за період стійкості між правками; в) зміна шорсткості за час роботи інструменту за період стійкості між правками

Залежності (2) і (4) не містять так само інформацію про відновлення системи. Для даного процесу з врахуванням можливості відновлення параметрів системи рівняння (4) і (5) запишемо у вигляді:

(6)

(7)

(8)

(9)

де A_ij - оператор, що враховує відновлення i - го параметра системи після виконання (j - 1) -го циклу (перед початком j -го циклу); A_zij - оператор, що визначає зміну параметра системи при роботі в j -му циклі; ф_цк - час виконання k - го циклу. Крім того система доповнюеться процедурою визначення приналежності швидкості зміни вихідних перемінних до інтервалу швидкостей , ),… ) того або іншого періоду переривання:

Розглядаючи отримані залежності (6)...(9), можна зробити висновок: якщо встановлений за співвідношеннями (9) параметр стану технологічної системи, який змінювався, то маючи дані за значенням вихідних перемінних у будь-який момент часу можна визначити і значення цього параметра.

Оператори відновлення і зміни параметрів стану ТС рівняння (6), можуть істотно залежати від номера виконуваного циклу. Так при шліфуванні правка круга (відновлення його робочої поверхні) може виконаються після обробки однієї, або партії деталей. Відновлення не завжди є повним. Наприклад, після обробки десяти деталей за рахунок правки стан ріжучого інтсрументу (число ріжучих країв, їх розподіл по глибині шару, виступ над рівнем в'язки) відновлюється, то радіус круга зменшується (на 1..2мм.). Внаслідок цього знижується швидкість різання на 0,2..0,5%. На перший погляд це є неістотним, але потрібно врахувати, що одним кругом до повного зносу обробляється 1000 - 3000 деталей і його радіус від правки до правки зменшується від 400 мм до 200 мм. Це призводить до зниження швидкості різання відповідно в 2 рази.

Таким чином, виконаний аналіз показує, зміни кожного параметра технологічної системи мають свої частотні, швидкісні і тимчасові характеристики. Вони не утворюють безперервного спектру і досить добре помітні за наявності контролю динаміки вихідних перемінних операції шліфування.

Маючи дані з динаміки зміни вихідних перемінних, завжди представляється можливим визначити вигляд збурення і зміни технологічної системи і ввести корекцію в управління процесом обробки, а також знайти інтервали часу, через які необхідно враховувати ті або інші зміни технологічної системи.

У третьому розділі «Математичні моделі операції шліфування» для вирішення завдання підвищення ефективності діагностики розроблена комплексна динамічна модель, що включає моделі підсистем і їх взаємодії. Основні залежності моделі приведені в таблиці.

Запропоновані моделі відрізняються від відомих не лише тим, що дозволяють аналітично визначати поточні параметри стану всіх підсистем і системи в цілому, але і прослідкувати динаміку формування нової поверхні.

Таблиця Основні залежності моделі круглого зовнішнього шліфування

Система	Параметр	Залежності моделі
Верстат, пристрій для правки	Точність	(10)
	Жорсткість	(11)
Пристрій	Точність	(12)
Зона контакту	Глибина різання	tфj = Rj(,x) + rj-1(,x) - Aнj - уупj - уj -(ук - уи)j (13) (14)
	Радіальне знімання матеріалу	(15)
	Сили різання	(16)
Абразивний інструмент	Форма ріжучих кромок	(17)
	Число ріжучих кромок	(18)
	Розміри і форма робочої поверхні	Ri(,x,z)=Ri-1(,x,z) - Ri(,x,z) (19) (20)
Заготівка	Ексцентриситет	i = rmax i - rmin i i-1 - (rmax i - rmin i) (21)
	Хвилястість	Wj = max(rвыс.j - rвп.j), до = 1, 2, 3, 4, 5. (22)

Позначення, що прийняті в моделі: - кут між рівнодійної сили і вектором швидкості різання, ₁ - кут зрушення, B_k - висота круга _s - середня дотична напруга, k_c, k_пр, k_п - коефіцієнти, що визначають долю допуску форми, T_с - період роботи верстата, T_п - пристрою, R_max - максимальна шорсткість поверхні, R_max - максимальна зміна шорсткості за термін роботи верстата, K_c - коефіцієнт стружкоутворення, n_з - число зерен на одиниці робочої поверхні інструменту _з - радіус закруглення при вершині зерна, h_з - знос вершини абразивного зерна, - середнє значення радіус-вектора у момент часу ; A_l і _l - амплітуда і фаза переважаючої гармоніки відхилень, S_l і _sl - швидкість і фаза зміни закономірній складовій, A_k і _k - амплітуда і фаза випадкових відхилень, S_k и _sk - швидкість і фаза зміни випадкових відхилень.

У четвертому розділі «Вплив змін параметрів технологічної системи, на вихідні перемінні операції шліфування» виконана оцінка впливу швидкісних і частотних характеристик змін параметрів технологічної системи, на вихідні перемінні операції шліфування.

Точність верстата, правлячого пристосування і пристосування для закріплення заготівки при шліфуванні з приладом активного контролю в основному впливають на відхилення форми обробленої поверхні.

Швидкість зміни _ф визначимо диференціюванням залежності (10)

(23)

Швидкість зміни відхилень форми, пов'язані із зносом пристрою для закріплення заготівки отримаємо із залежності (12).

(24)

Величина, яка зворотна жорсткості, - податливість (t) визначається залежністю (11).

Одним з критеріїв оцінки зміни жорсткості може бути відхилення інтенсивності знімання матеріалу на етапі виходжування.

Виразимо жорсткість технологічної системи через податливість:

(25)

Перша похідна радіального знімання матеріалу відповідно визначається

(26)

Абразивний інструмент є одним з найменш стійких елементів технологічної системи. З параметрів стану робочої поверхні абразивного інструменту найзначніше змінюються: геометрія ріжучих кромок, їх число на одиниці робочої поверхні інструменту, форма робочої поверхні.

Найбільший вплив відхилення форми інструменту роблять на хвилястість шліфувальної поверхні W.

(27)

Швидкість зміни W_max відповідно обчислюється

(28)

На основі запропонованих функціоналів виконаний аналіз впливу змін в технологічній системі на вихідні перемінні операції шліфування. Кожен з параметрів технологічної системи переважно впливає на один або декілька параметрів якості обробленої поверхні. Проте кожне з збурень має свій період, свої швидкісні і частотні характеристики.

Розглянуті чисельні дані дозволяють також розрахувати інтервали часу, через які необхідно враховувати ті або інші зміни технологічної системи. Для визначення таких інтервалів узятий критерій відхилення вихідних перемінних на 5% від поля їх допуску (довірча вірогідність 0,95). З приведених даних видно, що кожна з підсистем визначає свій інтервал терміну корекції циклу. Найменший інтервал мають параметри стану робочої поверхні інструменту 60 - 520 с., найбільший пов'язаний з експлуатацією устаткування - 7.5.10⁶ с.

Рис. 3. Схема експериментальної установки на базі круглошліфувального верстата Overbek R250: 1 - тензометрічни центра, 2 - оброблювана деталь, 3 - датчик вимірювання радіального знімання матеріалу, 4 - датчик вимірювання зносу шліфувального круга, 5 - шліфувальний круг, 6 - електродвигун приводу шліфувального круга, 7 - АЦП; 8 - комп'ютер.

У п'ятому розділі «Експериментальні дослідження системи діагностики операції шліфування» виконана оцінка адекватності моделей зіставленням розрахункових параметрів процесу з експериментальними, отриманими при проведенні дослідів на ВАТ «Завод «Фіолент». Дослідження процесу шліфування проводилися на круглошліфувальному верстаті Overbek R250 при обробці зразків із загартованої сталі 40Х (НRС 50…55). Зразки шліфували кругами з електрокорунду білого 24А твердістю СМ2 на керамічній в'язці. Схема експериментальної установки приведена на рис. 3. Шорсткість і хвилястість поверхні контролювалася після кожного досвіду на профілографі моделі TR 200.

Так само запропонований спосіб визначення сили різання Pz методом непрямої діагностики на основі комп'ютерного контролю величин ефективного струму в обмотках двигуна, який є функцією моменту електродвигуна, а значить при постійній частоті обертання і характеристиці силового навантаження, складових сил різання і крутильному моменту на шпинделі. Для реєстрації отриманих даних від АЦП на комп'ютер розроблена програма, яка дозволять отримувати дані, як в числовому, так і в графічному вигляді, що необхідно для подальшої обробки отриманих результатів.

Проведений кореляційний аналіз експериментальних значень сили різання P_z, отриманих методом непрямої діагностики, і значень, отриманих за допомогою тензометричних центрів (рис. 4). Коефіцієнт кореляційного відношення Пірсону склав r = 0,97.

Рис. 4. Експериментальні значення сили різання P_z і ефективного струму I в обмотках електродвигуна

Виконаний аналіз експериментальних і розрахункових даних показує (рис. 5) на досить повне віддзеркалення моделлю процесів, що протікають в технологічній системі операцій шліфування, її адекватності реальним процесам обробки, а так само можливості вживання моделі для вирішення завдань діагностики на автоматизованому устаткуванні.

Рис. 5. Зміна радіальної складової сили різання при шліфуванні зразків із загартованої сталі кругами 24А25НСМ2К

У шостому розділі «Структура системи діагностики» розроблений алгоритм роботи системи діагностики, вирішено завдання виявлення відхилень параметрів технологічної системи z за динамікою зміни вихідних перемінних y. Система діагностики включає наступні модулі: діагностики і виявлення відхилень вихідних перемінних, аналіз вихідних перемінних, виявлення причин відхилень по матриці відповідності, ухвалення рішення про необхідність проведення відповідної корекції, корекції параметрів циклу шліфування, математичної моделі, відновлення однієї з підсистем.

У модулі виявлення причин відхилень вихідних перемінних ставиться і вирішується завдання пошуку параметрів вектора відхилень z за відомим вектором y. Завдання вирішується на основі розв'язання залежності (9). Для цього використовується матриця відповідності. За швидкістю зміни вихідної перемінної обчислюється час прийняття рішення за часом і видом корекції.

Розглянемо елементарний приклад. При контролі геометрії шліфованих поверхонь деталей встановлено, що на протязі трьох місяців закономірно збільшується хвилястість оброблених поверхонь W. Режими різання, параметри інструменту і заготівки в даний проміжок часу не змінювалися. Зафіксовані наступні значення хвилястості: на початку першого місяця =10 мкм; другого місяця =12 мкм; третього =13 мкм. Визначимо швидкості зміни хвилястості

(29)

де Т_у - інтервал часу між вимірами хвилястості 5,76*10⁴ с.

м/с; м/с; м/с.

За співвідношенням (9) встановлюємо причину зміни хвилястості поверхонь. Такою причиною є зміна параметрів стану верстата, його жорсткості і вібростійкості. З метою прогнозування і прийняття рішення в рівнянні (2) замінимо Az(t) на і BU(t) при постійності U на C

(30)

За експериментальними даними методом найменших квадратів розрахуємо коефіцієнти рівняння (30):

С=0,95*10^-10.

За допустимим значенням хвилястості W_max (дані креслення деталі), вирішенням рівняння (30) при отриманих значеннях коефіцієнтів обчислюється час прийняття рішення. У даному прикладі може бути або скоректований цикл шліфування, або проведено технічне обслуговування верстата.

Експериментальна оцінка розробленої методики діагностики процесу шліфування з врахуванням зміни стану технологічної системи виконана на Сімферопольському заводі ВАТ «Завод «Фіолент» при попередньому і чистовому шліфуванні валів електроінструменту. Шліфування шийок валу проводили на круглошліфувальному верстаті Overbek R250, який укомплектований приладом активного контролю. Матеріал валу - 40Х, НRС 50...55. Деталі після операції шліфування, мають розміри 25_-0.027 мм, шорсткість поверхні заготівки Ra = 0,63 мкм. Обробка заготовок ведеться з використанням чотириступінчастого циклу: швидке підведення (форсована подача); чорнове шліфування; чистове шліфування; виходжування.

При шліфуванні деталей з корекцією параметрів циклу за результатами діагностики (по шорсткості поверхні, допуску на виготовлення, биттю відносно осі) відзначається підвищення стабільності вихідних перемінних операції шліфування. В порівнянні з обробкою без системи діагностики дисперсія за розміром поверхонь зменшується в 1,3 рази, за шорсткістю поверхні - в 1,25 рази, за биттям відносно осі - в 1,2 рази. Час обробки деталей значимо знижується для 1-єї заготівки в 1,42 рази, для другої - в 1,38 рази. В середньому продуктивність операцій підвищується при шліфуванні шийок валу - на 20% - 25%.

Економічний ефект від впровадження склав 35000 гривень на один станок в рік.

ВИСНОВКИ

Проведений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень дозволив встановити, що у більшості випадків діагностика процесу шліфування ведеться за значеннями вихідних перемінних, без врахування динаміки процесу і змін, що відбуваються в технологічній системі, що не дозволяє гарантовано отримувати необхідну якість і максимальну продуктивність на операціях шліфування.

Виконана класифікація змін і збурень параметрів технологічної системи на основі декомпозиції операції шліфування. Визначені параметри технологічної системи з найбільшим впливом на вихідні перемінні. Виявлено, що зміни параметрів технологічної системи переважно впливають на одну або декілька вихідних перемінних параметрів якості обробленої поверхні.

Встановлено, що зміна кожного параметра технологічної системи має частотні, швидкісні та тимчасові характеристики. Вони не утворюють безперервного спектру і досить добре помітні за наявності інформації про динаміку зміни вихідних перемінних. Маючи такі дані завжди представляється можливим визначити параметр, який змінився та ввести корекцію в управління процесом обробки, а також розрахувати інтервали часу через, які необхідно враховувати ті чи інші зміни.

У роботі доповнена і отримала подальший розвиток комплексна динамічна модель операцій шліфування, що дозволяє визначити вигляд зміни і збурення параметрів технологічної системи за динамікою зміни вихідних перемінних при будь-яких варіантах зміни управління.

Вперше запропонований метод діагностики операцій шліфування на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи, що працює в режимі реального часу, дозволяє коректувати роботу автоматизованого обладнання.

Розроблений метод непрямої діагностики сил різання на основі комп'ютерного контролю величин ефективного струму в обмотках електродвигуна, використання якого в режимі реального часу при круглому зовнішньому шліфуванні дозволяє діагностувати силу різання P_z, крутильний момент, а також радіальну силу шліфування.

Розроблена структура і алгоритм системи діагностики дозволяють за динамікою зміни вихідних перемінних встановлювати причини відхилень, і дає рекомендації про необхідність проведення заміни елемента системи або корекції.

Експериментальна оцінка системи діагностики на основі аналізу динаміки зміни вихідних перемінних і параметрів стану технологічної системи проведена у виробничих умовах ВАТ «Завод«Фіолент». Підтверджена підвищенням продуктивності операцій шліфування в середньому на 20 - 25%. відзначається підвищення стабільності деталей, що випускаються, за параметрами точності і шорсткості поверхні. Економічний ефект від впровадження склав 35000 гривень на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Ягьяев Э.Э. Диагностика и прогнозирование технического состояния устройств автоматического управления / Э.Э. Ягьяев, Ю.К. Новоселов, Л.Б. Шрон // Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы международной научно-технической конференции. - Севастополь, 2007. - С. 155 - 156

Новоселов Ю.К. Диагностика операций чистового шлифования / Ю.К. Новоселов, Э.Э. Ягьяев //Вестник СевНТУ. Оптимизация производственных процессов: сб. науч. тр. - Севастополь, 2007. - Вып. 10 - С. 52 - 56.

Ягьяев Э.Э. Влияние параметров технологической системы на выходные переменные операции шлифования. / Э.Э. Ягьяев, Л.Б. Шрон, В.Б. Богуцкий //Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта. Материалы международной научно-технической конференции. - Севастополь, 2008. - С. 104 - 106.

Новоселов Ю.К. Нейросетевая информационная модель диагностики чистового шлифования / Ю.К. Новоселов, Э.Э. Ягьяев // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета: сб. науч. тр. - Симферополь, 2008. - Вып. 11 - С. 65 - 68.

Ягьяев Э.Э. Новые подходы разработки математических моделей процесса круглого наружного шлифования / Э.Э. Ягьяев, Ю.К. Новоселов, Л.Б. Шрон // Материалы международной научно-технической конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании». - Варна, 2008. С. 429 - 433.

Новоселов Ю.К. Влияние изменений параметров состояния диагностируемой технологической системы на выходные переменные операции чистового шлифования. / Ю.К. Новоселов, Э.Э. Ягьяев // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета: сб. науч. тр. - Симферополь, 2008. - Вып. 16 С. 14 - 22.

Ягьяев Э.Э. Применение косвенного метода диагностики сил резания при круглом наружном шлифовании. / Э.Э. Ягьяев, Ю.К. Новоселов, Л.Б. Шрон // Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта. Материалы международной научно-технической конференции. - Севастополь, 2009. - С.168 - 170.

Ягьяев Э.Э. Повышение точности чистового шлифования на основе диагностики и управления состояния технической системы / Э.Э. Ягьяев, Ю.К. Новоселов, Л.Б. Шрон // Материалы международной научно-технической конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании». - Варна, 2009. - Том 1 С. 317 - 319.

Ягьяев Э.Э. Разработка моделей диагностики и прогнозирования процесса чистового шлифования. / Э.Э. Ягьяев //Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. Технические науки. - Симферополь, 2009. - Выпуск 18 С. 32 - 37.

Ягьяев Э.Э. Формирование качества обработанной поверхности на основе диагностики изменения выходных параметров при круглом наружном шлифовании./ Э.Э. Ягьяев // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета.Технические науки. - Симферополь, 2009 - Выпуск 20 С. 70 - 75.

Новоселов Ю.К. Диагностика операций чистового шлифования по динамике изменения выходных переменных и параметров состояния технологической системы/ Ю.К. Новоселов, Э.Э. Ягьяев, Н.Р. Кириенко // Вестник СевНТУ: сб. науч. тр. - Севастополь, 2010. - Вып. 107 - С. 170 - 173.

Размещено на Allbest.ru