Разработка и создание самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машин

Данный датчик предназначен для измерения линейных перемещений в диапазоне ± 1 мм с точностью измерения 0,2 мкм.

Экспериментально подтверждена возможность использования ЛОД optoNCDT 1700-2 для измерения высотного параметра шероховатости Ra. Для этого был разработан программный модуль, входящий в состав базового ПО. Программный модуль позволяет рассчитывать параметр шероховатости Ra и сохранять координаты точек профиля в отдельный файл для дальнейшего анализа и построения профилограмм.

Защита датчика optoNCDT 1700-2 от действия стружки и других внешних факторов, присутствующих при механической обработке, осуществляется защитным кожухом.

Таким образом, разработанная и созданная СТСАУ на базе УЧПУ типа NC200 для модернизированного токарного станка модели 16Б16Ф3 имеет вид представленный на рис. 15.

Рис. 15. Общий вид созданной СТСАУ: 1 - УЧПУ NC200; 2 - ПЭВМ; 3 - технологическая система; 4 - датчик optoNCDT 1700-2; 5 - КС.

Пятая глава посвящена технологическим исследованиям с разработанной и созданной СТСАУ.

При самообучении ТС обеспечению заданных ПКПС использовались образцы из стали 45 (HB_исх = 190), 20 Г (HB_исх = 280), токарные резцы со сменными пластинами и напайными пластинами из материала Т15К6, Т5К10, с различной геометрией режущей части. Во время самообучения ТС образец разбивается на участки длиной по 10 мм.

Разбивка на участки осуществляется в управляющей программе (УП) для УЧПУ.

В режиме «Обучение» после ввода исходных данных базовое ПО автоматически составляет УП для УЧПУ для механической обработки образца. Каждый из участков образца обрабатывается в соответствии с планом эксперимента 2², каждый опыт выполняется с тремя повторениями.

Во время самообучения ТС определяются величина обеспечиваемого ПКПС обработанной поверхности, а также выходные параметры процесса резания главную составляющую силы резания Pz и температуру в зоне резания.

После завершения самообучения базовое ПО рассчитывает параметры математической модели и сохраняет их в базе данных системы (табл. 3).

При самообучении технологической системы параметр шероховатости Ra обработанной поверхности определялся непосредственно на станке, величина поверхностной микротвердости определялась через силу резания.

Величина касательных поверхностных остаточных напряжений при самообучении определялась расчетным способом на основании измеренных во время обработки температуры и главной составляющей силы резания Pz.

После самообучения были получены математические модели, связывающие поверхностные остаточные напряжения с режимами обработки (табл. 3). Комплексный параметр Сх при самообучении определяется расчетным методом (табл. 1).

После самообучения были получены математические модели, связывающие параметр Сх с режимами обработки (табл. 3).

Анализ результатов (табл. 3 и рис. 18) показывает, что при изменении исходных данных геометрии инструмента и материала заготовки необходимо заново производить самообучение технологической системы, для определения параметров математической модели.

Таблица 3 - Результаты самообучения ТС с использованием СТСАУ

Результаты (табл. 4), полученные при работе СТСАУ в режиме адаптивного управления при обеспечении заданного значения параметра шероховатости Ra с использованием полученных математических моделей (модель № 2), подтверждают работоспособность СТСАУ.

Рис. 18. Зависимости параметра шероховатости Ra от условий обработки: 1 - модель № 1, 2 - модель № 2, 3 - модель № 3.

Таблица 4 - Результаты работы СТСАУ в режиме адаптивного управления

Для одновременного обеспечения параметров шероховатости Ra, поверхностной микротвердости и поверхностных остаточных напряжений используется комплексный параметр качества поверхности Сх (табл. 1).

Результаты выполненных исследований в виде методических материалов, технических отчетов, информационного и программного обеспечения были использованы при выполнении хоздоговорных работ в ОАО «Брянский Арсенал» и Брянском политехническом колледже им. Н.А. Кубяка при модернизации систем управления металлорежущих станков.

Созданная самообучающаяся технологическая система с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машин используется в учебном процессе при чтении курсов «Диагностика и надежность автоматизированных систем», «Идентификация и диагностика систем», «Программирование автоматизированных систем», «Автоматизация технологических процессов и производств» в ГОУ ВПО БГТУ для студентов специальностей 220201 и 220301 и при выполнении НИР.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Решена научная проблема технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя деталей машин при наличии начальной неопределенности за счет разработанной и созданной самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машин.

2. Установлено, что наибольшее влияние при обеспечении заданных параметров шероховатости и поверхностных остаточных напряжений оказывают подача и скорость резания, причем подача в большей степени (рис. 1,а, рис. 1,б, рис. 2,б).

Поэтому при обеспечении данных параметров управление вначале осуществляется за счет изменения величины подачи, а затем за счет скорости резания. При обеспечении заданной величины поверхностной микротвердости наибольшее влияние оказывают глубина резания, скорость резания и подача (рис. 2,а).

Причем глубина резания в некоторых случаях оказывает наибольшее влияние, чем скорость резания и подача.

Однако при чистовой обработке глубину резания, как правило, редко используют в качестве управляющего воздействия, так как это может потребовать дополнительного прохода для удаления оставшегося припуска для обеспечения заданной точности размера.

Поэтому глубину резания как управляющее воздействие следует рассматривать на получистовых операциях. При обеспечении заданной величины поверхностной микротвердости при чистовой обработке управление вначале осуществляется за счет изменения скорости резания, а затем за счет величины подачи.

3. Впервые установлена возможность технологического управления комплексным параметром качества поверхностного слоя деталей машин - Сх.

4. Впервые получены законы управления технологической системой при обеспечении заданных параметров качества поверхностного слоя и комплексного параметра качества поверхностного слоя Сх в режиме адаптивного управления при механической обработке.

5. На основе анализа информационных потоков, циркулирующих в СТСАУ во время работы, разработаны алгоритмы работы для базового ПО и ПО аппаратной части и реализованные в виде соответствующего программного обеспечения СТСАУ.

6. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что лазерный оптический датчик, с диаметром светового пятна 35 - 80 мкм, может быть использован для измерения высотных параметров шероховатости.

7. Разработана база данных по технологическим режимам механической обработки деталей машин при обеспечении ПКПС. Полученные во время самообучения параметры математических моделей запоминаются в базе данных СТСАУ и используются при адаптивном управлении ПКПС и комплексным параметром Сх, а также могут быть использованы вне системы для определения режимов резания при обеспечении заданных ПКПС и комплексного параметра Сх для соответствующих условий обработки.

8. На основе разработанной методологии проектирования СТСАУ параметрами качества поверхностного слоя деталей машин автором реализована СТСАУ на базе модернизированного токарного станка с ЧПУ.

9. Проведенные технологические исследования с использованием разработанной и созданной СТСАУ показали, что в результате самообучения технологической системы ПКПС для каждых из условий самообучения системой в автоматическом режиме были получены адекватные математические модели.

10. Созданная самообучающаяся технологическая система с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машин используется в ГОУ ВПО БГТУ в учебном процессе и при выполнении НИР.

Реализованные в работе технические решения защищены 2 патентами РФ на полезную модель, а на разработанное программное обеспечение СТСАУ получены 2 свидетельства о регистрации электронного ресурса.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Суслов, А.Г. Инженерия поверхности детали при изготовлении / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // Инженерия поверхности деталей / колл. авт.; под. ред. Суслова А.Г. - М.: Машиностроение, 2008. - С. 170 - 193.

Патенты на полезную модель и свидетельства о регистрации электронного ресурса

1. Патент РФ на полезную модель № 2009149563/22(073206) МПК B23Q15/007 (2006.01) Самообучающаяся технологическая система обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин.

2. Патент РФ на полезную модель № 2009149561/22 (073204) МПК B23Q15/007 (2006.01) Контроллер сопряжения ПЭВМ с УЧПУ класса PCNC / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин.

3. САТС - самообучающаяся адаптивная технологическая система: свидетельство о регистрации электронного ресурса № 15548 дата регистрации 30.03.2010/ Инв.номер ВНТИЦ № 50201000547 / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, А.Г. Суслов // зарегистрирован в институте научной информации и мониторинга Российской академии образования: Москва, ИНИМ РАО, 2010 - 310 кбайт.

4. Программа логики станка токарно-револьверного с вертикальной головкой на крестовом суппорте повышенной точности 1В340Ф30: свидетельство о регистрации электронного ресурса № 15576 дата регистрации 06.04.2010/ Инв.номер ВНТИЦ № 50201000642 / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // зарегистрирован в институте научной информации и мониторинга Российской академии образования: Москва, ИНИМ РАО, 2010 - 10 кбайт.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ

1. Суслов, А.Г. Влияние состояния металлорежущих станков на качество обрабатываемых поверхностей и система адаптивного управления / А.Г. Суслов, В.В. Агафонов, А.И. Демиденко, Д.И. Петрешин // Обработка металлов. - 2001. - № 1. - С. 26-31.

2. Лексиков, В.П. Модернизация токарного станка 16Б16Ф3 / В.П. Лексиков, Д.И. Петрешин, Т.И. Портянкина, В.Ю. Саяпин // Обработка металлов. - 2003. - № 3. - С. 17-19.

3. Суслов, А.Г. Самообучающиеся автоматизированные технологические системы, обеспечивающие требуемое качество обрабатываемых поверхностей деталей / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин, Д.Н. Финатов // Справочник. Инженерный Журнал. - 2004. - № 1. - С. 14-17.

4. Агафонов, В.В. Роль оборудования в обеспечении качества изготовления деталей / В.В. Агафонов, Д.Н. Финатов, Д.И. Петрешин // Вестник БГТУ. - 2004. - № 1. - С. 50-58.

5. Петрешин, Д.И. Алгоритмическое обеспечение самообучающейся адаптивной технологической системы / Д.И. Петрешин // Обработка металлов. - 2006. - № 1. - С. 12-15.

6. Суслов, А.Г. Обеспечение качества обработанных поверхностей с использованием самообучающейся технологической системы / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // СТИН. - 2006. - № 1. - С. 21-24.

7. Петрешин, Д.И. Обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей при точении самообучающейся технологической системой / Д.И. Петрешин // Вестник БГТУ. - 2006. - № 2. - С. 140-144.

8. Суслов, А.Г. Адаптивные и самообучающиеся технологические системы в инженерии поверхности / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // Справочник. Инженерный журнал. - 2007. - № 3. - С. 22-24.

9. Петрешин, Д.И. Применение лазерного оптического датчика для измерения высотных параметров шероховатости поверхности деталей машин в самообучающейся адаптивной технологической системе / Д.И. Петрешин // Контроль. Диагностика. - 2009. - № 11. - С. 53 - 57.

10. Петрешин, Д.И. Структура программного обеспечения самообучающейся адаптивной технологической системы / Д.И. Петрешин // Вестник БГТУ. - 2009. -№ 4. - С. 95-99.

11. Федонин, О.Н. Модернизация металлообрабатывающих станков, применяемых в условиях автоматизированного производства / О.Н. Федонин, Д.И. Петрешин, В.А. Хандожко, А.В. Агеенко // Вестник БГТУ № 3 2009. с. 57-59.

12. Суслов, А.Г. Определение закона управления для адаптивной технологической системы при обеспечении заданных параметров качества поверхностного слоя деталей машин при механической обработке / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // СТИН. - 2010. - №1. - С. 30-36.

13. Петрешин, Д.И. Разработка контроллера сопряжения ПЭВМ-УЧПУ для самообучающейся технологической системы / Д.И. Петрешин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. № 1 / 279 (592) - С. 63 - 66.

Публикации в других научных журналах, материалах международных научных конференций и сборниках научных трудов

1. Петрешин, Д.И. Возможности оснащения токарных станков с ЧПУ адаптивными системами управления / Д.И. Петрешин // Инструмент Сибири. - 2000. - № 3. - С. 26-27.

2. Петрешин, Д.И. Управление качеством поверхности при точении путем автоматического регулирования / Д.И. Петрешин // тезисы докладов. Барнаул, 2001.-С. 30-31.

3. Суслов, А.Г. Самообучающаяся система обеспечения и адаптивного управления шероховатостью при механической обработке / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин, С.А. Кривенок // Практика и перспективы развития институционного партнерств: материалы 3-го Междунар. науч.-практ. семинара. - Таганрог, 2002. - в 2-х кн., кн. 2. - С. 136-139.

4. Суслов, А.Г. Самообучающаяся технологическая система управления качеством обработанной поверхности / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. Технология - 2003: материалы Междунар. науч.-техн. конф. (г. Орел, 25-27 сент. 2003 г.) / под ред. В.А. Голенкова, Ю.С. Степанова. - Орел, 2003. - С. 76-80.

5. Суслов, А.Г. Автоматизированное измерение параметров шероховатости в статике и динамике / А.Г. Суслов, А.В. Хандожко, Д.И. Петрешин // Качество Машин: сб. тр. 4-й Междунар. конф. (г. Брянск, 10-11 Мая 2001 г.) / под общ. ред. А.Г. Суслова. - Брянск, 2001. - т. 1. - С. 155-156.

6. Суслов, А.Г. Автоматизированные системы научных исследований в технологии машиностроения / А.Г. Суслов, Д.Н. Финатов, Д.И. Петрешин, А.Е. Захаров, // Технологические системы в машиностроении: тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Тула, 2002. - С. 67-72.

7. Петрешин, Д.И. Система адаптивного управления процессом резания по параметру шероховатости обработанной поверхности / Д.И. Петрешин // Машиностроение и техносфера 21 Века: сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф.,(г. Севастополь, 9-15 сент. 2002 г.). - Донецк, 2002. - в 3 т., т. 2. - С. 234-236.

8. Суслов, А.Г. Технологическое управление качеством поверхности деталей машин/ А.Г. Суслов, А.О. Горленко, Д.И. Петрешин, С.Ю. Съянов // Влияние механической обработки инструментами из сверхтвердых материалов на качество поверхности деталей машин: сб. науч. тр. - Киев, 2003. - С. 20-27.

9. Суслов, А.Г. Самообучающаяся система управления параметрами качества обработанной поверхности деталей / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин, С.А. Кривенок // Проблемы машиностроения и технология материалов на рубеже веков: сб. ст. 8-Й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2003. - ч. 1. - С. 170-172.

10. Петрешин, Д.И. Алгоритмическое обеспечение самообучающейся адаптивной технологической системы управления параметрами качества обработанной поверхности при механической обработке / Д.И. Петрешин, Г.В. Горячев // Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла: материалы 5-й Междунар. науч.-техн. конф. (г. Брянск, 19-21 окт. 2005 г.); под ред. А. Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2005. - С. 215-216.

11. Суслов, А.Г. Самообучающаяся технологическая система / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин // Образование через науку: тез. докл. Междунар. конф. / МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М., 2005. - С. 165.

12. Агафонов, В.В. Адаптивное управление обработкой на станках с учетом жесткости оборудования / В.В. Агафонов, Д.Н. Финатов, Д.И. Петрешин // Машиностроение: респ. межвед. сб. науч. тр. - Минск, 2004. - Вып. 20, т. 2. - С. 89-94.

13. Петрешин, Д.И. Применение лазерного оптического датчика NCDT 1700-2 для измерения высотных параметров шероховатости поверхности деталей машин // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности : материалы 6-й Междунар. науч.-техн. конф., (г. Брянск, 22-23 мая 2008 г.); под ред. А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2008. - С. 483-484.

14. Петрешин, Д.И. Сопряжение СЧПУ NC200 и ПЭВМ для построения самообучающейся адаптивной системы / Д.И. Петрешин // тезисы докладов 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава / БГТУ; под ред. С.П. Сазонова, И.В. Говорова. - Брянск, 2005. - Ч. 1.-С. 76-77.

15. Петрешин, Д.И. Модуль сопряжения системы ЧПУ и ПЭВМ для построения самообучающейся технологической системы / Д.И. Петрешин // Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Уфа: РИО БашГУ, 2004. - С. 165 - 168.

16. Петрешин, Д.И. Разработка самообучающейся технологической системы обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя / Д.И. Петрешин // Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении: сб. тр. Междудар. науч.-техн. конф. (1-3 июня 2009 года, г. Ростов-на-Дону). - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. - С. 244-250.

17. Петрешин, Д.И. Использование лазерного оптического датчика NCDT 1700-2 для измерения высотных параметров шероховатости поверхности деталей машин / Д.И. Петрешин // Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении: сб. тр. Междудар. науч.-техн. конф. (1-3 июня 2009 года, г. Ростов-на-Дону). - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. - С. 250-255.

Размещено на Allbest.ru