Многопараметрическая диагностика и управление процессом обработки на металлорежущих станках в условиях гибкого автоматизированного производства

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы состоит в том, что :

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

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

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

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

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

Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Это и будет предметом дальнейших исследований.

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

Заключение

и общие выводы.

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

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

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

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

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

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

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