Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Принципы и методы контроля и управления точностью обработки деталей на промышленном оборудовании
1.1 Особенности функционирования автоматизированных систем контроля и управления 10
1.2 Анализ математических моделей управления точностью обработки деталей 12
1.2.1 Системы предельного регулирования 18
1.2.2 Системы оптимального управления 19
1.3 Анализ автоматизированных систем управления машиностроительным оборудованием и методов контроля 21
1.4 Принципы построения математических моделей систем управления 28
1.5 Операционные системы реального времени для систем ЧПУ 34
1.6 Выводы 38
ГЛАВА 2 Математическая модель управления точностью обработки деталей методами нечеткой логики 39
2.1 Математическая модель возмущающих воздействий 39
2.2 Математическая модель силы резания 43
2.2.1 Нечеткая математическая модель прогнозирования силы резания с функцией обучения „44
2.2.2 Нечеткая математическая модель коррекции режимов резания с функцией самонастройки 48
2.3 Математическая модель выбора параметров управления 60
2.4 Обобщенный алгоритм функционирования математической модели управления точностью обработки деталей 64
2.5 Выводы 66
ГЛАВА 3 Синтез системы контроля и управления технологическим процессом обработки деталей 67
3.1 Анализ и синтез автоматизированных систем контроля и управления точностью обработки деталей 67
3.1.1 Синтез системы контроля и управления на основе лазерных датчиков 67
3.1.2 Синтез системы управления на основе ультразвуковых датчиков. 77
3.1.3 Синтез системы управления на основе термопар 83
3.2 Прогнозирование точности обработанных поверхностей деталей 85
3.3 Синтез систем управления компенсирующих смещение шпиндельных узлов 91
3.4 Синтез вспомогательных систем управления точностью технологического процесса 98
3.5 Обеспечение высокой достоверности полученных результатов от преобразователей информации 104
3.6 Инженерная методика расчета параметров технологических процессов 108
3.7 Выводы 109
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом высокоточной обработки деталей на основе нечеткой логики. 110
4.1 Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний системы контроля и управления точностью обработки деталей
4.1.1 Сравнительный анализ технологического процесса обработки деталей 116
4.2 Теоретические и экспериментальные характеристики '
втоматизированной системы контроля и управления тонностью технологического процесса обработки деталей 117
4.2.1 Сравнительный анализ технологического процесса обработки деталей 117
4.2.2 Корреляционный анализ технологического процесса обработки деталей 127
4.3 Выводы 133
Заключение 134
Библиографический список 135
Приложение!
- Особенности функционирования автоматизированных систем контроля и управления
- Математическая модель возмущающих воздействий
- Анализ и синтез автоматизированных систем контроля и управления точностью обработки деталей
- Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний системы контроля и управления точностью обработки деталей
Введение к работе
Актуальность работы
Современное машино- и приборостроительное производство различных объектов требует согласованную работу на всех этапах технологического процесса (ТП). Основным требованием для обеспечения согласованной работы автоматизированных систем контроля и управления (АСКиУ) ТП выступает создание человеко-машинных систем с интеллектуальной поддержкой процессов управления на всех этапах жизненного цикла промышленных изделий.
Разработка АСКиУ направлена на создание резерва технологической точности, представляющего собой запас, при котором погрешности, возникающие в процессе обработки деталей, не выходят за пределы поля допуска на размер детали. У зарубежных станкостроительных фирм такой резерв технологической точности составляет примерно 70-75%. Важным фактором при разработке АСКиУ ТП является то, что в его ходе возникает задача поддержания определенных параметров управления на заданном уровне и компенсации 'возмущающий воздействий, действующих на объект ( управления. Например, при токарной обработке происходят искажения формы детали под действием колебания силы резания, что влияет на смещение оси детали относительно системы координат оборудования с ЧПУ " и, как следствие, ведет к появлению брака. До настоящего времени в АСКиУ ТП применяются устройства управления с постоянной скоростью, использующие пропорционально-интегральное—дифференциальное или адаптивное управление. Для таких методов управления необходимо, чтобы динамические характеристики оборудования с ЧПУ были известны и существенно не изменялись во времени, а возмущающие воздействия были минимальны. Однако динамические характеристики производственного оборудования значительно изменяются в зависимости от колебания силы резания и наличия возмущающих воздействий. Поэтому для управления точностью обработки деталей в существующих АСКиУ используется зависимость силы резания от параметров режима резания, подачи и скорости резания.
Проблемная ситуация заключается в возникновении существенных трудностей для эксперта или технолога при выборе единственного значения параметров режима резания из рекомендуемых диапазонов, что требует создания новых средств формализации функционирования АСКиУ ТП. Вместе с тем обеспечение постоянства динамического режима, рассчитанного по эмпирическим формулам, невозможно, так как в реальных условиях на обрабатываемую поверхность заготовки действуют возмущающие воздействия.
В связи с этим перспективным подходом для создания АСКиУ ТП высокоточной обработки деталей является использование теории нечеткой логики, позволяющей для каждой технологической операции оценить диапазоны рекомендуемых значений в виде нечетких интервалов и выбрать из них единственное значение. А также формализовать динамический режим, то есть на основе нечетких правил управления в режиме реального времени контролировать влияние возмущающих воздействий, что в конечном итоге повысит точность обработанных поверхностей заготовок.
Таким образом, актуальной научно-технической задачей является создание средств формализации АСКиУ ТП и ее структурно-функциональной организации для повышения точности и поддержания параметров управления на заданном уровне при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ в условиях возникновения возмущающих воздействий.
Диссертационная работа выполнена в рамках фундаментальных исследований с госбюджетным финансированием, которые велись и ведутся в Курском государственном техническом университете — госбюджетная НИР 1.05.08Ф № государственной регистрации 02200800303, 2005-2007 гг. «Исследование принципов функционирования автоматизированных систем контроля и методов их управления на основе нечеткой логики», а также хозяйственного договора 1.37.02 «Разработка программных средств и обработка измерительной информации».
Цель диссертации: повышение точности обработки деталей за счет компенсации возмущающих воздействий в режиме реального времени путем создания нечеткой математической модели и автоматизированной системы контроля и управления.
Задачи исследования:
1. Сравнительный анализ существующих АСКиУ производства
заготовок и математических моделей, описывающих их поведение и
определение путей повышения точности обрабатываемых поверхностей
детали.
Создать математическую модель управления точностью обработки деталей на оборудовании с ЧПУ методами нечеткой логики.
Разработать метод автоматизации контроля размера обрабатываемой поверхности детали на оборудовании с ЧПУ в режиме реального времени.
4. Создать структурно-функциональную организацию АСКиУ и
разработать аппаратно-программный комплекс.
Научная новизна работы:
— математическая модель управления точностью обработки деталей на
основе теории нечеткой логики, включающая математическую модель
возмущающих воздействий, математическую модель прогнозирования силы'
резания и математическую модель параметров управления, позволяющую
повысить точность обработки поверхностей деталей в режиме реального*-
времени.
- формализованные методы расчета параметров режима резания и на
их основе программное обеспечение, базирующиеся на математической'
модели управления точностью обработки деталей, отличающиеся тем, что
для прогнозирования силы резания используется множество нечетких правил
управления, что позволяет выбирать из рекомендуемого диапазона
единственное значение параметров управления.
— структурно-функциональная организация АСКиУ контролируемого
размера обрабатываемой поверхностей детали и инженерная методика
расчета параметров ТП в режиме реального времени.
- аппаратно-программный комплекс, позволяющий оценить
адекватность разработанной математической модели управления точностью
обработки деталей.
7 Методы исследования. В работе использованы методы теории управления системами, теории нечетких множеств, теории сигналов и проектирования ЭВМ, аппарат матричной алгебры, применены теоретические положения современной технологии машиностроения, а также методы вычислительной математики и математической статистики, теоретического программирования и теории алгоритмов. Практическая ценность работы:
1. Разработанная математическая модель управления точностью
обработки деталей может быть использована при создании различных
высокоточных АСКиУ машиностроительным оборудованием, которые могут
применяться, прежде всего, в автоматизации технологических процессов, а
именно для повышения точности обработки деталей в режиме реального
времени.
Созданный аппаратно-программный комплекс АСКиУ, основанный на использовании нечеткой логики, обеспечивает адаптацию к влиянию возмущающих воздействий, действующих на объект управления в ходе обработки деталей, а также является основой для оценки адекватности математической модели.
Разработанные автоматизированные системы управления защищены патентами РФ Ms 2288808, 2288809, 2280540, 2325247.
Реализация и внедрение:
Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в ОАО «Фармстандарт-Лексредства» при разработке в экспериментальном порядке автоматизированной системы управления технологическим процессом, а также используются в учебном процессе в Курском государственном техническом университете в рамках дисциплин «Электротехника и электроника» и «Основы теории управления», что подтверждается соответствующими актами. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель управления точностью обработки деталей, основанная на использовании методов нечеткой логики с применением метрики Лукашевича и позволяющая адаптировать технологический процесс с учетом влияния внешних возмущающих воздействий.
2. Алгоритм функционирования автоматизированной системы контроля
и управления технологическим процессом высокоточной обработки деталей,
позволяющий стабилизировать размер обрабатываемой поверхности детали в
зависимости от текущего значения силы резания.
3. Структурно-функциональная организация АСКиУ ТП,
обеспечивающая в режиме реального времени при компенсации
возмущающих воздействий точность обработки деталей.
4. Аппаратно-программный комплекс, позволяющий оценить
адекватность разработанной математической модели управления точностью
обработки деталей и методика определения геометрических размеров
обрабатываемых поверхностей деталей на оборудовании с ЧПУ в режиме
реального времени.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных и российских конференциях: VII, IX Международных научно-технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии» (г. Курск, Российская Федерация, 25-26 мая 2004г., 23-24 мая 2006г.); VII и VIII Международных конференциях «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации «Распознавание - 2005», «Распознавание - 2008» (г. Курск, Российская Федерация, 4-7 октября 2005 г., 13-15 мая 2008г.); IV, V международных научно-технических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г.Курск, Российская Федерация, 18-20 мая 2006г., 23-25 мая 2007г.); IV International Conference «Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems» (Катанья, Италия, 27 мая-3 июня 2006 г.); V International Conference «Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems». (Mallorca, Испания, 31 мая-7 июня 2007 г.), а также на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Курского государственного технического университета с 2004 по 2008 гг.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 16 печатных работах. Среди них 5 статей, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов и изданий,
рекомендуемых ВАК, а также 4 патента Российской Федерации, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [56, 104, 76, 86] — математическая модель управления точностью обработки деталей, в [55, 84, 113, 102, 98] - методика определения параметров режима резания и возмущающих воздействий, действующих на объект управления в режиме реального времени, в [52, 115, 18, 80, 53, 81, 116] - структурные схемы, основные принципы определения размера контролируемой поверхности детали и алгоритм функционирования АСКиУ ТП.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 148 страниц основного текста, в том числе 47 рисунков, 16 таблиц, список использованных источников из 136 наименований и 1 приложения на 3 страницах.
\
Особенности функционирования автоматизированных систем контроля и управления
К ОУ приложено два типа воздействий: управляющие воздействия fi(t) и возмущающие l(t), состояние объекта характеризуется переменной fi(t) (переменные в основном являются векторными функциями) Приложение возмущающих воздействий к объекту управления Изменение регулируемой величины P(t) происходит за счет управляющего воздействия ju (t), а также за счет возмущающего воздействия 1(0. Возмущающим называется воздействие, которое нарушает требуемую функциональную зависимость между переменными состояниями и управляющими воздействиями. Воздействия, предназначенные для компенсации влияния возмущающих воздействий или для изменения управляемой величины (переменных состояний) в соответствии с заданным законом, называются управляющими [12, 13, 14].
Применительно к различным задачам управления различается несколько видов автоматизации: - частичная автоматизация управления; - полная автоматизация контроля; - полная автоматизация управления.
В первом случае обслуживающий персонал, располагающий информацией о задаче управления, включается в процесс управления, но воздействует только на управляющий элемент, который через силовой элемент действует на ОУ.
Во втором случае перед автоматизацией контроля стоит только задача сбора информации о состоянии объекта управления.
В третьем случае автоматизированные системы управления представляют собой наиболее качественный вид автоматизации, сочетающий первые два вида. То есть в этом случае происходит управление над ОУ без участия оператора.
Данные системы по характеру задающего воздействия или требуемого значения выходной величины подразделяются на три класса: - системы стабилизации (поддерживают значение регулируемой величины на заданном постоянном уровне, соответствующем определенному постоянному значение управляющего воздействия); - следящие системы (управляемая величина соответствует любым заранее неизвестным изменениям управляющего воздействия ju (t))\ - системы программного управления (управляемая величина соответствует управляющему воздействию ju(t), представляющему собой функцию времени, задаваемую некоторым программным устройством).
В процессе работы на ОУ оказывают влияние возмущающие воздействия, вследствие чего управляемая величина отклоняется от требуемого значения. Таким образом, задачей автоматизированной системы контроля и управления (АСКиУ) является обеспечение соответствия управляемой величины заданному значению путем передачи на объект управления необходимого управляющего воздействия [15, 16].
По способу определения управляющего воздействия, необходимого для компенсации отклонения управляемой величины от требуемого значения, выделяется четыре принципа управления [17, 18, 19]:
1. Управление по возмущению, когда управляющее воздействие на ОУ формируется в зависимости от величины задающего воздействия и одного или нескольких внешних воздействий на него.
2. Управление по отклонению, когда управляющее воздействие на ОУ формируется в зависимости от отклонений действительного значения управляемой координаты от заданного значения.
3. Комбинированное управление, когда управляющее воздействие на ОУ формируется в зависимости отклонения действительного значения управляемой координаты от заданного значения и величины одного или нескольких внешних воздействий на ОУ.
4. Управление с эталонной математической модель (ЭММ), в которой требуемые свойства ОУ задаются в ЭММ.
При обработке металлов резанием готовое изделие (деталь) получается в результате срезания с заготовки слоя припуска, который удаляется в виде стружки. Интенсивность процесса резания определяется напряженностью режима резания. Режим резания характеризуют три параметра: глубина резания t (мм) — толщина слоя обрабатываемого материала, срезаемого за один проход инструмента; подача s (мм/об) - величина перемещения инструмента или обрабатываемого изделия в единицу времени; скорость резания v (мм/мин) — скорость перемещения поверхности резания относительно режущей кромки инструмента [20, 21].
Для осуществления процесса резания необходимо иметь несколько взаимосвязанных движений обрабатываемой детали и инструмента. Взаимосвязь нескольких движений режущего инструмента и обрабатываемой детали обеспечивает получение поверхности заданной формы и требуемой точности. При этом движение с наибольшей скоростью называется главным движением (Dr), а все остальные движения называются движениями подачи (Ds). Суммарное движение режущего инструмента относительно заготовки, включающее главное движение и движение подачи, называется результирующим движением резания (Dc). Геометрическая сумма скорости главного движения резания и скорости движения подачи определяет вектор скорости результирующего движения резания (Ve). Плоскость, в которой расположены векторы скоростей главного движения резания и -движения, подачи, называется рабочей плоскостью (Ps) [22].
При резании металлов наибольшее влияние на величину поля рассеивания размеров детали оказывают размеры припуска и твердость материала заготовки. Это приводит к возрастанию диапазона изменения усилий резания, то есть изменение силы резания и вызываемых ею упругих деформаций ух, а, следовательно, и поля рассеивания размеров обработанных деталей. Величина деформаций в технологической системе станок -приспособление - инструмент - деталь определяется жесткостью технологической системы [23, 24] РУ Р где Ру — радиальная составляющая силы резания; Jc - жесткость технологической системы; со — податливость технологической системы. Таким образом, погрешность обработки зависит от колебания величины деформаций вследствие изменения силы резания или жесткости технологической системы. Для достижения высокой точности обработки необходимо обеспечить постоянство величины ух, что возможно при выполнении следующих двух критериев: — обеспечения постоянства составляющей силы резания Ру (или в-целом силы резания Р); — обеспечения постоянства отношения Py/Jc.
Математическая модель возмущающих воздействий
Математическая модель возмущающих воздействий є позволяет получить описание вектора возмущающих воздействий s=f(sh 62,... є , где п — количество возмущающих факторов, влияющих на точность обработки деталей при управлении технологическим процессом на основе использования оборудования с ЧПУ, действующих на деталь во время её обработки: - величина деформации технологической системы станок -приспособление - инструмент - деталь по координате перемещения режущего инструмента ; - разность координат программируемых точек гпрог\ - температурная деформация технологической системы станок приспособление - инструмент - деталь ADQ\ - максимальная величина удлинения инструмента (колебание припуска на обработку) 1тах; - размерный износ режущего инструмента Uo , - погрешность запаздывания команд на отвод инструмента AT; - погрешность запаздывания систем активного контроля tn; Таким образом, математическая модель возмущающих воздействий будет иметь вид FBB(s)=f(yx, гпрог, ADa lmaX) Uо, AT, Q (2.2)
Для получения требуемых размеров деталей необходимо обеспечить точные перемещения рабочих органов станка, а так же точно согласовывать положение заготовки и инструмента в выбранной системе координат [84].
Температурные погрешности появляются из-за изменения размеров и формы деталей под действием температурных деформаций и размерного износа инструмента. Температурная деформация технологической системы ADo размеров деталей вследствие их нагрева при резании зависит от величины линейных размеров заготовки и коэффициента линейного расширения металла где at - температурный коэффициент линейного расширения; to — изменение температуры нагрева заготовки во время обработки деталей на оборудовании с ЧПУ в реальном времени.
Погрешность запаздывания систем активного контроля tn зависит от скорости изменения контролируемого размера и скорости изменения измерительного сигнала где Vd — скорость изменения контролируемого размера; / — чувствительность измерительной системы; Vu - скорость изменения измерительного сигнала.
Математическая модель сил резания Fcp(P) включает в себя две нечеткие математические модели: нечеткую математическую модель прогнозирования силы резания Fncp основанную на системе нечетких отношений с функцией обучения Foo(P), позволяющей в условиях реальной обработки деталей генерировать поправки к коэффициентам математической модели прогнозирования силы резания, и нечеткую математическую модель коррекции режимов резания FKPP при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ в режиме реального времени с функцией самонастройки Fa c(P), позволяющей осуществлять коррекцию режимов резания на этапе предварительной настройки и в режиме реального времени.
В качестве входных данных математической модели прогнозирования силы резания используется информация о параметрах резания, заранее определенные производственные знания (размеры заготовок, характеристики обрабатываемого материала и т.п.) и условия работы. На основе этих данных с помощью нечетких выводов прогнозируются режимы резания для каждой технологической операции. Вышесказанное характеризуется следующей блок схемой (рис. 2.2).
(Входные данные) (Регулируемые параметры) Вектор входных параметров FBB(E) Нечеткая математическая модельпрогнозирования силы резанияFncp (рыходные данные)
Вектор управленияJ, V Спрогнозированное значение силы резания Р у (Практические результаты) Сила резания Р., Функция обучения FM(P) ГУ НМ(ПСР) с ф ункцией обучения Рис. 2.2. Блок схема нечеткой математической модели прогнозирования точности обработки деталей с функцией обучения
После обработки детали на оборудовании с ЧПУ с помощью функции обучения и на основе реальных данных обработки заготовки резанием осуществляется обучение нечеткой математической модели прогнозирования силы резания, которая необходима для обеспечения высокой точности прогнозирования [87].
Формулы для расчета математической модели прогнозирования силы резания На силу резания при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ влияют следующие параметры: подача и скорость резания [88]. Например, подача (скорость резания), которая выбрана в качестве переменной для нечеткого разделения, рассматривается в контексте обработки деталей на оборудовании с ЧПУ как показатель изменения получаемого размера Ад в режиме реального времени. При этом в области небольших значений подачи сила резания уменьшается (изменение происходит за счет воздействия возмущающих воздействий, таких как температурные деформации резца и обрабатываемой заготовки и т.п.); если подача превышает допустимое значение, то сила резания будет увеличиваться. Таким образом, если разделение области провести в точках, где меняется функциональная зависимость, то эффект от разделения областей будет наиболее максимальным. Поэтому выбираем три переменные: подача и выполненное нечеткое разделение на две области - Small (малые) и Big (большие). Обозначим эти переменные - Х/, х2 и Хз. Линейные целевые функции могут иметь еще дополнительные переменные: добавлено п переменных, которые важны для силы резания (например, скорость и глубина резания, твердость обрабатываемого материала, содержание углерода (материал: сталь, чугун) в обрабатываемой заготовке и т.п.).
Анализ и синтез автоматизированных систем контроля и управления точностью обработки деталей
Принцип работы лазерных датчиков заключается в том, что исследуемый объект, которым является контролируемая поверхность детали, облучается лазерным лучом под определенным углом. После отражения от поверхности детали лазерный луч попадает на специальное устройство, которое преобразует световой сигнал в электрический. В качестве устройства, принимающего световой сигнал и преобразующий его в аналоговый, может использоваться матрица ПЗС (прибор с зарядовой связью) [99, 100]. Затем аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой и передается на вычислительное устройство, использующееся для расшифровки координат исследуемого объекта, а также для непосредственного управления исполнительными механизмами оборудования с ЧПУ [101].
Устройство управления точностью обработки деталей В ходе проведения исследовательской работы было запатентовано «Устройство управления точностью обработки деталей», использующее в своей структуре лазерные преобразователи информации и формулы определения размеров контролируемых деталей, которые приведены ниже. Структурная схема АСКиУ приведена на рисунке 3.1. Определение контролируемых размеров деталей поясняется рисунками 3.2 и 3.3. [102].
АСКиУ точностью обработки деталей работает следующим образом. Осуществление работы устройства производилось на примере центровой токарной обработки поверхностей детали на оборудовании с ЧПУ. С момента включения вращения детали 11, имеющей центровые отверстия для ее базирования на оборудовании с ЧПУ, на чистовых режимах обработки возникают погрешности, такие как размерный износ инструмента, удлинение резца и т.д., из-за чего уменьшается точность обработанных поверхностей детали. Определение разности между заданным размером поверхности детали и текущим, полученным от лазерного излучателя в реальном времени, с помощью компьютера позволит выработать сигнал компенсации, передать его на исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ и тем самым обеспечить высокую точность размера обработанной поверхности детали.
Далее сигнал с компьютера 5 передается на блок усиления сигнала 6, с выхода которого подается управляющий сигнал на исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ 7 с целью изменения пространственного положения резца 8, тем самым, обеспечивая высокую точность обработки детали 11 в реальном времени. Таким образом, разработанное устройство позволит увеличить точность обрабатываемых поверхностей деталей на оборудовании с ЧПУ в реальном времени.
Скорость получения с помощью лазерного датчика управляющей информации ограничивается быстродействием излучателя лазерного луча и составляется примерно 600 точек за секунду. Точность измерений составляет 0,01 мкм.
В ходе экспериментальных исследований АСКиУ, использующих для контроля лазерные датчики, установлено, что вибрации технологической системы станок-приспособление-инструмент—деталь в процессе обработки на высокоточном оборудовании с ЧПУ не влияют на их точность. Образующаяся в процессе обработки детали стружка и пыль, поступающая в зону резания и в зону измерения, а так же смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ), не оказывают существенного воздействия на точность АСКиУ.
Особенности распознавания контуров деталей на основе использования лазерных датчиков и подробная работа вычислительного модуля, который распознает геометрию ОУ, следующие. При сканировании лазерным пучком поверхности (горизонта) детали строится диаграмма, с помощью которой определяется левая и правая граница исследуемого объекта, то есть пиковые значения іуьуі) соответствуют этим значениям (рис. 3.4) [103].
Рассмотрим распознавание следующих многомерных объектов: параллелепипеда, цилиндра, пирамиды, призмы и конуса. Алгоритм распознавания основан на исследовании сигналов Лу(і), определяющих пиковые значения N/ и ЛЬ, и последующее сопоставление полученных результатов эталонными значениями.
Делается это следующим образом. После пика сигнала уі (рис. 3.4) координаты первых трех точек поверхности объекта необходимо аппроксимировать прямой линией. При получении координаты четвертой точки измеряется расстояние по перпендикуляру до линии, содержащей эту точку и обозначенной D4. Если D4 Т4 (где Т4 - установленный разрешенный допуск на размер), то рассматриваются последние три точки (вместе с полученной) и проводится новая аппроксимирующая линия и т.д. Если Dj Tj, то измеряется расстояние и условию D J+i Т j+t сопоставляется вывод, что контур сечения объекта делает излом и объект представляет собой параллелепипед или пирамиду в зависимости от группы А или Б. Если же Dj+i Г/+/, то вывод о том, что предыдущая точка означает выброс из-за помех и ее расчет не производится. Таким образом, определяется одна из пяти форм исследуемых объектов.
При этом движении искомым является перепад значений координаты у, который должен быть больше установленной величины, иначе делается вывод о том, что сканирующий лазерный пучок сошел с поверхности исследуемого объекта и устремлен к фону.
После обработки детали на оборудовании с ЧПУ в режиме реального времени ее необходимо удалить из зоны резания, делается это с помощью специализированного оборудования.
Сканирующий лазерный пучок определяет границы объекта и его ориентацию в пространстве. Прямые, характеризующие поперечное сечение объекта, описываются уравнениями yt=aix+bi и у2=а2Х+Ь2. Объект является параллелепипедом, если ахаг » -1 (рис. 3.7) и цилиндром если а,а2 « -1.
При удалении детали из зоны резания после ее обработки на оборудовании с ЧПУ в режиме реального времени схват двигается в целевую точку Н с координатами (xh, уй), из которой, ориентируясь на характеристическую точку S, начинается операция захвата детали.
Таким образом, интеграция лазерных датчиков в систему управления должна осуществляться с помощью специализированного интерфейса. Для преобразования данных желательно выбирать жесткую операционную систему реального времени [104]. 3.1.2 Синтез системы управления на основе ультразвуковых датчиков
В некоторых случаях при обработке деталей на оборудовании с ЧПУ использование лазерных датчиков затруднительно [105]. В этом случае для контроля размеров . обработанных поверхностей используются ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвукового датчика заключается в акустической локации поверхности или объема контролируемого изделия. В звуколокаторах решение о наличии цели в данном секторе пространства выносится в том случае, когда при зондировании (облучении) этого сектора приемник локатора улавливает отраженный целью эхосигнал, который является задержанной во времени копией зондирующего сигнала. При этом время запаздывания эхосигнала относительно зондирующего сигнала содержит сведения о расстоянии до цели. Если на зондируемом направлении оказались две близко расположенные цели, то разность времени запаздывания соответствующих им эхосигналов относительно зондирующего сигнала может оказаться меньше длительности последнего, так что эхосигналы наложатся друг на друга. В этом случае трудно обнаружить присутствие именно двух сигналов и определить расстояние до каждой из целей. При большем числе накладывающихся эхосигналов отмеченная трудность усугубляется. В этом состоит проблема разрешения сигналов по времени запаздывания.
Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний системы контроля и управления точностью обработки деталей
Измерительная система АПК (лазерный датчик, датчик силы резания) в реальном времени фиксирует (п. 3.1.1 формула 3.9) текущий размер обрабатываемой детали и текущее значение силы резания, преобразуя их в цифровой сигнал, который передается на вход ЭВМ.
Далее полученная информация сравнивается с эталонным значением. Если эта величина превышает требуемое значение, то вырабатывается сигнал коррекции путем изменения подачи или скорости резания.
Для управления точностью разработано два метода управления, каждый из которых используется в зависимости от сложности детали, количества обрабатываемых деталей и т.п.
Первый метод. Управляющая структурно-функциональная схема АСКиУ на оборудовании с ЧПУ для обработки эталонной детали представлена на рисунке 4.2. Структурно-функциональная схема АСКиУ на оборудовании с ЧПУ для обработки партии деталей приведена на рисунке 4.3.
Управляющая структурно-функциональная организация АСКиУ на оборудовании с ЧПУ для обработки эталонной детали
Перед началом обработки в блок введения возмущающих воздействий (БВВВ) записывается величина целевой функции є определенной по формуле (1.15). В управляющий блок допусков (УБД) вводятся контрольные границы, то есть допуск на обрабатываемый размер детали (определяется из рабочего чертежа детали) и рассчитанное значение силы резания (п. 1.1). В процессе обработки проводится измерение смещения шпиндельного узла 3 с помощью датчика 9 и смещения детали с помощью датчика 8, а также текущее значение силы резания с помощью датчика силы резания ДС, через заданные промежутки времени, определяемые с помощью отметчика угла поворота 1. Сигнал о начале работы на блок 1 поступает из компьютера 10. От датчиков 8 и 9 сигналы (xin, хгп) поступают на компьютер 10 (Управляющая ЭВМ) в блок расчета радиуса (БРР) детали в заданной точке, значение диаметра D„ в УБД заносится также перед началом обработки. Далее по формуле (3.16) определяется радиус детали в контрольных точках, учитывающий возмущающие воздействия, действующие на нее, и температурные деформации смещения шпиндельных блоков. В автоматизированном режиме на экране монитора строятся 2d и 3d профили обработанной поверхности детали (рис. 3.16 и 3.17). При этом в БВ также сравнивается значение эталонной силы резания записанной в УБД и поступившего текущего значения силы резания от датчика ДС. Если размеры и значение силы резания не выходят за установленные номиналы, то деталь считается - эталонной. В блоке вычитания (БВ - сравнение с номиналом) производится выработка сигнала коррекции, который поступает в блок записи эталонных размеров (БЗЭР). В дальнейшем процесс обработки партии деталей идет под копирку.
Перед началом обработки в БВВВ вводится величина є . В блок введения коэффициента уточнения (БВКУ) записывается значение коэффициента уточнения, определяемого по формуле (3.17). В блок умножения (БУ) заносится значение коэффициента влияния радиального смещения шпиндельного узла 3, который определяется на приемосдаточных испытаниях оборудования с ЧПУ (рис. 3.20).
В режиме реального времени производится постоянный контроль за показаниями датчиков 8 и 9, которые суммируются в БРР, и полученное значение сравнивается с эталонным значением блока БЗЭМ. Операцию сравнения осуществляет БВ, также в БВ осуществляется постоянный контроль за значением силы резания поступившем от датчика ДС. Сигнал рассогласования из БВ поступает на Сумматор посредством БУ. Также на Сумматор поступают сигналы из БВВВ и БВКУ, где формируется корректирующие воздействие путем алгебраического сложения сигналов, поступивших из вышеперечисленных блоков. Управляюшя ЭВМ
Структурно-функциональная организация АСКиУ на оборудовании с ЧПУ для обработки партии Сигнал коррекции, полученный в Сумматоре поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП преобразовывает цифровой сигнал в электрический в форме аналогового напряжения для передачи его в усилительный блок (БУС), где происходит усиление в соответствии с заданным законом. После чего сигнал передается на блок клапанов (БК). БК оснащен подводом гидравлического давления и соединен гидравлической магистралью с цилиндрами органов блока резцедержательной головки 6 и резца 7. В БК в результате подачи аналогового напряжения осуществляется пропорциональное смещение соленоидов, это привод к пропорциональному изменению давления в гидравлической магистрали. Таким образом, из БК гидравлический поток направляется к блокам 7 и 6, тем самым осуществляя требуемое корректирующие воздействие в режиме реального времени. Резцедержательный блок снабжен датчиком положения с обратной связью (ДОС) для обеспечения вспомогательного контура регулирования исполнительными механизмами оборудования с ЧПУ.
Если деталь не соответствует требуемому значению, то в сумматоре определяется корректирующее воздействие, которое передается на исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ, тем самым обеспечивая высокую точность обработанных поверхностей детали в режиме реального времени.
Структурно-функциональная схема АСКиУ на оборудовании с ЧПУ Перед началом обработки в блок введения возмущающих воздействий (БВВВ) записывается величина целевой функции є , определенная по формуле (1.15). В управляющий блок допусков (УВД) вводятся контрольные границы, то есть допуск на обрабатываемый размер детали (определяется из рабочего чертежа детали Dn) и эталонное значение силы резания (Р). В процессе обработки проводится постоянный контроль за размером детали / с помощью датчика Д и за текущем значением силы резания Рг с помощью
115 датчика силы резания ДС. В качестве датчика Д может использоваться лазерный датчик, тогда для определения контрольного размера детали / используется запатентованная методика (п. 3.1.1 формула 3.9). Сигнал о начале работы поступает из компьютера 10. От датчика Д сигнал (/) поступает на компьютер 10 (Управляющая ЭВМ) в блок расчета текущего размера детали (БРР) в любой точке, значение диаметра Dn в УБД заносится перед началом обработки. В блоке вычитания (БВ - сравнение с номиналом) постоянно в автоматическом режиме происходит сравнение текущего размера / с заданным Dn, а также текущего значения силы резания Pz с эталонным значением силы резания Р. Если размеры совпадают, то обработка продолжается. Если размеры не совпадают, то сигнал рассогласования из БВ поступает на Сумматор посредством БУ, где формируется суммарное корректирующие воздействие путем алгебраического сложения сигналов, поступивших из БУ и БВВВ.
Численное значение сигнала коррекции, полученное в Сумматоре, передается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП преобразовывает цифровой сигнал в электрический в форме аналогового напряжения для передачи его в усилительный блок (БУС), где происходит усиление в соответствии с заданным законом. После чего сигнал передается на блок клапанов (БК). БК оснащен подводом гидравлического давления и соединен гидравлической магистралью с цилиндрами органов блока резцедержательной головки 6 и резца 7. В БК в результате подачи аналогового напряжения осуществляется пропорциональное смещение соленоидов, это привод к пропорциональному изменению давления в гидравлической магистрали. Таким образом, из БК гидравлический поток направляется к блокам 7 и 6, тем самым осуществляя требуемое корректирующие воздействие в режиме реального времени. Резцедержательный блок необходимо снабдить датчиком положения с обратной связью (ДОС) для обеспечения вспомогательного контура регулирования исполнительными механизмами оборудования с ЧПУ.
