Автоматизированная двушкальная каскадная система управления продольным профилем нежёстких валов при токарной обработке Набилкин, Артем Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Современная тенденция развития машиностроения направлена на повышение точности, производительности, снижение стоимости металлообработки. Решающее значение в реализации данной тенденции имеет исследование закономерностей, оптимизация процессов обработки. Однако наличие колебаний деформаций упругих систем, припуска, характеристик материала заготовок, температуры, износа инструмента и другие неконтролируемые возмущающие воздействия приводят к снижению точности и производительности процессов резания, и, соответственно, к сужению зон эффективного резания. Эффективным путем повышения эффективности резания в данных условиях является создание автоматизированных систем управления, позволяющих путем корректировки режимных параметров компенсировать влияние силовых и других возмущений на процесс резания и обеспечить работу на более высоких силах резания и производительностях.

Проблемами точности обработки, динамики процессов резания, разработки систем контроля и управления процессами металлообработки занимались Кудинов В.А., Попов В.И., Локтев В.И., Бармин Б.П., Жарков И.Г., Аршанский М.М., Кедров С.С., Невельсон М.С., Балакшин Б.С., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г., Заковоротный В.Л., Васин С.А., Подураев В.Н., Драчев О.И., Петраков Ю.В., Расторгуев Д.А., Бржо- зовский Б.М., Игнатьев А.А., Мартынов В.В., Бровкова М.Б. и другие ученые.

Однако сложность, взаимосвязанность механизмов процессов резания, нелинейность, изменение закономерностей в процессе обработки затрудняют применение традиционных методов теории управления. Разрабатываются новые подходы, учитывающие нелинейность, эволюционную изменчивость преобразований в зоне резания, механизмы хаотической динамики. Но практическая реализации данных методов в настоящее время затруднена, и остается актуальным совершенствование методик решения задач повышения эффективности процессов резания на основе современной теории управления.

В данной работе в качестве объекта управления рассматривается процесс токарной обработки нежестких валов, при управлении которым возникают дополнительные трудности по причине большой деформации валов под действием сил резания. Проблемами обработки нежестких валов занимались Невельсон М.С., Никифоров Н. И., Смольников Н.Я., Городецкий Ю.И., Драчев А.О., Расторгуев Д.А. и др.

В работе Невельсона М.С. решается задача управления продольным профилем, т.е. непосредственно качественными показателями нежесткого вала, что позволяет учесть практически все действующие на процесс неконтролируемые возмущения. Однако использование статических моделей при наличии статистических возмущающих воздействий, транспортного запаздывания объекта управления не позволяет получить эффективного управления. Кроме того, не рассмотрены вопросы выбора вектора управляемых параметров, анализа наблюдаемости и управляемости процесса, достижимой эффективности АСУ при заданных ограничениях на управляющие воздействия, что не позволяет произвести обоснованный выбор структуры и алгоритма системы управления.

Все это говорит о необходимости рассмотрения данных вопросов и разработки системы управления продольным профилем нежестких валов на основе современной теории управления с учетом динамических характеристик объекта управления, статистических характеристик возмущающих воздействий, изменения характеристик упругой системы станка в процессе обработки.

Цель работы: разработать систему управления продольным профилем нежестких валов в процессе токарной обработки, позволяющую компенсировать деформацию вала, смещения передней и задней бабок, действие других неконтролируемых возмущающих воздействий и повысить точность и производительность их обработки.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

1. Разработать способ и структуру системы управления продольным профилем нежестких валов, позволяющие компенсировать возмущения по деформации вала, смещению передней и задней бабок и другие неконтролируемые возмущающие воздействия на процессе резания, повысить точность и производительность обработки нежестких валов.

2. Построить необходимые динамические модели объекта управления.

3. Оценить статистические характеристики возмущающих воздействий, построить математические модели формирующих фильтров.

4. Разработать алгоритм управления.

5. Исследовать эффективность разработанного алгоритма управления.

Объект исследования. Объектом исследования являются системы управления технологическими процессами резания. В качестве объекта управления исследуется процесс токарной обработки нежестких валов.

Методы и средства исследования. При теоретических исследованиях применялись методы динамики процессов резания, статистического анализа, теории случайных функций, автоматического и оптимального управления, статистического моделирования; экспериментальные исследования проводились на станке с ЧПУ 16А20Ф3, при этом использовались методы планирования и обработки результатов экспериментов, структурной и параметрической идентификации, метрологически обеспеченные системы измерения сил резания, импульсного воздействия, колебательных процессов элементов станков.

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

Научная новизна работы:

5. 1. Предложена автоматизированная двушкальная каскадная система управления продольным профилем нежесткого вала, обеспечивающая на основе исходной дискретизации управление объектом с распределенными параметрами по алгоритму для объектов с сосредоточенными параметрами, отличающаяся тем, что прямой канал внешнего контура, работающего с дискретностью обработки деталей, по модели систематической ошибки задает траекторию движения резца в процессе резания по поперечной оси, которая корректируется по результатам интерполяции управляющего воздействия ЛКГ-регулятора внешнего контура по отклонениям значений диаметра обработанного вала в пяти базовых точках от заданных значений, а внутренний контур реализует заданную траекторию в реальном времени обработки детали.

   2. Построена дискретная модель процесса токарной обработки, связывающая перемещение резца по поперечной оси и приращение диаметра обрабатываемой детали, учитывающая продолжительность обработки детали и измерения диаметра обработанной детали в заданных базовых точках, что позволяет провести синтез и оценить эффективность оптимального регулятора внешнего контура системы управления продольным профилем нежестких валов.

   3. Получены теоретические оценки спектральной плотности основных неконтролируемых возмущений, позволившие построить формирующие фильтры возмущающих воздействий и произвести синтез оптимального регулятора внешнего контура системы для отработки случайных погрешностей продольного профиля с учетом их статистических характеристик.

   4. Произведен синтез пятиканального регулятора внешнего контура, который при интерполяции полученных управляющих воздействий обеспечивает управление продольным профилем нежесткого вала по всей его длине. Компьютерное моделирование показало эффективность разработанной автоматизированной двушкальной каскадной системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке.

   Практическая значимость работы. Разработана автоматизированная двуш- кальная каскадная система управления, позволяющая уменьшить погрешность продольного профиля нежестких валов при токарной обработке. Система также позволяет в реальном времени обработки деталей построить модель систематической погрешности обработки и настроить прямой канал управления. Получены количественные оценки параметров модели упругой системы станка при обработке нежесткого вала и их изменения в процессе обработки. Разработаны, внедрены в учебный процесс и используются при производстве научно-исследовательских работ компьютерные системы измерения силы резания и исследования амплитудно- частотных характеристик элементов упругой системы станка. Полученные результаты используются в учебном процессе по дисциплинам «Математическое моделирование процессов машиностроения», «Теория автоматического управления», «Адаптивные системы управления» на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ. Разработанная система управления продольным профилем нежестких валов рекомендована к внедрению на предприятиях ОАО «Волгодизельмаш им. Маминых», ОАО «Вагоностроительный завод».

   На защиту выносятся:

   5. 4. 1. Автоматизированная двушкальная каскадная система управления продольным профилем нежесткого вала путем корректировки положения резца по поперечной оси в процессе резания, обеспечивающая по алгоритму управления объектом с сосредоточенными параметрами управление объектом с распределенными параметрами и компенсацию деформации вала, смещения передней и задней бабок и других неконтролируемых возмущений.

         2. Математическая модель объекта управления продольным профилем нежесткого вала, включающая модель прогноза деформации вала под действием радиальной составляющей силы резания, дискретную математическую модель процесса резания по управляющему воздействию, учитывающую продолжительность обработки детали и продолжительность измерения диаметра обработанной детали в заданных базовых точках, математическую модель формирующего фильтра возмущающих воздействий, построенную на основе теоретических оценок статистических характеристик возмущающих воздействий.

         3. Алгоритм управления продольным профилем нежесткого вала, включающий прямой канал управления внешнего контура для отработки по математической модели систематической ошибки, оптимальный ЛКГ-регулятор внешнего контура, обеспечивающий отработку неконтролируемых возмущающих воздействий, работающие с дискретностью обработки деталей, и внутренний контур, реализующий заданную внешним контуром траекторию движения резца по поперечной оси в реальном времени обработки детали.

         4. Система управления положением резца по поперечной оси, количественные оценки ее эффективности, в том числе при изменении параметров упругой системы станка в процессе обработки.

         5. Количественные оценки параметров упругой системы станка и их изменения при прохождении резца по всей длине вала.

         Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24, ММТТ-25 (Саратов, 2011, 2012) (3 доклада); Международной конференции, посвященной 70-летию Самарского государственного аэрокосмического университета и 100-летию ОАО «Кузнецов» (Самара, 2012, 2 доклада); VI Саратовском салоне инноваций и инвестиций (Саратов, 2011), всероссийских конференциях «Автоматизация, информационные технологии и системы автоматизированного проектирования технических систем» (Балаково, , 2011, 2012). Разработанная в процессе диссертационной работы система исследования частотных характеристик станков является лауреатом 13 Международного форума «Образовательная среда» (Москва, 2011).

         Работа выполнена в рамках основного научного направления Саратовского государственного технического университета ОНН 12В: «Разработка научных основ повышения эффективности производства и качественных показателей продукции химико-технологических и машиностроительных производств на базе совершенствования конструкций, технологии, систем управления» и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», номер проекта 2.1.2/11168 «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими и машиностроительными процессами с неконтролируемыми широкополосными статистическими возмущающими воздействиями».

         Публикации. По материалам диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в сборнике шестого Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций, 2010 г., 3 статьи в сборнике научных трудов Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях», 2010, 2011 гг., 4 статьи в сборнике научных трудов «Автоматизация, информационные технологии и системы автоматизированного проектирования технических систем» БИТТУ СГТУ, 2010-2012 гг.

         Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 172 источников и приложений. Работа изложена на 188 страницах, содержит 104 рисунка, 9 таблиц.

         Похожие диссертации на Автоматизированная двушкальная каскадная система управления продольным профилем нежёстких валов при токарной обработке

         Обеспечение точности автоматизированной системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем повышения эффективности обратной связиКравченко, Станислав Алексеевич

         

         Автоматизация и управление процессом лезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системыЗахарова Вера Петровна

         

         Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системыШведов Николай Георгиевич

         АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ ИЗДЕЛИЙ НА ОБОРУДОВАНИИ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМАнциферов Артём Всеволодович

         

         Повышение качества обработки маложестких валов путем автоматического управления параметрами термосиловой обработки Воронов Дмитрий Юрьевич

         Модели и методы синтеза оптимальных модульных диалоговых систем обработки данных в автоматизированных банковских системахВолков, Андрей Евгеньевич

         

         Разработка формализованных методов анализа задач обработки данных и синтеза типовых модульных систем обработки данных Товмасян Артоша Вардгесович

         Модели и методы синтеза оптимальных типовых модульных систем обработки данных в автоматизированных информационно-управляющих системахКосяченко, Станислав Анатольевич

         Разработка моделей и методов синтеза оптимальных систем обработки данных, обеспечивающих восстановление информации в распределенных автоматизированных системах управления городским хозяйствомФролов, Сергей Валерьевич

         Разработка и практическое применение методологии семантического анализа в автоматизированных системах обработки научной информацииЗаличев, Николай Николаевич