Содержание к диссертации
Введение
1. Технологический процесс как объект управления 10
1.1. Планирование технологических процессов в системах автоматизированного проектирования 12
1.1.1. Методы создания технологических процессов применительно к условиям миогономенклатурного производства 12
1.1.2. Методы создания технологических процессов применительно к условиям подшипникового производства 18
1.1.3. Анализ методов создания технологических процессов системах автоматизированного проектирования 21
1.2. Анализ методов и средств оценки технического состояния шлифовального оборудования 24
1.2.1, Организация контроля и диагностирования на прецизионных металлорежущих станках 24
1.2.2. Мониторинг технологического процесса шлифования деталей подшипникового производства 30
1.3. Управление качеством колец подшипников при шлифовании. Постановка задач исследования 36
2. Моделирование динамических процессов и автоматизированная оценка динамического состояния шлифовального станка 41
2.1. Организация мониторинга технологического процесса с учетом динамики основных формообразующих узлов 42
2.2. Моделирование процессов в технологической системе шлифовального станка 54
2,2.1. Модель динамической системы шлифовального станка 54
2.2.2 Компьютерное моделирование динамических процессов в технологической системе 63
2.3. Методическое обеспечение измерений качества обработки и вибраций на шлифовальных станках 66
2.3.1. Методика обучающего эксперимента 66
2.3.2. Контроль динамических характеристик шлифовальных станков в условиях эксплуатации 70
2.4 Автоматизированная оценка динамического состояния шлифовальных станков 74
3 Корректировка базы знаний при изготовлении колец подшипников и маршрута технологического процесса с учетом динамического состояния станков 80
3.1. Система планирования технологических процессов в условиях многономенклатурного производства с учетом данных системы мониторинга 81
3.1.1. Схема реализации технологического процесса колец подшипников с корректировкой базы знаний 81
3.1.2. Определение уровня корректировки технологического процесса 85
3.1.3. Корректировка маршрута технологического процесса колец подшипников с учетом данных системы мониторинга 90
3.2. Разработка базы данных по технологическим возможностям оборудования шлифовальной группы 94
4. Практическая реализация автоматизированной оценки динамического состояния шлифовальных станков и корректировки маршрута технологического процесса 98
4.1. Методическое обеспечение мониторинга и корректировки технологического процесса в условиях производства 98
4.2. Алгоритм корректировки технологического процесса на основе мониторинга динамического состояния шлифовального станка 106
Заключение 114
Список литературы 116
Приложения 1
- Анализ методов и средств оценки технического состояния шлифовального оборудования
- Моделирование процессов в технологической системе шлифовального станка
- Разработка базы данных по технологическим возможностям оборудования шлифовальной группы
- Алгоритм корректировки технологического процесса на основе мониторинга динамического состояния шлифовального станка
Введение к работе
Актуальность темы. В современных условиях подшипникового производства задача обеспечения требуемого качества, снижения трудоемкости и себестоимости изготовления деталей современного уровня предполагает развитие научных основ создания системы автоматизированного планирования гибких технологических процессов для многономенклатурного производства. Качество колец подшипников после операции шлифования, определяемое параметрами обработки, зависит от многих факторов, в том числе и от качества технологического процесса (111), надежность которого определяет техническое состояние шлифовальных станков.
Вопросом оценки технологической надежности металлорежущих станков занимались такие ученые, как А. С. Проников, В. Т. Портман, А. В. Пуш, Б. М. Бржозовский и ряд других. Вопрос повьппения качества принимаемых технологических решений в производственных системах механообработки исследовали В. И. Аверченков, Б. М. Базров, Н. М. Капустин, А. В. Королев и другие.
Однако в настоящее время в существующих методах создания ТП, ориентированных на глубокую формализацию проектных действий, обеспечивающих разработку ТП в условиях многономенклатурного производства, недостаточно полно отражена возможность формирования корректирующего воздействия в САПР ТП на основании учета данных о техническом состоянии оборудования.
В связи с этим актуальной задачей является разработка метода автоматизированной оценки технического состояния шлифовального оборудования по виброакустическим колебаниям, а также корректировка на основе полученных данных маршрута технологического процесса колец подшипников в системе механообработки.
Цель работы: повышение качества обработки колец подшипников на основе автоматизированной оценки технического состояния станков по динамическим характеристикам для оперативной корректировки процедур формирования техпроцесса механической обработки колец подшипников в системе автоматизированной технологической подготовки многономенк-латурного производства.
Методы и средства исследований направлены на обоснование алгоритма управления технологическим процессом обработки колец подшипников за счет учета текущего динамического состояния шлифовального оборудования. Теоретические исследования основаны на методах теории автоматического" управления и динамики станков, включая компьютерное моделирование динамической системы шлифовального станка, научных основ технологии машиностроения, САПР ТП. Обработка результатов осуществлялась с помощью программных продуктов Matlab 6.0 и Excel 2000. Экспериментальные исследования прппо/пгтпгггі і ппотпрцгтпги
~РОС НАЦИОНАЛ*"*а
А/
С.Петер|»рг^/ 1Л
і ' БИБЛИОТЕКА
ных условиях в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» с применением современных средств виброизмерения, контроля геометрических параметров колец, а также системы автоматизированного вихретокового контроля поверхностей качения. Научная новизна:
-
Разработан метод автоматизированной оценки динамического состояния шлифовального станка по уровню виброакустических (ВА) колебаний, контролируемых в информативных точках встроенными и внешними средствами, учитывающий оценки параметров качества деталей с формированием балльной оценки для передачи в систему мониторинга ТП.
-
Построена модель процессов в динамической системе станка в виде передаточной функции при условии воздействия силы резания с компонентом типа «белый шум», учитывающая колебательные процессы в шпиндельных узлах круга и детали, в том числе в подшипниках, что позволяет качественно обосновать влияние изменения дополнительных составляющих в спектре колебаний на общий уровень вибраций формообразующих узлов и динамическое состояние станка.
-
Разработана методика оперативной корректировки маршрута технологического процесса с учетом данных из системы мониторинга ТП о реальном динамическом состоянии станков, посредством взаимодействия базы данных по технологическому оборудованию и базы знаний системы планирования в САПР ТП механообработки.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Создано методическое обеспечение для автоматизированной оценки динамического состояния шлифовальных станков на основе контроля ВА колебаний формообразующей подсистемы станка и передачи данных в виде балльной оценки в систему мониторинга. Моделирование динамической системы станков позволяет качественно обосновать влияние дополнительных составляющих в спектре колебаний на общий уровень вибраций формообразующих узлов, и соответственно на динамическое состояние станков. Разработан алгоритм корректировки технологического маршрута изготовления колец подшипников, базирующийся на реальных данных о динамическом состоянии шлифовального оборудования. Разработано программное обеспечение для базы данных по технологическому оборудованию в среде MS ACCESS с использованием VBA, предназначенной для хранения информации о динамических характеристиках станков из системы мониторинга ТП. Внедрение автоматизированной оценки динамического состояния станков в систему мониторинга осуществлено в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» на станках мод. SWaAGL-50 и SIW-5. Корректировка маршрута технологического процесса обработки колец подшипников в системе планирования реализована с участием отдела главного технолога. Полученные в 2005 г. результаты позволили снизить число бракованных деталей с 17% до 10 %.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 6 конференциях, в том числе на: Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим и гуманитарным наукам (Москва, 2003), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004), на VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004), на XVIII международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005), Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2005), X Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (Пенза, 2005), а также на заседаниях кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2002-2005 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 148 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 146 страницах и содержит 48 рисунков, 12 таблиц.
Анализ методов и средств оценки технического состояния шлифовального оборудования
Современные технологии требуют непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса и контроля состояния оборудования [121, 142, 143].
Обеспечение технологической надежности особенно важно для автоматизированных металлорежущих станков (MPС). Все это связано с резким увеличением сложности МРС за счет оснащения их электронными системами управления и датчиками; необходимостью учета разнообразных стационарных и нестационарных силовых, тепловых и вибр о акустических воздействий, так как станок работает в автоматизированном режиме; сокращением сроков проектирования и изготовления, обусловленным ростом номенклатуры изделий для удовлетворения потребностей рынка, а также увеличением сменяемости изделий вследствие снижения сроков морального и физического износа.
Перспективное направление повышения надежности МРС основывается на разработке и внедрении системы контроля и диагностирования (СКД), создаваемых с применением высокоточных измерительных систем, эффективных алгоритмов и микропроцессорной техники [33, 67]. Применение классических методов технической диагностирования без соответствующей доработки и привязки к станкам неэффективно из-за специфики объекта.
Функционирование МРС обусловлено неопределенностью стохастического характера из-за действия ряда факторов как со стороны внешней среды, так и естественно протекающих внутри станка процессов различной скорости, что влияет на качество формообразования, особенно прецизионного [118]. Развитие и внедрение в МРС микропроцессорной и информационно- измерительной техники создало условия для реализации методов и средств автоматизированного управления точностью обработки как за счет контроля размеров деталей, так и за счет компенсации ряда внешних и внутренних возмущений, воздействующих на станок в процессе обработки (тепловые, вибрационные, износ инструмента и
ДР-) Для все более широко используемых в машиностроении и приборостроении прецизионных МРС наиболее актуальными являются вопросы обеспечения заданных точностных показателей в течение длительного промежутка времени. Поэтому для контроля и диагностирования станков во время обработки особый интерес представляет формообразующая система, включающая приводы подач, привод главного движения и режущий инструмент.
В последнее время автоматизированные металлообрабатывающие станки ведущих фирм США, Японии, ФРГ, Великобритании, Швейцарии, Италии и России оснащаются отдельными автоматическими контрольно-диагностическими устройствами с цифровой индикацией [116]. В таких станках предусматривается функциональный автоконтроль и тестовое авто диагностирование, что позволяет своевременно остановить станок или подать аварийный сигнал в случае возникновения отказов его механизмов.
Обзор литературы показал, что разработка универсальной системы кон троля и диагностирования (СКД) для различных моделей станка затруднительна в силу сложности выполняемых ее функций - автоматизированный контроль точности, определение работоспособности и поиск неисправностей [38]. Многие известные ученые занимались вопросом оценки технического состояния станков.
Система контроля и диагностики, предложенная А.В. Пушем [122], включает диагностику, идентификацию, прогнозирование и управление состоянием станочной системы на основе анализа информации и принятия решения. Управляющее решение может быть выбрано двумя способами. В первом случае фактическое состояние системы сравнивают с идеальным, определенным путем моделирования, во втором случае решение принимает экспертная система. Оценка технического состояния оборудования базируется на оперативном получении, накоплении, анализе информации, экстрополяции его результатов для принятия решения. Информация об изменении определяющих параметров формируется несколькими информационно- измерительными каналами. В частности для станков это могут быть каналы контроля вибраций, температуры, размеров деталей, сил резания и т. д. Важно, чтобы информация обрабатывалась на ЭВМ и оперативно принималось решение.
Исследования В.Л. Заковоротного [61] отражает более узкое представление оценки технического состояния оборудования, направленное на контроль процессов резания и базирующийся на анализе вибраций технологической системы при обработке.
В ряде работ Б.М. Бржозовского [87]также нашли отражение теоретические разработки и практические аспекты разработки мониторинга оборудования и техпроцесса с адаптивными свойствами по виброакустическим характеристикам которые показали эффективность для высокоточных автоматизированных станков.
Моделирование процессов в технологической системе шлифовального станка
Для проведения анализа динамической системы (ДС) станка необходимо построить ее математическую модель, под которой понимается передаточная функция (рис. 2.11).
Построение передаточной функции ДС позволяет представить входные и выходные величины и возмущающие воздействия, а также определить параметры, позволяющие оценить динамическое состояние станка.
Математическая модель врезного шлифования должна отражать взаимо связи сил резания и, регулирующих воздействий, учитывающих влияние на динамику процесса шлифования собственно процесса резания, износа шлифовального круга, ДС, а также «следов» обработки [7, 98]. ДС станка образуется совокупностью упругой системы и рабочих процессов в их взаимодействии.
Под математическим описанием понимается совокупность формул, графиков или таблиц качественно и количественно описывающих статические и динамические связи между переменными величинами, которые используются в процессе управления. Причём объекты управления могут быть описаны в динамике дифференциальными уравнениями, или кривыми изменения выходной величины при возмущающем воздействии входной величины (импульсными переходными функциями), или частотными характеристиками [56].
В процессе шлифования под действием сил резания происходит упругая деформация динамической системы станка, в результате которой круг и заготовка отжимаются друг от друга, и происходит нарушение требуемой формы и размера заготовки. Смещение и величина волнистости зависит от динамической податливости станка. Одна из составляющих - контактные деформации, обусловленные наличием зазоров в стыках сопрягаемых деталей стайка. Другая -собственно упругие деформации динамической системы, определяются жесткостью узлов станка, приспособления и обрабатываемого изделия, а также габаритами и свойствами шлифовального круга. Погрешность профиля поверхности детали может быть представлена суперпозицией постоянной составляющей погрешности и ее отдельных гармоник, что создает предпосылки идентификации отдельных гармоник вибросмещений с гармониками профиля поверхности детали для прогнозирования точности обработки.
Врезное шлифования во многих случаях характеризуются постоянством режущей способности шлифовального круга (креж const). Сюда относятся процессы, осуществляемые на внутришлифовальных и круглошлифовальных станках, работающих с полностью или частично самозатачивающимися кругами, а также процессы с периодическими правками круга за каждый цикл обработки изделия. Поскольку для этих процессов существует однозначная и линейная связь между силой резания и скоростью съема металла v,t= kpejKFy, то последняя может быть принята за выходную (регулируемую) переменную объекта.
Величина упругой деформации может изменять свой знак: при движении поперечного суппорта шлифовального круга на обрабатываемые изделия она условно положительна, а при обратном движении суппорта или при заторможенном суппорте - условно отрицательна.
За регулирующее воздействие на процесс шлифования примем скорость суппорта поперечной подачи шлифовального круга Vc , а за выходную переменную объекта - радиальную составляющую силы резания Fy.
Разработка базы данных по технологическим возможностям оборудования шлифовальной группы
На всех этапах обработки деталей подшипников предъявляются высокие требования к геометрическим и физико-механическим свойствам рабочих поверхностей и, соответственно, к состоянию технологического оборудования. Эффективность разрабатываемых ТП в значительной мере зависит от оперативности и достоверности результатов мониторинга состояния технологического оборудования.
Систематизация накопленных результатов мониторинга динамического состояния станков позволяет оценивать текущее техническое состояния оборудования и давать рекомендации по предупредительно-плановому ремонту, а также корректировать маршрут ТП., путем обновления данных базы знаний.
Для хранения информации используется организованная структура - база данных по технологическому оборудованию БДТО.
Данными по оборудованию являются: модель и номер станка, вид операции, общий уровень ВА колебаний на опоре кольца, балльная оценка, некруг-лость, волнистость, квалитет (рис. 3.9).
Присвоение каждому станку каждой группы оборудования балльной оценки позволяет сделать выборку станков, технические характеристики которых позволят достигнуть заданного качества обработки детали, а также отправить запрос, алгоритм которого описан в главе 4, на обновление базы знаний.
По результатам исследований представленных в данной главе, можно сформулировать следующие выводы: 1. Проведен анализ системы планирования технологического процесса механообрабатывающих производств на предмет разработки объектно-связного подхода к проектированию базы данных 2. Предложена структура организации процесса разработки ТП, показывающая процесс создания ТП, как системы, объединяющей проектирование и реализацию технологии с учетом использования данных об изменении динамического состояния станков из базы данных. 3. Обоснован принцип взаимодействия базы данных по технологическому оборудованию и базы знаний системы планирования при организации информационного обеспечения системы планирования технологического процесса 4. Решена задача корректировки маршрута технологического процесса в результате изменения динамического состояния оборудования и предложена схема изменения принятия решений в процессе выполнения производственной системой задания по изготовлению деталей 5. Разработана база данных (БДТО), предназначенная для хранения информации о динамических характеристиках технологического оборудования в среде MS ACCESS с использованием VBA и сетевого доступа к данным, предназначенная для анализа и обработки данных с SQL сервера.
Алгоритм корректировки технологического процесса на основе мониторинга динамического состояния шлифовального станка
Рассмотрим подробно алгоритм корректировки базы технологических знаний системы планирования многоменклатурного производства, методические основы которого разработаны в п. 3.1.1 (рис 4.3.) [107].
Как уже отмечалось в главе 2, оценка динамического состояния шлифовального станка производится посредством фиксирования вибро акустических колебаний опоры кольца и оценки качества обработки колец подшипников (шероховатость, волнистость, некруглость).
В БДТО необходимо передавать или заносить характеристики обработанной поверхности детали. Данные, хранящиеся в базе данных, и вновь поступающие анализируются, и по необходимости передаются в базу знаний по технологическому оборудованию в системе планирования. В этом и заключается сущность оперативности. Процесс корректировки маршрута ТП производится следующим образом.
При выявлении изменений динамических характеристик станка (например, вибрация на опоре кольца выше номинальной, установленной обучающим экспериментом), и как следствие, изменение (ухудшение) качества обработки поверхности деталей - неоднородности поверхностного слоя, волнистости запрашивается данные по этому станку из базы знаний, так как в дальнейшем именно их нужно будет обновить.
Заданные параметры - макро- и микрогеометрические, физико-механические, квалитет по каждой поверхности, содержатся в базе знаний в подсистеме детали. Так как уже сформированы кортежи со станками, способными обеспечить заданное качество обработки для каждой из поверхностей, необходимо отсеять варианты с участием выявленных станков с ухудшившимися характеристиками. Поэтому из БДТО формируется запрос с перечнем станков, которые не могут обеспечить заданные параметры.
Особым моментом в этом запросе является информация о балле станка (согласно таблице 2.4.), который характеризует его работоспособность.
Далее процедура обработки обеспечивает связь БДТО через запрос с базой знаний, а именно с таблицей Etransition (поля latheid, codeoutputsurface, outputtolerance). Таким образом информация в базе знаний на программном уровне обновляется, и в случае, если произошло улучшение, в поле Enable, таблицы Etransition ставится галочка, в противном случае - галочка снимается. Наличие галочки в указанном поле свидетельствует о том, что данная запись БЗ (другими словами данный станок) будет участвовать в проектировании технологического процесса.
Как отмечено в п. 3.1.2, целесообразней является заявка в результате которой будет произведен отсев полученных последовательностей кортежей технологических переходов, нежели обработка заявки на начало нового проектирования ТП, так как последнее занимает больше времени.
Данные об исследованных круглошлифовальных станков SWaAGL-50 №230 и №437 приведены в таблице 4.1.
Материал обрабатываемых колец - сталь ШХ-15. Материал круга 25А10НСМ2. Применяемая СОЖ - водный раствор триэтаноламина (1%) и нитрита натрия (1%). Время обработки - 20 с. Подача круга при окончательном шлифовании: черновая - 0,3 мм/об., чистовая 0,1 мм/об. Сравнительный анализ динамических характеристик станков №230 и №437 показал, что без резания общий уровень вибрации ОУВ составляет на ШУ круга 1200 усл. ед. и 620 усл. ед., на ШУ детали 500 усл. ед. и 360 усл. ед. соответственно, а на опоре кольца - 680 усл. ед. и 280 усл. ед. При этом уровень виброускорений на октавном фильтре 31 Гц (частота вращения шпинделя круга) у станка №230 составляет 45 усл. ед., что в два раза превышает аналогичные данные для станка №437 (85 усл. ед.). Согласно главе 2, балльная оценка станка №437 составляет 4, а №230 - 5 баллов (рис. 4.4).
Указанное отражается на точности формы поверхности качения. В выборке из пяти обработанных колец на станке №437 значение некруглости были 1,22...1,98 мкм, волнистости 1,61. ..2,37 мкм, качество поверхности, определяемое вихретоковым способом составляет 6 баллов, т.е. без видимых нарушений поверхностного слоя.
Аналогичные данные для станка №230 следующие: некруглость -1,07...1,22 мкм, волнистость - 1,05..Л,86, качество поверхности - 8 баллов (рис. 4.5).
Количество вариантов схем обработки зависит от однородности технологической оснастки, от совпадения технологических баз в объединенных технологических переходах, от количества оборудования, которое может обеспечить заданное качество обработки. Например, для поверхности 2 в первом варианте обработки (код поверхности 9321) окончательную обработку предлагается осуществлять на станке SWaAGL-50 №437, балльная оценка которого - 4. Второй вариант предполагает окончательную обработку осуществлять на станке SWaAGL-5 №230, балльная оценка которого 5 баллов
Разработанная программа построена по архитектуре клиент-сервер. На стороне клиента находится средства обработки данных (в рамках архитектуры приложений этот клиент называется интеллектуальным, поскольку включает в себя средства обработки информации и средства ее представления пользователю), а на стороне сервера размещаются база данных информационной системы. Клиентское приложение - база данных по технологическому оборудованию разработано в среде MS ACCESS с использованием VBA. В качестве сервера выступает СУБД Microsoft SQL Server 2000. Для централизованного хранения данных, полученных на рабочих станциях контроля, необходим сервер баз данных: ПК типа IBM PC/AT, с процессором Pentium 1000 МГц, объемом оперативной памяти 1 Гб (рис. 4.7.).
