Введение к работе
Актуальность темы: Современные предприятия машино- и приборостроительного комплекса требуют роста производительности технологических операций, который возможен за счет использования методов высокоскоростной обработки (ВСО) деталей, относящейся к наиболее прогрессивным и быстро развивающимся технологиям, применяемым на обрабатывающем оборудовании. В настоящее время промышленность ведущих стран мира использует технологию ВСО для обработки деталей на скоростях 1000…7500 об/мин. При этом одним из основных показателей качества ВСО, от которого зависят эксплуатационные характеристики выпускаемого изделия, является точность обработанных поверхностей. Под точностью понимается степень соответствия полученного размера эталонному. Для её обеспечения используются следующие методы: обработка деталей по разметке с использованием пробных проходов; автоматическая обработка с настройкой режущего инструмента на заданный размер; автоматическая обработка на оборудовании с ЧПУ. Однако с увеличением скоростных параметров режимов обработки наблюдается и рост температурных деформаций, вызывающих нежелательное перемещение исполнительных механизмов прецизионного оборудования с ЧПУ до 90 мкм. Это приводит к искажению геометрической формы готовой детали в продольном и поперечном направлении и ведет к снижению точности механической обработки изделий.
Снижение температурных деформаций и повышение точности при механической обработке деталей возможно путем оснащения станков современными системами компенсации температурных погрешностей, которые базируются на подходах абсолютной и относительной стабилизации. При этом компенсация тепловых погрешностей в зависимости от способа получения данных из зоны резания осуществляется двумя альтернативными подходами, основанными на анализах априорной информации и текущих данных, полученных от систем активного контроля. При использовании первого подхода температурная составляющая погрешности вводится в устройство коррекции обрабатывающего оборудования, что не позволяет учитывать систематическую погрешность при ВСО. Второй подход основан на обработке текущих данных, получаемых от активной системы контроля оборудования, что позволяет не только компенсировать систематическую погрешность, но также и её случайную составляющую. Однако необходимость установки специализированных измерительных устройств на станке усложняет его конструкцию и приводит к значительному увеличению стоимости станка (до 50% от базовой цены), а расчет температурной погрешности, основанный на эмпирических формулах не учитывает неопределенность характеристик процесса механической обработки изделий.
В связи с этим перспективным подходом для обеспечения ВСО с учётом термодеформационного состояния обрабатывающего оборудования является математический аппарат нечеткой логики, позволяющий формализовать динамический режим варьирования температурной составляющей погрешности, учесть неопределенность параметров, что в конечном итоге повысит точность обработанных поверхностей заготовок.
Цель диссертационной работы: повышение точности механической обработки изделий на основе создания автоматизированной системы нечетко-логического управления исполнительными механизмами обрабатывающего оборудования.
Диссертационная работа выполнена в рамках фундаментальных исследований с госбюджетным финансированием по гранту Президента РФ МК-470.2009.8 «Теоретические основы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами на основе нечеткой логики», а также хозяйственного договора № 1.203.09Ф.
Актуальной научно-технической задачей является разработка автоматизированной системы с нечетко-логическим управлением исполнительными механизмами обрабатывающего оборудования на основе создания модели, методов оценки, коррекции и прогнозирования ее термодеформационного состояния.
Эта задача декомпозирована на следующие частные задачи:
1. Анализ состояния вопроса систем управления технологическим процессом механической обработки изделий и определение путей повышения точности механической обработки изделий.
2. Разработать математическую модель нечетко-логического управления термодеформационным состоянием обрабатывающего оборудования.
3. Разработать метод нечетко-логического управления коррекции параметров режима резания на основе прогнозирования термодеформационного состояния станка.
4. Синтез структурно-функциональной организации аппаратно-программного комплекса автоматизированной системы нечеткого управления и его экспериментальную оценку.
Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель управления исполнительными механизмами обрабатывающего оборудования, отличающаяся нечетко-логическим описанием данных о термодеформационном состоянии оборудования, процессов коррекции и прогнозирования, позволяющая адекватно отображать его динамические режимы;
метод управления и коррекции параметров режима резания, позволяющий повысить точность обработки изделий, особенностью которого является нечетко-логическая обработка данных термодеформационного состояния станка, включающий этапы: корреляционно-регрессионного анализа, прогнозирования, коррекции математической модели управления исполнительными механизмами;
cтруктурно-функциональная организация автоматизированной системы нечеткого управления, особенностью которой является введение блока измерения, блока коррекции, блока прогнозирования термодеформационного состояния станка и связей между ними, позволяющая создать аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий повышение точности механической обработки изделий.
Методы исследования. В работе использованы методы теории автоматического управления, нечеткой логики и множеств, аппарат матричной алгебры, теоретические положения современной технологии машиностроения, а также методы вычислительной математики и математической статистики.
Практическая ценность работы:
1. Разработанная математическая модель управления исполнительными механизмами обрабатывающего оборудования может быть использована при создании прецизионного оборудования, систем автоматизации технологических процессов для повышения точности механической обработки изделий в режиме ВСО.
2. Разработанный метод управления и коррекции параметров режима резания позволяет повысить точность обработки изделий и обеспечивает управление термодеформационным состоянием обрабатывающего оборудования (защищен патентом РФ № 2458773).
3. Созданный аппаратно-программный комплекс нечетко-логического управления, позволяет реализовать управление исполнительными механизмами обрабатывающего оборудования, обеспечивает коррекцию автоматизированной системы нечеткого управления к влиянию температурных деформаций и тем самым повышение точности механической обработки изделий (защищен патентами РФ №№, 2397058, 2386519, 2381888).
Реализация и внедрение:
Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в ОХП ОКБ «Авиаавтоматика» и ОАО «Курская птицефабрика» при разработке в экспериментальном порядке автоматизированной системы нечеткого управления термодеформационным состоянием обрабатывающего оборудования, а также используются в учебном процессе кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета в рамках дисциплин «Интеллектуальные системы» и «Современные проблемы информатики и вычислительной техники», что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует п.14 «Теоретические основы, методы и алгоритмы диагностирования, (определения работоспособности, поиск неисправностей и прогнозирования) АСУТП, АСУП, АСТПП и др.» паспорта специальности 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процесса и производствами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 13 международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Молодежь и XXI век» (Курск, 2008), «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов. Распознавание» (Курск, 2008, 2010), «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2008, 2010), «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы. Диагностика» (Курск, 2009), «Медико-экологические информационные технологии – 2009» (Курск, 2009), «Интеллект» (Тула, 2009, 2011), «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009), «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2011), «Системы, методы, техника и технологии обработки медиаконтента» (Москва, 2011), «Автоматизация и энергосбережение машино-строительного и металлургического производств» (Вологда, 2012), а также на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета (КурскГТУ) с 2008 по 2012 гг.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 20 научных трудах, их них 3 статьи в рецензируемых научных журналах, 4 патента Российской Федерации на изобретение.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, вклад соискателя состоит в следующем: в [2, 3, 8, 10, 13] разработана автоматизированная система нечеткого управления и прогнозирования термодеформационного состояния станка, в [5, 12, 14, 16] – метод управления и коррекции параметров режима резания, в [4, 1, 6, 7, 9, 11, 15] – структурные схемы, модели и алгоритмы функционирования автоматизированной системы с нечетким управлением.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 120 наименований и приложения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 15 таблиц.
