Содержание к диссертации
Введение
1. Технологическая эффективность обработки на станках с программным управлением. Состояние вопроса 13
1.1 Проблемы обеспечения размерной точности обработки в современном механообрабатывающем производстве при выработке эксплуатационного ресурса и износе станков с ЧПУ 13
1.2 Проблемы оптимизации процесса резания, критерии оптимальности, системы и параметры регулирования, управление обработкой на токарных станках с ЧПУ 15
1.3 Системы программного управления, информационно измерительные системы и их эффективность при обработке на станках с ЧПУ 20
1.4 Проблемы и состояние вопроса 25
2 Разработка моделей и методик оценки параметров, частных и обобщенных критериев качества процесса обработки деталей на оборудовании с ЧПУ в условиях неопределенности 28
2.1 Методики математической формализации неопределенных параметров системы управления процессом обработки деталей на оборудовании с ЧПУ 28
2.2 Разработка математической модели компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств 36
2.2.1 Система настройки инструмента 40
2.2.2 Система настройки оборудования 43
2.2.3 Система управления 48
2.2.3.1 Нечеткая модель системы управления 49
2.2.3.2 Четкая модель системы управления 52
2.3 Анализ математической модели объекта производства - детали 53
2.4 Построение математической модели детали 57
2.5 Структурное многомерное описание детали 64
2.6 Построение многомерной математической модели детали с помощью контуров 67
2.7 Выводы 71
3. Разработка автоматизированной системы управления процессом обработки деталей 72
3.1 Анализ возмущающих воздействий, воздействующих на технологический процесс обработки деталей 72
3.2 Определение параметра оптимизации возмущающих воздействий 77
3.3 Алгоритм самопрограммирования режимов резания процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ 79
3.4 Методика управления точностью процесса обработки деталей и схема аппаратно-программного комплекса управления процессом обработки деталей на токарном станке с ЧПУ 80
3.5 Выводы 82
4. Экспериментальные исследования автоматизированной системы управления процессом обработки деталей 83
4.1 Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний автоматизированной системы контроля и управления процессом обработки деталей и методика их проведения 84
4.2 Теоретические и экспериментальные характеристики системы контроля и управления процессом высокоточной обработки деталей 97
4.2.1 Анализ процесса обработки деталей ...97
4.2.2 Корреляционный анализ процесса обработки деталей 106
4.3 Выводы 112
Заключение 113
Перечень используемых источников 114
Приложение А Акты внедрения результатов работы 124
Приложение Б Код программы реализующей методики определения пара метров процесса обработки деталей на токарном станке с ЧПУ 126
- Проблемы обеспечения размерной точности обработки в современном механообрабатывающем производстве при выработке эксплуатационного ресурса и износе станков с ЧПУ
- Методики математической формализации неопределенных параметров системы управления процессом обработки деталей на оборудовании с ЧПУ
- Анализ возмущающих воздействий, воздействующих на технологический процесс обработки деталей
- Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний автоматизированной системы контроля и управления процессом обработки деталей и методика их проведения
Введение к работе
Проблема качества является важнейшим фактором повышения уровня жизни, экономической, социальной и экологической безопасности. Качество -комплексное понятие, характеризующее эффективность всех сторон деятельности: разработка стратегии, организация производства, маркетинг и др. Важнейшей составляющей всей системы качества является качество продукции. В современной литературе и практике существуют различные трактовки понятия качество. Международная организация по стандартизации определяет качество (стандарт ИСО-8402) как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Этот стандарт ввел такие понятия, как "обеспечение качества", "управление качеством", "спираль качества". Требования к качеству на международном уровне определены стандартами ИСО серии 9000. Первая редакция международных стандартов ИСО серии 9000 вышла в конце 80-х годов и ознаменовала выход международной стандартизации на качественно новый уровень. Эти стандарты вторглись непосредственно в производственные процессы, сферу управления и установили четкие требования к системам обеспечения качества. Они положили начало сертификации систем качества. Возникло самостоятельное направление менеджмента - менеджмент качества. В настоящее время ученые и практики за рубежом связывают современные методы менеджмента качества с методологией TQM (total quality management) - всеобщим (всеохватывающим, тотальным) менеджментом качества[10].
Стандарты ИСО серии 9000 установили единый, признанный в мире подход к договорным условиям по оценке систем качества и одновременно регламентировали отношения между производителями и потребителями продукции.
Понятие качества формировалось под воздействием историко-производственных обстоятельств. Это обусловлено тем, что каждое общественное производство имело свои объективные требования к качеству продукции. На первых порах крупного промышленного производства проверка качества пред- полагала определение точности и прочности (точность размеров, прочность ткани и т. п.).
Повышение сложности изделий привело к увеличению числа оцениваемых свойств. Центр тяжести сместился к комплексной проверке функциональных способностей изделия. В условиях массового производства качество стало рассматриваться не с позиций отдельного экземпляра, а с позиций стандарта качества всех производимых в массовом производстве изделий.
С развитием научно-технического прогресса, следствием которого стала автоматизация производства, появились автоматические устройства для управления сложным оборудованием и другими системами. Возникло понятие "надежность". Таким образом, понятие качества постоянно развивалось и уточнялось. В связи с необходимостью контроля качества были разработаны методы сбора, обработки и анализа информации о качестве. Фирмы, функционировавшие в условиях рыночной экономики, стремились организовать наблюдения за качеством в процессе производства и потребления. Упор был сделан на преду-J преждение дефектов.
В литературе понятие качества трактуется по-разному. Однако основное : различие в понятиях качества лежит между его пониманием в условиях командно-административной и рыночной экономики.
В командно-административной экономике качество трактуется с позиции производителя. В рыночной экономике качество рассматривается с позиции потребителя.
Качество изделия может проявляться в процессе потребления.
Понятие качества продукта с позиций его соответствия требованиям потребителя сложилось именно в условиях рыночной экономики.
Идея такого подхода к определению качества продукции принадлежит голландскими ученым Дж. Ван Этингеру и Дж. Ситтигу. Ими разработана специальная область науки квалиметрия. Квалиметрия - наука о способах измерения и квантификации показателей качества. Квалиметрия позволяет давать количественные оценки качественным характеристикам товара. Квалиметрия ис- ходит из того, что качество зависти от большого числа свойств рассматриваемого продукта. Для того чтобы судить о качестве продукта недостаточно только данных о его свойствах. Нужно учитывать и условия, в которых продукт будет использован. По мнению Дж. Ван Этингера и Дж. Ситтига, качество может быть выражено цифровыми значениями, если потребитель в состоянии группировать свойства в порядке их важности. Они считали, что качество - величина измеримая и, следовательно, несоответствие продукта предъявляемым к нему требованиям может быть выражено через какую-либо постоянную меру, которой обычно являются деньги[10].
Вместе с тем нельзя рассматривать качество изолированно с позиций производителя и потребителя. Без обеспечения технико-эксплуатационных, эксплуатационных и других параметров качества, записанных в технических условиях (ТУ) не может быть осуществлена сертификация продукции.
Разнообразные физические свойства, важные для оценки качества, сконцентрированы в потребительной стоимости. Важными свойствами для оценки качества являются: технический уровень, который отражает материализацию в продукции научно-технических достижений; эстетический уровень, который характеризуется комплексом свойств, связанных с эстетическими ощущениями и взглядами; эксплуатационный уровень, связанный с технической стороной использования продукции (уход за изделием, ремонт и т. п.); техническое качество, предполагающее гармоничную увязку предполагаемых и фактических потребительных свойств в эксплуатации изделия (функциональная точность, надежность, длительность срока службы).
Преобладающая часть современного мирового производства представлена производством товаров. Поэтому то или иное изготавливаемое изделие воплощает в себе как потребительную стоимость, так и стоимость.
Следовательно, качество является комплексным понятием, отражающим эффективность всех сторон деятельности фирмы.
Понятие качества неоднократно обсуждалось научной общественностью и практиками. Большую роль в формировании современного представления о качестве сыграла Академия проблем качества Российской Федерации.
В результате деятельности Академии проблем качества сформировалось концептуальное видение качества как одной из фундаментальных категорий, определяющих образ жизни, социальную и экономическую основу для успешного развития человека и общества. Такое видение качества представляется достаточно емким и более четко определяет значение повышения качества[11].
Значение повышения качества достаточно многообразно. Решение этой проблемы на микроуровне важно и для экономики в целом, т, к. позволит установить новые и прогрессивные пропорции между ее отраслями и внутри отраслей.
Большой вклад в разработку теории управления качеством внесли зарубежные и отечественные ученые. Работы русских ученых П. Л. Чебышева и А. М. Ляпунова являются теоретической основой выборочного контроля качества. Большой вклад в разработку применяемых в настоящее время систем управления качеством внесли отечественные ученые И. Г. Венецкий, А. М. Длин, американские ученые У. А. Шухарт, Э. Дэминг, А. Фейгенбаум[11].
Современное управление качеством исходит из того, что деятельность по управлению качеством не может быть эффективной после того, как продукция произведена, эта деятельность должна осуществляться в ходе производства продукции. Важна также деятельность по обеспечению качества, которая предшествует процессу производства.
Качество определяется действием многих случайных, местных и субъективных факторов. Для предупреждения влияния этих факторов на уровень качества необходима система управления качеством. При этом нужны не отдельные разрозненные и эпизодические усилия, а совокупность мер постоянного воздействия на процесс создания продукта с целью поддержания соответствующего уровня качества.
Повышение эффективности производства и качества продукции в машино-и приборостроении является одной из главных задач. Одна из актуальнейших проблем в условиях развивающейся комплексной автоматизации производства -достижение определенного качества обрабатываемой детали[1]. Качество детали зависит от фактической точности их изготовления, поэтому далее под качеством обработки деталей мы будем подразумевать точность обработки деталей на оборудовании с ЧПУ. Тогда для обеспечения качественной обработки деталей необходимо обеспечить высокую точность обработки деталей, т.е. чтобы размеры обработанных поверхностей не выходили за пределы поля допуска на размер по чертежу и были близки к центру поля допуска. Этого можно достичь только при условии, если качество деталей будет обеспечиваться самим технологическим процессом. Этот метод повышения качества продукции является самым эффективным.
Одной из наиболее характерных тенденций автоматизации современного производства является применение средств вычислительной техники для управления технологическими процессами на всех иерархических уровнях, обеспечивающих гибкость производства, высокую надежность управляющих систем, позволяет полнее реализовать потенциальные возможности прогрессивных наукоемких технологий.
Но среди многообразия средств автоматизации не все автоматизированные систему управления позволяют обеспечить необходимую точность обработки деталей. Даже в такой области традиционного применения автоматизированных систем управления, как управление технологическими процессами и автоматизированный контроль качества деталей машино- и приборостроения, не решена до конца задача выбора оптимальных параметров управления технологическим процессом. Кроме того, и в ходе любого технологического процесса возникает задача компенсации воздействия внешних возмущений на объект управления, влияющих на точность выпускаемой продукции.
Обработка на металлорежущих станках протекает при непрерывном изменении внешних условий и параметров динамической системы станка. Описания процессов, происходящих при обработке, получены либо теоретически при использовании соответствующих допущений, либо эмпирически на основании статистической обработки результатов экспериментов для наиболее типичных случаев. Эти зависимости не учитывают всего многообразия факторов, действующих в реальных условиях в каждый данный момент времени.
Наличие жесткой программы, предписывающей исполнение фиксированных траекторий и режимов резания, зачастую ведет к снижению производительности, так как при программировании не могут быть учтены особенности обработки каждой детали и расчет ведется по среднестатистическим данным, причем исходные граничные условия должны выбираться по наихудшим вариантам. Нередки случаи, когда запрограммированная технология (режимы резания и траектория перемещения инструмента) оказывается непригодной, например, из-за плохого схода стружки; при этом неизбежны переделки программы. Эти недостатки не исключаются даже при использовании систем с ЧПУ.
Чтобы преодолеть эти недостатки необходимо наличие системы управления, которая позволит оптимизировать процесс обработки каждой детали благодаря использованию текущей информации по параметрам, определяющим условия и качество процесса резания. Данную информацию можно получать с помощью датчиков обратной связи в ходе процесса резания. Также система управления должна иметь блок самопрограммирования режимов резания, т.е. блок назначения оптимальных режимов резания при вариации условий обработки в самых широких пределах, что позволит улучшить процесс обработки деталей.
Задачу построения такой системы управления можно определить как задачу самопрограммирования с оптимизацией обработки и ее решение возможно на основе методов адаптивного управления, где блок самопрограммирования режимов резания может быть эффективно реализован с привлечением математических методов теории нечетких множеств. Нечеткие методы можно применять совместно с традиционными алгоритмами управления, используя наилучшие черты различных подходов.
Исходя из выше сказанного, можно утверждать, что задача создания подобной системы управления технологическим процессом обработки деталей представляется актуальной.
Предметом исследования данной работы является повышение качества обработки деталей на оборудовании с ЧПУ по параметру точности на основе адаптивных методов, а так же технологические процессы обработки деталей на оборудовании с ЧПУ и программное обеспечение АСУ этих процессов.
Целью настоящей работы является повышение качества обработки деталей машино- и приборостроения на станках с ЧПУ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Разработать математическую модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств.
Разработать алгоритм самопрограммирования режимов резания и методику управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ. >
Разработать аппаратно-программный комплекс управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.
Оценить эффективность разработанного аппаратно-программного комплекса управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.
Методы исследования: Решение поставленных в диссертационной работе задач основано на использовании методов математического моделирования, нечетких множеств, имитационного моделирования, системного анализа, теории автоматического управления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств.
Разработан алгоритм и методика управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ, позволяющие с помощью математических методов теории нечетких множеств корректировать режимы резания с целью повышения точности обработки деталей.
Проведен анализ возмущающих воздействий влияющих на точность обработки деталей при управлении процессом на основе оборудования с ЧПУ, построен вектор возмущающих воздействий и целевая функция с целью компенсации возмущающих воздействий путем изменения параметров режима резания.
Разработан программно-аппаратный комплекс для управления процессом обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.
Практическая значимость заключается в разработке аппаратно-программного комплекса для повьпиения эффективности процессов обработки на станках с ЧПУ, в основу которых положены: математическая модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств; алгоритм и методика управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ, позволяющие с помощью математических методов теории нечетких множеств корректировать режимы резания с целью повышения точности обработки деталей; - технологически ориентированный аппаратно-програмный комплекс управления процессом обработки на станках с ЧПУ, оригинальные программные продукты для управления станками, а также разработанный интерфейс оператора станков, оснащаемых системами программного управления типа НЦ.
Результаты диссертационной работы и разработанный аппаратно-программный комплекс управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ внедрены на предприятии ПО "Стрела" города Оренбурга и данный факт подтвержден актом о внедрении № 150/1251 от 11.04.2006г.
Также получено свидетельство регистрации разработанной программной системы "ПКОД" № 151 в университетском фонде алгоритмов и программ выданное 17.04.06.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ОГУ (Оренбург, 2003, 2004, 2005); на конференции молодых специалистов ПО "Стрела" (Оренбург, 2004); на конференции 2005 г. Пенза; на всероссийской научно-практической конференции (Оренбург, 2006). Основные положения и результаты диссертационной работы были опубликованы в журнале "Вестник Оренбургского государственного университета" № 12.
Положения, выносимые на защиту:
Математическая модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ построенная с привлечением математических методов теории нечетких множеств.
Алгоритм самопрограммирования режимов резания процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ, обеспечивающий повышение точности обработки деталей за счет определения и коррекции параметров режима резания, основанный на математических методах теории нечетких множеств.
Методика, позволяющая с помощью разработанных алгоритмов самопрограммирования режимов резания управлять точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.
4. Аппаратно-программный комплекс управления процессом обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня использованных источников из 114 наименований. Работа выполнена на 137 страницах, в том числе 34 рисунка и 15 таблиц.
Проблемы обеспечения размерной точности обработки в современном механообрабатывающем производстве при выработке эксплуатационного ресурса и износе станков с ЧПУ
В связи с переходом на рыночные условия экономики, обусловившим спад объемов производства в машиностроении, а также в связи с отсутствием финансовых ресурсов для технологического переоснащения производства парк отечественного металлообрабатывающего оборудования в последние годы практически не обновляется.
В создавшихся условиях, по данным ряда региональных исследований, к настоящему времени износ основных производственных фондов доходит до 80%, а изношенность металлообрабатывающих станков и, в частности, наиболее эффективных в производстве станков с ЧПУ на предприятиях машиностроения превышает 70%. При этом выборочная диагностика их состояния указывает на прогрессирующую динамику снижения производственной точности по параметрам обеспечения жесткости и виброустойчивости технологических систем (ТС), износу направляющих станков, шпиндельных узлов, инструментальных головок, суппортов и др., что на практике предопределяет перенос погрешностей технологического оборудования на изготавливаемые изделия, а также превышение допустимых отклонений формы и пространственного расположения поверхностей деталей в процессе их формообразования. Имеющая место негативная тенденция снижения производственной точности станков обусловлена в первую очередь износом основных узлов и рабочих поверхностей станков, который проявляется в виде люфтов в подвижных стыках, вызывающих переориентацию элементов ТС в процессе обработки.
У токарных станков с ЧПУ, имеющих срок эксплуатации более пяти лет, среднее значение статической жесткости по сравнению с новыми станками снижается в 1,5 - 3,2 раза[1]. По данным А.С. Кондратова [33], снижение жесткости станков служит одной из основных причин возникновения вибраций в ТС, и помимо ухудшения качества обработки ведет к изменению стойкости режущего инструмента, как правило, в сторону уменьшения, а также к увеличению вероятности его поломки.
При обработке на токарных станках с ЧПУ имеют место частые отказы инструмента, которые доходят до 45-50%, что является основным препятствием для интенсификации режимов резания, приводя к снижению производительности, размерной точности обработки, повышенным потерям по браку и инструментальным расходам, причем стоимость технологических потерь, связанных с простоями дорогостоящего оборудования с ЧПУ зачастую значительно превышает собственно инструментальные расходы [2,3].
Вопросам повышения эффективности обработки металлов резанием и использования режущего инструмента посвящены фундаментальные работы: Б.С. Ба-лакшина, А.С. Верещаки, Г.И. Грановского, В.А. Гречишникова, Ю.Н. Жукова, Ю.Г. Кабалдина, B.C. Кушнера, В.А. Остафьева, СИ. Петрушина, А.И. Промпто-ва, О.А. Розенберга, В.К. Старкова, И.П. Третьякова, В.Г. Шаламова, Ю.С. Шарина и других ученых.
Режущему инструменту, в том числе с покрытием, посвятили монографии В.Н. Андреев, Е.В. Артамонов, П.А. Усачев, Г.В. Филипов и др. Проблем прочности и работоспособности режущего инструмента посвятили свои работы также А.М.Даниелян, МДКиффер, Г.С.Креймер, С.И.Тахман и др.
Необходимость повышения размерной точности и качества обработки обусловливает целесообразность использования управления процессами резания, позволяющего его оптимизировать, повысить технологическую эффективность металлообработки на станках с ЧПУ [4,6,7,8,9,34,41].
Основой теоретических и практических разработок при решении задач оптимизации и управления обработкой являются труды Л.С. Мурашкина, А.К.Мартынова, Г.Л. Куфарева, В.К. Старкова, А.Г. Суслова, B.C. Мухина, В.Э. Рыжова, В.А. Красильникова, B.C. Кушнера, A.M. Сулимы, Е.М. Трента, М.Е. Мерчанта и др. При этом для управления в технологических системах информационными и материальными потоками предложено использовать методы теории массового обслуживания, основные положения и математический аппарат которых разработаны Е.С. Вентцель, Б.В. Гнеденко, Г.А. Ивницким, ГЛ. Климовым, И.Н. Коваленко, А.Н. Колмогоровым, ТЛ. Мартьяновичем, Л.А. Овчаровым, Т.Л. Саати, А.Я. Хинчиным.
Эффективное управление процессами механообработки и их оптимизация принципиально могут быть реализованы на основе использования моделей процесса резания, разработанных В.А. Кудиновым, СИ. Петрушиным, B.C. Куш-нером, С. By, Д. Керроллом, В.К. Старковым и др.
В соответствии с ними наиболее эффективное, т.е. оптимальное управление режимом резания и нагружения инструмента при точении деталей в общем случае сводится к определению скорости резания V и величины подачи на оборот S, при которых изображающая точка в фазовом пространстве (V, S, tp, t) обеспечивает максимум функционалу: где Г - период стойкости инструмента, мин; tp - глубина резания, мм; trM - время простоя станка и при смене инструмента, мин; t - текущее время, мин.
Авторы, принимая скорость резания V и подачу S в качестве управляющих воздействий, глубину резания t в качестве возмущающего воздействия, а стойкость Т в качестве налагаемого ограничения и считая, что перечисленные параметры в разных сочетаниях могут быть постоянными и переменными, получают двенадцать вариантов показателя эффективности токарной обработки. Указанные варианты описывают основные способы управления режимом резания, базирующиеся как на самонастройке, так и на стабилизации тех или других параметров ТС. При этом системы, обладающие экстремальными рабочими характеристиками, относят к самонастраивающимся (режимы 3, 4, 7, 8,11, 12), остальные (режимы 1, 2, 5, 6, 9, 10) - к системам стабилизации. Поскольку рабочие характеристики режимов 7 и 8 обладают экстремумами, структурные схемы их представляют собой самонастраивающиеся системы.
Изучая деформации в технологической системе, B.C. Балакшин пришел к выводу, что "...основным фактором, влияющим на точность и производительность обработки является отклонение сил резания, порождающее упругие перемещения режущего инструмента относительно базы станка или приспособления" [15], и если поддерживать постоянство сил резания путем изменения скорости резания или подачи инструмента, то ход технологического процесса будет оптимальным. Разработанный им способ механической обработки, обеспечивающий оптимизацию процесса за счет изменения условий обработки, прежде всего режимов резания, в зависимости от конкретных условий нагружения ТС в каждой точке технологического пространства назван адаптивным резанием. В соответствии с реализуемыми целями различают два основных вида адаптивных систем: предельного регулирования АСС (Adaptive Control Constraint) и оптимизации АСО (Adaptive Control Optimization) [51. Адаптивные системы классифицируются по способу настройки: системы с переменной структурой, системы с самонастройкой программы, системы с самонастройкой параметров, системы с самонастройкой структуры. Адаптивные системы АСС осуществляют предельное регулирование по текущей информации о значениях одного или нескольких контролируемых параметров в зоне резания. Примером использования такой системы является применение на токарном станке типа DFS400NC/AC системы ASEMA, стабилизирующей силу резания, что позволяет снизить штучное время обработки на 25-50% за счет увеличения подач при резании 5 =1,4 мм/об (по сравнению с ОДим/об без АСС) [133]. На практике выгоднее применять системы предельного регулирования (АСС), например, со стабилизацией силы резания (Pz,Py = const), тогда как создание и эксплуатация систем оптимизации (А СО) требует больших затрат. Не смотря на это, зарубежными фирмами Тидельмей-стер", "Сименс" (Германия), Трумман Эйркрафт Корпорэйшн" и "Боинг (США), а также японскими фирмами разработаны автоматические системы регулирования АСО, оптимизирующие технологический процесс из условия минимизации себестоимости обработки [17,25,74,122,131,136].
Методики математической формализации неопределенных параметров системы управления процессом обработки деталей на оборудовании с ЧПУ
Базовой проблемой математической формализации неопределенных параметров сложных систем и частных критериев является представление различных неопределенных характеристик в единой универсальной форме. На практике при моделировании реальных сложных систем некоторые неопределенные параметры могут быть заданы нечеткими интервалами, другие - четкими интервалами, третьи - частотными распределениями вероятностей. Наибольшая неопределенность и, соответственно, наименьший объем по I лезной информации имеют место при описании неизвестных параметров систем или критериев качества четкими интервалами. Этот способ формализации соответствует ситуациям, когда достаточно точно известны лишь границы допустимых значений анализируемого параметра, и отсутствует какая-либо количественная или качественная информация о возможностях (вероятностях) реализации различных его значений внутри заданного интервала. Математически описание неопределенных величин осуществляется с помощью стандартных характери л стических функций (рисунок 2.1), которые для общности можно рассматривать как функции принадлежности соответствующим четким интервалам.
На основе использования этих трех базовых способов формализации - четко-интервального, нечетко-интервального и распределения вероятностей - возникает проблема приведения различных описаний неопределенностей к единой форме представления. Приведение нечетко-интервальной неопределенности к форме частотных распределений невозможно, так как для этого отсутствует необходимая количественная информация.
Поэтому в качестве единого универсального способа описания неопределенностей в работе примем нечетко-интервальный подход. Четко-интервальное описание, очевидно, является его частным случаем. Если известны функции распределения вероятностей f(X), то их будем транспонировать в трапецеидальные нечетко-интервальные функции принадлежности р(Х) путем кусочно-линейной аппроксимации конкретных зависимостей/$).
Ясно, что при этом неизбежна потеря части существующей информации. Часть наиболее ценной информации можно сохранить, переводя частотные распределения в нечетко-интервальные числа таким образом, чтобы фиксированные доверительные интервалы частотного распределения соответствовали о-уровням нечетко-интервального числа. В настоящей работе предложены две методики, основанные на этих предпосылках.
Из графиков рисунка 2.4 видно, что д-уровни являются, в сущности, четкими интервалами, соответствующими определенным заданным значениям функции принадлежности. Ясно, что точность такой трансформации определяется числом используемых д-уровней, которое в практических задачах должно выби-раться, исходя из характера зависимости, описывающей частотное распределение. Такая методика трансформации частотных распределений в нечеткие интервалы позволяет сохранить количественную информацию о размерах и месторасположении на оси абсцисс доверительных интервалов, а также на качественном уровне сохранить информацию о частотах, которым после трансформации будут соответствовать значения функций принадлежности нечеткому интервалу на полученных в результате трансформации д-уровнях.
В общем случае нечетко-интервальная математика сводится к разложению нечетких интервалов на составляющие д-уровни и дальнейшему оперированию с ними в рамках интервальной математики. В большинстве практических приложений наиболее важно иметь информацию о двух основных интервалах, соответствующих д-уровням: [л(х) = 0 - основание интервала и // (х) = 1 - интервал наиболее возможных значений. Нечеткий интервал при этом однозначно описывается своими четырьмя реперными точками (Хь Х 2, Х3, Х4). Ясно, что такое четырехре-перное представление существенно уменьшает количество вычислений при выполнении арифметических операции над функциями принадлежности. При этом снижается неопределенность итоговых результатов, являющихся следствием природы интервальной арифметики, характеризующейся неизбежным ростом шири- J ны результирующих интервалов с увеличением числа промежуточных арифметических операций с интервальными числами.
В связи с этим возникает проблема аппроксимации нечетких интервалов, полученных в результате трансформации функции плотности распределения, нечеткими интервалами трапецеидальной формы, т.е. приведения нечетко-интервального числа к четырехреперному виду. Эту операцию целесообразно выполнять на основе метода наименьших квадратов и аппроксимировать боковые грани нечетко-интервальных чисел прямыми с максимальной степенью прибли-" жения к исходным значениям. При этом оптимальная аппроксимация будет соответствовать минимальной сумме квадратов разностей длин д-уровнеи исходного и аппроксимированного нечетко-интервальных чисел. При программной реализации данного метода эффективно использование метода покоординатного спуска. При этом при определенной длине нижнего а-уровня следует с небольшим шагом изменять верхний й-уровень до получения наименьшей суммы квадратов разностей длин а-уровней, затем фиксировать длину верхнего й-уровня и изменять нижний а-уровень и т.д. Процесс поиска решения заканчивать в том случае, когда любое изменение длин верхнего или нижнего а-уровней будет приводить к увеличению суммы квадратов.
Вторая методика трансформации частотных распределений в нечеткие интервалы позволяет сохранить информацию только о длинах доверительных интер-валов, теряя данные об их местоположении. Однако этот подход обладает и преимуществами, к которым следует отнести простоту реализации и хорошие результаты при сложных законах распределения случайных величин.
Анализ возмущающих воздействий, воздействующих на технологический процесс обработки деталей
К возмущающим воздействиям, влияющим на точность обработки деталей при управлении технологическим процессом на основе использования оборудования с ЧПУ, относятся: 1. Величина деформации технологической системы станок - приспособление - инструмент - деталь по координате перемещения режущего инструмента 2. Разность координат программируемых точек г„рог. 3. Температурная деформация технологической системы станок -приспособление - инструмент - деталь АД). : 4. Максимальная величина удлинения инструмента 1тах. 5. Размерный износ режущего инструмента VQ. ; . I 6. Погрешность запаздывания команд на отвод инструмента AT. 1. Погрешность запаздывания систем активного контроля t„. 8. Погрешность привода [54]. Теперь установим величины возмущающих воздействий, возникающих во время обработки деталей. Возмущающие воздействия e=f(fi,f2, ...,/J системы автоматизированного управления технологическим процессом характеризуются точностью изготовляемых деталей, то есть разностью между фактическим и заданным значением размера. Поэтому, суммарная погрешность обработки определяется є=Лу» fnpo, AD0, Imax, U0,AT,t„,fy). (3.1) Описанные возмущающие воздействия определяются по следующим зависимостям. Величина деформации ух зависит от способности узлов и деталей оказывать сопротивление действующей силе резания и определяется жесткостью технологической системы ух= — = Ру-а , (3.2) Jc где Jc - жесткость технологической системы; (о - податливость системы технологической системы. Податливость технологической системы определяется 1 (1+х)2 х2 х2(1-х)2 оз = — + + + , (3.3) Jcyn Jn5 "Лб «/ЛИ где Jcyn - жесткость суппорта; Jn6 и Лб - действительная жесткость передней и задней бабки; J3a! - жесткость заготовки; х - расстояние от передней бабки до произвольной точки на заготовке. Значения жесткостей технологической системы Jcyn, J„5, J-a, Л« по следующим выражениям (3.4). Jcyn JA+ JB, JA-JB Jn6 (3.4) JA+JB J36 = 0.5J„6, ЕҐ Щ J-шг 0.0309L3 где J A - стандартная жесткость передней бабки; Js - стандартная жесткость задней бабки (значения JA и JB берутся из паспорта станка); L - длина заготовки; D -диаметр заготовки. г Подставляя соотношения (3.3, 3.4) в формулу (3.2) получим величину деформации технологической системы Л 1 (1+х)2 х2 0.03091/ (1-х) (3.5) Ух-Ру — + + — + Jc Jn5 J36 суп V D4 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. При выборе исходной точки обработки система координат должна совпадать с системой координат заготовки. Разность координат программируемых точек г„р0г в пространстве определяется как Г„рог= п-го, (3.6) где ҐІ - радиус-вектор текущей координаты опорной точки; г0 - радиус-вектор размера координаты исходной точки. Таким образом, должно обеспечиваться совмещение направления координатных осей заготовки с осями координатной системы станка и расположения нуля детали в заданной точке, заданной координатами в этой системе.
Температурные погрешности появляются из-за изменения размеров и формы детали 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 ADo-L.a,(t-l0), (3.7) где а, - температурный коэффициент линейного расширения; t - t0 - изменение температуры нагрева заготовки во время обработки деталей на оборудовании с ЧПУ в реальном времени.
Точность обработки деталей зависит от рассмотренных выше факторов, оказывающих различное влияние. Погрешности возникающие при обработке деталей, либо суммируются, либо взаимно погашаются. Существует два метода расчета точности: статистический и аналитический. Статистический метод основан на теории вероятности и математической статистики, позволяющих установить закономерности погрешностей. Аналитический метод требует исследования всех первичных погрешностей, возникающих при обработке деталей. Из приведенного выше анализа следует, что на процесс обработки деталей наибольшее действие оказывают следующие возмущающие воздействия: 1. Величина деформацииуЛ (3.5). 2. Разность координат программируемых точек гпрог (3.6). 3. Температурная деформация технологической системы станок— приспособление - инструмент - деталь AD0 (3.7). 4. Максимальная величина удлинения инструмента 1тах (3.8). 5. Размерный износ режущего инструмента U0 (3.9). 6. Погрешность запаздывания команд на отвод инструмента ДТ(ЗЛО). 7. Погрешность запаздывания систем активного контроля /„(3.11). 8. Погрешность привода , (3.12),
Для упрощения расчета разности координат программируемых точек гпрог определяемой из уравнения (3.6), необходимо оперировать данными из паспорта станка или справочников. Для оборудования с ЧПУ класса CNC, данной величиной можно пренебречь, так как она может быть учтена с помощью корректоров по управляемых координатам, которые обеспечивают принцип совмещения измерительной и технологической базы детали.
Таким образом, параметром оптимизации является значение возмущающих воздействий, определяемое выражением (3.17), при котором должно выполняться условие оптимизации (3.18) и стремиться к своему минимальному значению. 3.3 Алгоритм самопрограммирования режимов резания процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.
Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний автоматизированной системы контроля и управления процессом обработки деталей и методика их проведения
Целью эксперимента является проведение исследовательских работ для проверки правильности теоретических положений, полученных в ходе теоретических разработок в области создания автоматизированной системы контроля и управления технологическими процессами, основанной на использовании принципов нечеткой логики.
Анализ точности выполняется с помощью различных датчиков и современных вычислительных средств, снабженных соответствующим программным обеспечением.
Традиционно перед непосредственным управлением необходимо смоделировать технологический процесс изготовления деталей. Выполняется это на основании исходной информации об элементах технологического процесса (данные конструкторского чертежа, программа выпуска, объем настроечной партии, оборудование, средства технологического оснащения, пр.). Далее необходимо произвести оценку точности деталей, которую можно достичь в результате реализации.
Если в результате управления технологическим процессом параметры точности, его характеризующие, выходят за пределы, установленные конструктором на основании служебного назначения детали и изделия в целом, то технологический процесс обработки детали корректируется. Внесенные изменения отражаются в используемых математических моделях, после чего моделирование производится снова. Процесс повторяется до тех пор, пока контролируемые показатели не будут соответствовать заданным значениям. Для понижения сложности структуры и увеличения гибкости, автоматизированные системы создают на основе современных средств вычислительной техники.
Поставленную задачу проверки обеспечения точности технологического процесса можно решить с помощью известного аппарата размерного анализа. Однако традиционные алгоритмы выполнения размерных расчетов с трудом могут быть встроены в разрабатываемые компьютерные системы автоматизации и управления технологических процессов и производств. Для проведения экспериментальных исследований разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий выбирать параметры управления для перемещения исполнительных механизмов оборудования с ЧГТУ, основанный на математической модели компонентов технологического процесса. С этой целью разработана методика определения основных характеристик и параметров.
Одним из наиболее эффективных способов достижения точности при обра ботке деталей на каждой операции технологического процесса является использо вание автоматизированных систем управления технологическими процессами об работки деталей на основе применения оборудования с ЧГТУ. Достижение тре буемой точности обеспечивается тем, что информация о протекании технологиче ского процесса в зоне обработки с помощью системы активного контроля переда ется на вход автоматической системы анализа данных. f
Для состыковки персональной ЭВМ и ЧПУ НЦ-31.02 требуется объедин эти устройства посредством управляющей электрической связи. Предварителі был проведён анализ схемы электрической принципиальной устройства пери рийного ввода. При этом выяснилось, что связь между ними осуществляется тем использования 8-проводной шины данных и нескольких линий управлен которые позволяют вести контролируемый обмен данными между данными ройствами. По шине данных информация передаётся в одном направлении, с налы же управления имеют разную направленность.
Для решения проблемы связи необходимо рассмотреть аппаратные возм ности персонального компьютера. Для снижения цены данного решения и поі шения конкурентоспособности системы в целом необходимо максимально пользовать базовые возможности ЭВМ. Одной из таких возможностей являє параллельный интерфейс для связи с периферийными устройствами (принтера порт). После проведения пробных испытаний было решено параллельный п LPT ЭВМ и микроконтроллер, который принимает команды ЭВМ по этому тепбейсу и взаимодействует с ЧПУ. Эскиз построения этой системы поиведёь Схема сопряжения
Микроконтроллер (МК) сопряжения имеет очень широкие возможности по управлению различными устройствами. Для реализации интерфейса МК - ЧПУ необходимо использовать программируемые линии ввода-вывода МК. Требуется 8 линий на вывод данных в ЧПУ, 2 линии на вывод, а также входные линии. Следует несколько более подробно рассмотреть протокол по которому происходит обмен между МК и ЧПУ.
Программа записанная во внутреннюю память программ МК написана на языке ассемблер, так как для подобных микроЭВМ он является основным. Алгоритм должен обеспечивать передачу данных в ЧПУ согласно протоколу изображенному на рисунке 4.3, а также приём и исполнение команд по интерфейсу ИРПР от управляющей ЭВМ. На рисунке 4.5 представлен алгоритм работы программы.
Несмотря на то, что после внедрения описанного выше комплекса необходимость в перфоленте, как носителя информации, отпала, необходимо предусмотреть возможность вводить с неё информацию в ЭВМ. Это обусловлено наличием большого количества информации накопленной на этом виде носителя. Наиболее рационально просто сохранять образ ленты в ЭВМ, не обращая внимание на то, какого рода информация на ней записана (программы для ЧПУ, данные для ПЗУ различных ЭВМ и т.д.). Таким образом получится универсальная программа не зависящая от считываемых данных. В качестве считывателя было подключено устройство считывания с перфолент (УСП).
