Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и классификация способов шлифования изделий 20
1.1. Способ плоского шлифования 20
1.2. Способ аддитивно-адаптивного шлифования и устройство для его осуществления 24
1.2.1. Анализ указанного способа шлифования 27
1.2.2. Результаты анализа способа аддитивно-адаптивного шлифования 28
1.3. Круговое шлифовальное устройство 29
1.3.1. Анализ кругового шлифовального устройства 29
1.4. Способ управления процессом круглого шлифования 30
1.4.1. Анализ способа управления процессом круглого шлифования 30
1.4.2. Результаты анализа способа управления процессом круглого шлифования 32
1. 5. Способ размерного микрошлифования изделий, устройство для его осуществления и приспособление для крепления обрабатываемых изделий 32
1.5.1. Сравнительный анализ способа размерного микрошлифования изделий с вышеуказанными способами шлифования 34
Глава 2. Синтез алгоритмов и разработка структурных схем автоматической системы управления для размерного микрошлифования изделий 36
2. 1. Анализ вариантов аппартно-программной реализации системы управления размерного микрошлифования 36
2. 1. 1. Анализ требований предъявляемых к системе управления процессом микрошлифования плоских поверхностей изделий 36
2.1.2. Анализ требований предъявляемых к системе числового программного управления (ЧЕТУ) процессом микрошлифования сложно-профильных поверхностей изделий 42
2.1.3. Разработка системы числового программного управления (ЧПУ) процессом микрошлифования плоских поверхностей изделий. 50
2. 1.4. Исследование процесса микрошлифования групповых изделий с помощью трех режущих инструментов 55
2.2. Синтез алгоритмов работы для приводов перемещения по координатным осям станка 72
2. 2. 1. Алгоритм работы приводов перемещения суппорта со столом по координатным осям X и станка 74
2. 2. 2. Алгоритм работы приводов перемещения суппорта со столом по координатной оси Z станка 75
2. 2. 3. Алгоритм работы приводов поворота приспособления изделий вокруг оси А и В, и привода вращения шпинделя приспособления изделий при обработке сложно-профильных поверхностей 76
2. 2. 4. Алгоритм работы многоканального цифрового регистратора сигналов 77
2. 2. 5. Алгоритм работы многоканального цифрового пьезоэлектрического привода 78
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Разработка и исследование математической модели системы числового программного управления для размерного микрошлифования сверхтвердых хрупких изделий 80
3. 1. Вывод основных уравнений, описывающих способ микрошлифования при обработке плоской поверхности одного изделия. 80
3. 2. Разработка и исследование автоматического поиска оптимальной постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования 96
3.2. 1. Общая характеристика оптимальных автоматических систем управления 96
3. 2. 2. Математическая модель автоматического поиска оптимальной постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования 103
3. 3. Исследование качества функционирования системы (ЧПУ) при осуществлении процесса микрошлифования плоских поверхностей изделий до достижения значений заданных параметров 108
3. 4. Математическое моделирование при вариации параметров управления режущими инструментами 113
Выводы по главе 3 120
Глава 4. Многопроцессорная система числового программного управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей с резервной функцией 121
4. 1. Общая характеристика многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий 121
4.2. Построение и реализация архитехтуры многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий 122
4. 3. Обеспечение отказоустойчивости многопроцессорной систем ЧПУ 124
4.4. Принципы построения унифицированных отказоустойчивых микропроцессорных систем управления 126
4. 4. 1. Способы построения отказоустойчивых систем автоматического управления 128
4. 5. Метод оценки отказо-сбоеустойчивости вычислительной системы, резервированной по схеме голосования с многократными связями 135
4. 6. Оценка надежности многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий 140
4. 7. Разработка алгоритма резервной функции управления микропроцессорами при отказе любого микропроцессора в системе управления 154
4. 8. Разработка алгоритма интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода 161
Выводы по главе 4 177
Заключение 178
Список литературы 181
Приложение А. Акты использования результатов диссертационной работы 185
Приложение Б. Функциональная схема операционной программы для каждого микроконтроллера 186
Приложение В. Детализированный алгоритм действия образцовой программы управления, выполненный микроконтроллером для эффективности управления при остановке своего ассоциированного привода 187
Приложение Г. Описание некоторых из показателей качества функционирования системы 190
- Способ аддитивно-адаптивного шлифования и устройство для его осуществления
- Исследование процесса микрошлифования групповых изделий с помощью трех режущих инструментов
- Математическое моделирование при вариации параметров управления режущими инструментами
- Оценка надежности многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий
Введение к работе
Актуальность темы.
Обработка материалов является одной из важнейших отраслей деятельности человека и лежит в основе различных отраслей промышленности. Наряду с металлами в настоящее время все большее применение находят минералы. Кроме традиционных сфер применения в строительстве и ювелирной промышленности, минералы, особенно в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение при производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий.
Однако поверхностная обработка минералов в отличие от металлов, имеет свои особенности, связанные с широким разбросом физических свойств минералов, их анизотропией, наличием включений и других особенностей их строения. В связи с этим при шлифовании минералов использование основных закономерностей шлифования металлов требует введения дополнительных эмпирических коэффициентов, учитывающих свойства минерала. В технологическом процессе формообразования поверхности при обработке минералов особое значение приобретает качество обработки поверхности с минимизацией отходов сырья для применения кристаллической формы минералов, в том числе алмаза и лейкосапфира, а в микроэлектронике при изготовлении подложек интегральных микросхем (ИМС).
При поверхностной обработке материалов на первый план выходит вопрос недопустимости возникновения сколов, трещин, микродефектов и дислокаций в основной массе материала. Требуется прецизионное удаление поверхностного слоя минерала с получением нанометрового рельефа поверхности с минимальным количеством дефектов, привнесенных процессом обработки. Одним из решений в данной ситуации является реализация способа размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых, хрупких, оптических и микроэлектронных материалов с помощью компьютерного средства числового программного управления.
Согласно существующей статистике, большинство шлифовальных станков нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. Модернизация средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей. Современные требования, предъявляемые к объектам управления, заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса.
В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную точность, заданные параметры и быстродействие технологических процессов на объектах управления.
Одним из решений в данной ситуации является модернизация устаревших систем управления с использованием современных (программируемых контроллеров) микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению приводами и механизмами. Использование микропроцессоров, а так же построение систем управления с применением распределенной архитектуры, обеспечивает надежность и эффективность системы управления. Добавление программируемого контроллера к числовой системе управления даёт ряд очень важных преимуществ. Применение контрольно-обрабатывающих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов позволяет оптимизировать работу оборудования в различных режимах и обеспечить эффективное и надежное функционирование основного технологического оборудования в целом.
Работа решает проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур, что позволяет отказаться от сложной технологии химико-механической полировки в агрессивных средах и существенно повысить выход годной продукции.
Применение в структуре многопроцессорной автоматической системы управления позволяет реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики.
Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной
работы является исследование и разработка многопроцессорной
системы числового программного управления для
высокопроизводительного бездефектного равномерно-регулируемого пластичного микрошлифования оптических поверхностей.
Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач: исследование объекта управления при разных способах
шлифования;
разработка структурных и функциональных схем системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);
разработка передаточных функций системы управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);
построение архитектуры многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий;
создание математических моделей системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;
исследование качества функционирования системы управления в процессе микрошлифования поверхности изделий;
оценка отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;
разработка резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;
разработка способа интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;
исследование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования, методы проектирования систем управления, теория систем числового программного управления и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.
Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:
предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания, получение оперативной, достоверной и достаточной информации с
последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданных выходных параметров;
предложены математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых хрупких материалов;
разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, Y и Z станка при плоском микрошлифовании изделий;
разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, Y, Z, А и В станка при размерном микрошлифовании изделий;
созданы алгоритмы приводов перемещения и вращения приспособления для крепления режущего инструмента шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий;
проведен анализ качества функционирования системы управления при вариации параметров управления процессом микрошлифования;
предложен способ автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;
разработаны структурные схемы многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией;
исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;
предложен алгоритм управления резервной функцией;
предложен алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;
Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:
разработанные способ и устройство для микрошлифования плоских
и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых
изделий обеспечивают получение высокого качества оптических
характеристик поверхностей изделий из наиболее
труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) с
гарантированной суперпрецизионной точностью размеров заданной
формы;
на основе моделирования определены характеристики автоматических устройств управления процессом микрошлифования, а именно: оптимальная постоянная микронеровность поверхности изделия не больше, чем величина 0,05 мкм; наибольшая величина снимаемого припуска при дискретной врезной подаче 0,7(3) мкм/проход не превышает 160 мкм.
разработанная структурная схема многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией позволяет повысить вероятность безотказной работы системы управления;
результаты исследования отказоустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями, внедрены при оценке надежности микропроцессоров за требуемое время обработки;
разработанный способ интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка используется в многопроцессорной системе при отказе любого привода;
результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» МИЭТ.
На защиту выносится:
архитектура системы числового программного управления процессами размерного микрошлифования сложно-профильных поверхностей одного изделия и группы изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);
структурные и функциональные схемы системы управления шлифовального станка с системой числового программного управления с использованием приводов перемещения вдоль координатных осей станка, датчиков силы резания и системы оперативного контроля;
математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;
анализ качества функционирования системы управления для получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;
структурные схемы многопроцессорной системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности и сложно профильных поверхностей изделий;
способ обеспечения отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями и резервной функцией управления;
резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора и ее алгоритмы;
способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;
алгоритмы работы приводов перемещения и вращения инструментов шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий.
Реализация результатов диссертационной работы
В качестве практического применения системы управления приведена реализация многопроцессорной системы числового программного управления с использованием современных микропроцессоров при решении проблемы автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, Москва, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.
Конференция «Научная сессия МИФИ-2008, Сборник научных трудов, Том 13, Автоматизиронные системы обработки информации и управления», (МИФИ, Москва, 2008 г.).
Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе одна работа в журнале, входящем в список, утвержденный ВАК. Без соавторов опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 190 страниц основного текста, 70 рисунков и 9 таблиц.
Способ аддитивно-адаптивного шлифования и устройство для его осуществления
Изобретение предназначено для алмазно-абразивной обработки неметаллических хрупких материалов. Оно также относится к области механической обработки алмазно-абразивными инструментами со связанными зернами и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности в электронной промышленности и приборостроении при плоском шлифовании хрупких материалов.
Для создания благоприятных условий шлифования и снижения величины нарушенного слоя при съеме припуска обрабатываемого материала реализуется принцип дискретного шлифования на всех этапах врезного шлифования с дополнительным разбиением каждой из частей общего припуска на несколько дробных припусков. При обработке применяется сборный шлифовальный инструмент, особый для каждого этапа обработки. Инструмент состоит из соосно расположенных замкнутых внешних и внутренних абразивных коїпуров (чашечных кругов). Абразивные контуры перемещаются друг относительно друга и опираются на упругие эластичные элементы. Жесткость элементов регулируется по определенной закономерности, закону, адаптируясь к свойствам структуры (характеру разрушения) обрабатываемого материала. Инструмент можно использовать отдельно при шлифовании по различным схемам торцевого шлифования широкого ряда материалов, включая бинарные структуры [6].
Известен способ абразивной обработки неметаллических материалов, включающий этапы предварительной и окончательной обработки шлифовальным инструментом с подачей на этапах технологических жидкостей различного состава. В результате чего сначала создается равномерная управляемая сетка микротрещин. А затем на мягких режимах и при высокой разности электрических потенциалов между деталью и инструментом удаляется слой имеющий трещины, сводя его до минимума. Однако этот способ недостаточно производителен, так как надо снимать большой припуск.
Известен способ [1, 5, 6] врезного шлифования, основанный на схеме съема припусков деталей, когда три шпинделя с алмазными чашечными (торцевыми) инструментами-кругами жестко настраивают на обработку заданного припуска. Детали укрепляют на вращающемся столе по окружности над осью вращающихся шпинделей. Поэтому каждая деталь последовательно проходит под всеми шпинделями через их центр. При этом сошлифовывают 1-м шпинделем припуск 1, И-й - 2, Щ-й - З. Обычно 1 2 З. Величина зернистости абразивов в кругах уменьшается, например, от 160 до 40 мкм. Этот способ обеспечивает неплохое качество обработки.
На рис. (1.4), (1.5) и (1.6) представлены схемы съема припуска Н при обычном врезном шлифовании, когда на 1-м этапе (рис. 1.4) сошлифовывают припуск ,, на П-м - h2 (рис. 1.5), на Ш-м h3 (рис. 1.6), а также соответствующие предлагаемому способу аддитивно разбитые припуски hi =ml+m2+m3 (рис. 1.4); h2 = п1+п2+пЗ (рис. 1.5); h3 =el+e2+e3 (рис. 1.6). В этом предлагаемом способе сумма дискретных припусков равна также: Н = 1+2+З = ml+m2+m3+ п1+п2+пЗ+ е1+е2+еЗ.
Чтобы реализовать предлагаемый способ шлифования, необходимо применять инструменты, в которых есть следующая схема управления упругой основой. На первом этапе эластичность упругих элементов выбрана так, чтобы она изменялась на краю инструмента и посередине по-разному: малая на краю и большая посередине. На втором этапе обеспечивают переменную эластичность по краям инструмента и имеют жесткий внутренний рабочий контур. На третьем этапе применяют эластичные упругие элементы в центре круга и имеют жесткие рабочие абразивные кольца по краям.
Исследование процесса микрошлифования групповых изделий с помощью трех режущих инструментов
Устройство может иметь один режущий инструмент (1). а может иметь по меньшей мере один дополнительный режущий инструмент, производящая инструментальная поверхность которого выполнена аналогично производящей инструментальной поверхности упомянутого первого режущего инструмента по меньшей мере один дополнительный режущий инструмент. Например, устройство может содержать три режущих инструмента 1, 2 и 3 (рис. 2.18), установленных с возможностью одновременного их поворота относительно оси С, параллельной координатной оси Z станка, в приспособлении для крепления режущего инструмента, выполненного, например, в виде "револьверной" головки.
Более подробно действие предлагаемого способа [8, 13] рассмотрим на примере работы соответствующего его реализующего устройства при одновременном групповом размерно-регулируемом бездефектном микрошлифовании сложно-профильных изделий из анизотропных твердоструктурных и хрупких материалов (алмазов).
Обработку осуществляют на устройстве, в котором станок имеет три режущих инструмента 1, 2, 3, установленных в соответствующих приспособлениях для их крепления с возможностью поворота в "револьверной" головке относительно оси С, параллельной координатной оси Z станка, и предназначенных для последовательного снятия чернового, получистового и чистового припусков с заготовки обрабатываемого изделия до получения готового изделия с заданными размерами и заданной высотой микронеровностей на обработанной поверхности.
При этом в указанной "револьверной" головке с гильзовым базированием жестко установлено приспособление для крепления трех соответствующих режущих инструментов 1, 2 и 3. Причем каждый из трех режущих инструментов закреплен в приспособлении посредством шлифовального шпиндельного узла с возможностью вращения соответствующего шпинделя вокруг своей оси, перпендикулярной к плоскости формообразования, в радиальных и осевых опорах скольжения с газовой смазкой. На каждом шпинделе на конической хвостовой его части посредством планшайбы жестко закреплены режущие инструменты (шлифовальные круги) 1, 2 и 3 в виде соответствующих шлифовальных кругов с наружным и внутренним диаметром торцевой поверхности, соответственно равным 250 и 207 мм.
Размещают производящую инструментальную поверхность каждого из трех шлифовальных кругов 1, 2 и 3 в одной и той же плоскости формообразования соответствующими осевыми вдоль оси С установочными перемещениями указанных шпиндельных узлов перемещением указанных гильз относительно указанной "револьверной" головки.
Применительно для обработки изделия, например, из натуральных алмазов типа "ювелирная вставка" с 57-ю гранями для получения оптических характеристик чистоты на окончательно обработанной поверхности Rz = 0,05 мм и с размерами заданной геометрической формы, соответствующими диаметру "рундиста", равному 3,4 мм, выбирают режущие характеристики производящей инструментальной поверхности режущего инструмента (1) для съема чернового припуска с преобразованием в результате микрорезания исходной произвольной формы на поверхности кристалла, подлежащей обработке, в заданную форму с определенными размерами. При этом в результате обработки допускаются отдельные дефекты в виде царапин, возникших вследствие попадания в зону резания из связки производящей инструментальной поверхности частиц отдельных режущих зерен или отколовшихся частиц с обрабатываемой поверхности кристалла. При этом режущими зернами производящей инструментальной поверхности являются натуральные алмазы с размерами 5-7 мкм при 100% концентрации, связующим материалом является твердая керамика.
При съеме получистового припуска того же изделия устраняют вышеуказанные дефекты с обрабатываемой поверхности кристалла, оставшиеся от предшествующей технологической операции съема чернового припуска при сохранении полученных размеров и формы, а также получают в результате пластического микрорезания оптические характеристики чистоты на обработанной поверхности кристалла. Для этого выбирают режущие характеристики производящей инструментальной поверхности режущего инструмента (2) с режущими зернами в виде натуральных алмазов с размерами 10-14 мкм при 100% концентрации со связующим материалом в виде бакелита или мягкого органического вещества (костная мука).
При съеме чистового припуска сохраняют ранее полученные в результате съема получистового припуска формы с заданными размерами и оптическими характеристиками чистоты с образованием в приповерхностном слое на окончательно обработанной поверхности кристалла диссипативной структуры, свободной от дислокационных дефектов.
Для этого выбирают режущие характеристики производящей инструментальной поверхности режущего инструмента (3) с режущими зернами из натуральных алмазов с размерами 14-20 мкм при 150% концентрации со связующим материалом в виде полиуретана с графитовым наполнителем.
Формирование микрорельефа на производящей инструментальной торцевой поверхности каждого режущего инструмента 1, 2 и 3 в виде совокупности заданного количества осесимметрично расположенных отдельных режущих выступов осуществляют непосредственно на станке. При этом прекращают подачу сжатого воздуха к газовым опорам указанных шлифовальных шпинделей и тем самым неподвижно фиксируют от возможности поворота каждое приспособление для крепления каждого указанного режущего инструмента 1, 2 и 3 относительно станины станка. На столе станка вместо приспособления для крепления обрабатываемых изделий устанавливают координатно-делительный стол с осью вращения, перпендикулярной к указанной плоскости формообразования. В приводе координатно-делительного стола установлен двухрядный планетарно-цевочный редуктор циклоидального зацепления на передаточное отношение 1:100 (1:102), выполненный, например, в соответствии с [15]. Особенность конструкции редуктора состоит в том, что в нем отсутствуют люфты, зона нечувствительности и случайная составляющая кинематической погрешности. Имеет место динамическая стабилизация постоянства передаточного отношения и линейная характеристика крутильной жесткости.
При этом количество единичных управляющих импульсов на каждый один оборот вала двигателя, приводящего во вращение указанный поворотноделительный стол, выбирают равным 1000. На базовую поверхность указанного координатно-делительного стола устанавливают правящий алмазный ролик диаметром 65 мм с ос гроугольным профилем. Привод вращения правящего ролика на скорости вращения 8000 об/мин осуществляют от винтового пневмодвигателя циклоидального зацепления, который встроен в газодинамические опоры вращения ротора, несущего на себе правящий алмазный ролик.
Определяют управляющую программу взаимосвязанных перемещений в процессе правки каждого шлифовального круга, в том числе перемещений суппорта по координатным осям Y и Xі относительно станины, стола по координатной оси X относительно суппорта в зависимости от углового расположения плоскости вращения правящего алмазного ролика на указанном координатно-делительном столе. Причем количество таких выступов для каждой производящей инструментальной поверхности для всех режущих инструментов 1, 2 и 3 выбирают одинаковым из условия, что наибольшее количество т таких выступов не должно превышать количества единиц режущих зерен режущего инструмента 3 (имеющего наибольшие размеры режущих зерен, равные 25 мкм), которые расположены на наружном диаметре шлифовального круга, равного 250 мм (т, 30000). Кроме того, при определении управляющей программы процесса правки производящей инструментальной поверхности режущего инструмента (1) учитывают необходимость придания производящей инструментальной поверхности формы усеченного конуса, меньшее основание которого обращено в сторону обрабатываемой поверхности изделия, а вершины режущих зерен расположены на радиальных выступах, лежащих на образующих указанного конуса.
При определении управляющей программы процесса правки производящей инструментальной поверхности режущего инструмента 2 и 3 учитывают необходимость придания производящей инструментальной поверхности с радиально расположенными линиями в виде выступов, вершины которых лежат в одной плоскости, совпадающей с плоскостью формообразования.
Осуществляется процесс последовательной правки указанных режущих инструментов 1, 2 и 3 и, таким образом, технологически обеспечивают совмещение в одной и той же плоскости формообразования, принимаемой за базу отсчета по координатной оси Z станка, меньшее основание усеченного конуса на шлифовальном круге режущего инструмента (1), а также производящие инструментальные поверхности шлифовальных кругов, соответствующих режущим инструментам 2 и 3. Затем поворотом "револьверной" головки вокруг оси С устанавливают в рабочую позицию режущий инструмент (1) и включают подачу сжатого воздуха к газовым опорам указанных шлифовальных шпинделей каждого из трех приспособлений для крепления соответствующих режущих инструментов 1, 2 и 3, а также включают двигатель 76 привода (1) вращения режущего инструмента (1) на скорости п - 3000 об/мин.
На столе станка на место указанного координатно- делительного стола с приспособлением для правки производящих инструментальных поверхностей указанных режущих инструментов 1, 2 и 3 устанавливают приспособление для крепления обрабатываемых изделий в виде многоместной кассеты с 15-ю шпинделями, жестко закрепленной на корпусе-люльке и снабженной механическим приводом (7) поворота приспособлений для крепления обрабатываемых изделий вокруг оси А, параллельной координатной оси X станка, а также снабженной приводом (8) поворота приспособлений для крепления обрабатываемых изделий вокруг оси В, пересекающей под прямым углом координатную ось А станка.
Математическое моделирование при вариации параметров управления режущими инструментами
Во второй главе (см. 2.1.4), где давалась общая характеристика одного из вариантов компоновки станка с тремя режущими инструментами, позволяющего исследовать качество функционирования процесса микрошлифования поверхностей изделий с помощью трех режущих инструментов [13]. Геометрические параметры кругов 2 и 3 (по наружному и внутреннему диаметрам торцевой производящей инструментальной поверхности), количество радиальных выступов, а также скорость вращения равны аналогичным параметрам режущего инструмента 1.
Для этого выводят из рабочей зоны режущий инструмент 1 и подводят режущий инструмент 2 поворотом вокруг оси С, параллельной оси Z станка, револьверной головки с приводами 1, для вращения соответствующих режущих инструментов. Время указанной переустановки режущего инструмента 2 и режущего инструмента 3 в рабочую зону обработки составляет 2 сек. До начала обработки режущим инструментом 2 устанавливают начальные параметры по длине (27500 мкм), по скорости (65476,2 мкм/сек) перемещений стола вдоль координатной оси X станка, аналогичные первому этапу обработки режущим инструментом 1. Затем осуществляют ускоренный подвод по координатной оси Z станка одновременно всех пяти обрабатываемых изделий из исходного "нулевого" положення в плоскость формообразования, которая соответствует положению в момент окончания съема припуска при обработке режущим инструментом 1 без учета его размерного износа. При этом управление скоростью ускоренного подвода осуществляют равномерно в режиме прямого счета одного за другим каждого 151- го управляющего импульса (то есть с частотой 10000 1/сек) до фиксации момента касания режущего инструмента 2 с наиболее твердым из изделий (изделия N 4 и N 5). Причем скорость врезной подачи в момент касания принимают равной (или меньше) скорости врезной подачи в момент окончания обработки режущим инструментом 1 наиболее твердых из пяти одновременно обрабатываемых изделий (изделия N 4 и N 5). После фиксации момента касания на двигатель привода 4, положение производящей поверхности режущего инструмента 2 будет соответствовать конечному положению производящей инструментальной поверхности режущего инструмента 1. В точке совмещения плоскостей формообразования режущего инструмента 2 и режущего инструмента 1 датчиками многоканальной системы оперативного контроля фиксируют статические составляющие упругих деформаций в обрабатывающих системах.
Согласно [8] фиксированные статические составляющие упругих деформаций для соответствующих обрабатываемых изделий имеют следующие величины:
Далее компьютерными вычислениями в системе числового программного управления (ЧПУ) станка вычисляют для каждого из пяти одновременно обрабатываемых изделии величины ниже-иеречисленных параметров режимов бездефектного размерно-регулируемого микрошлифования режущим инструментом 2, в том числеЗатем осуществляют очередной поворот "револьверной головки" вокруг оси Z, параллельной координатной оси Z станка, и заменяют в рабочей зоне режущий инструмент 2 на режущий инструмент 3. Время указанной переустановки составляет 2 секунды.
Кроме того, положение производящей инструментальной поверхности режущего инструмента 3 будет соответствовать конечному положению производящей инструментальной поверхности режущего инструмента 2. В точках совмещения плоскостей формообразования режущего инструмента 3 с режущим инструментом 2 датчиками многоканальной системы оперативного контроля фиксируют статические оставляющие упругих деформаций в обрабатывающих системах, которые для соответствующих обрабатываемых изделий имеют следующие величины: Далее компьютерными вычислениями в системе числового программного управления станком вычисляют для каждого из пяти одновременно обрабатываемых изделий величины ниже-перечисленных параметров режимов бездефектного размерно-регулируемого микрошлифования режущим инструментом 3, втом числе:
В результате математического моделирования оказывается что, при микрорезании режущих инструментов, времени одного продольного прохода в направлении координатной оси X станка для каждой j-ой упругой обрабатывающей системы и наибольшей скорости продольной и врезной подачи режущих инструментов по осям X и Z, расчетная величина суммарного припуска режущих инструментов изменяется. Например при микрошлифовании изделия (N-3) режущим инструментом (2), за счет увеличения наибольшей скорости продольной и врезной подачи режущего инструмента (2) по осям X и Z, его время одного продольного прохода сокращается и величина суммарного припуска увеличивается.
Кроме того, благодаря используемым режущим инструментам, предназначенным для последовательного снятия чернового, получистового и чистового припусков с заготовки обрабатываемого изделия, получаются заданные размеры и заданную высоту микронеровностей на обработанной поверхности и время обработки сокращается. Цифровая система управления позволяет многократно повысить производительность за счет групповой обработки изделий (N1, N2, N3, N4 и N5) режущими инструментами независимо от сложности формы изделий и с учетом индивидуальных свойств материала каждого изделия с минимизацией их весовых потерь.
Оценка надежности многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий
В процессе создания и эксплуатации многопроцессорных сиегем возникает необходимость в оценке их функциональных и эксплуатационных характеристик. К основным качественным характеристикам относятся надежность, эффективность и достоверность информации.
Под надежностью понимается свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранениям транспортирования. Надежность включает безотказность, долговечность, ремонтопригодность и другие свойства. В число эксплуатационных показателей входит показатели производительности, наработки на отказ, вероятности безотказной работы, средний срок службы, коэффициент готовности и т. п.
Под эффективностью системы часто понимают степень ее приспособленности к выполнению стоящей перед ней задачи. Например, эффективность функционирования системы, позволяющей оценить ухудшение (улучшение) качества функционирования. В этом случае показатель эффективности определяется значениями показателей технических, надежных, эксплуатационных характеристик и условиями, в которых система работает [35].
Различие между надежностью и эффективностью состоит в том, что надежность оценивает способность системы к поддержанию заданных параметров в допустимых границах, а эффективность позволяет оценить качество выполнения поставленной задачи. В частности, показатели эффективности могут быть как стоимостными (например, стоимость экономического эффекта, ущерба), так и комплексными, включающими вероятность выполнения требуемых функций и возможные потери (эффекг) от использования.
Показатели используемые при оценке надежности многопроцессорных систем и их компонентов, принято разделять на следующие группы:
1) показатели безотказности, включающие вероятность безотказной работы, интенсивность отказов для невосстанавливаемых систем и параметр потока отказов и наработки на отказ для восстановления систем:
2) показатели долговечности, оценивающие ресурс наработки на отказ в системе;
3) показатели ремонтопригодности, включающие вероятность восстановления в заданное время и среднее время восстановления;
4) показатели сохраняемости;
5) комплексные показатели надежности, в частности коэффициенты готовности, технического использования и оперативной готовности, а также показатели трудоемкости и стоимости ремонтов и технического обслуживания в процессе эксплуатации системы.
При проведении расчетов по показателям надежности с целью упрощения обычно используют допущение о пуассоновском законе распределения вероятности отказов компонентов системы. Это предположение справедливо при следующих условиях:
1) вероятность перехода системы, имеющей п отказов, в состояние с п + 1 отказами за достаточно малый интервал времени равна АД;;
2) отказы в системе происходят независимо;
3) вероятность возникновения более одного отказа элемента за достаточно малый промежуток времени At пренебрежимо мала.
При использовании таких предположений общая вероятность безотказной работы элемента за время t 0 при условии, что в момент t = 0 система исправна.
В общем случае допустимыми являются все 2П состояний - элементов системы, а вероятности отсутствия отказов отдельных элементов между собой рассчитываются по формуле (4.1).
Многопроцессорные системы ЧПУ, наряду с высоким быстродействием, естественным образом обеспечивают высокую надежность и отказоустойчивость. Это достигается за счет многоэлементности (многопроцессорности) и способности к реконфигурации микропроцессоров. В данной работе надежность и отказоустойчивость рассматриваются преимущественно в отношении оборудования, а не программного обеспечения.
Приведем некоторые сведения из теории надежности, необходимые для дальнейшего рассмотрения [36].
Надежность определяется, как свойство технического изделия выполнять заданные функции в течение требуемого времени.
Основным понятием теории надежности является отказ, под которым понимают случайное событие, нарушающее работоспособность изделия. Применительно к вычислительной технике различают два вида отказов: устойчивые (собственно отказы) и самоустраняющиеся (сбой, перемежающиеся отказы). Сбой возникает вследствие одновременного неблагоприятного изменения нескольких параметров и существует кратковременно. Перемежающиеся отказы могут возникать, например, при плохом контакте в соединителе.
Как сказано выше, основными параметрами надежности для невосстанавливаемых изделий являются вероятность безотказной работы P(t) по формуле (4.1), интенсивность отказов X и среднее время безотказной работы Т. Они определяются по формулам
По назначению вычислительные системы, к которым относятся и многопроцессорные системы, можно разделить на две группы: системы для управления в реальном масштабе времени и информационно-вычислительные системы. Для первых отказ может вызвать тяжелые последствия, поэтому одним из основных показателей эффективности таких систем является надежность. Вторые не критичны к отказу, основным показателем их эффективности является производительность.
Рассмотрим показатели надежности МС, применяемых для систем управления в. реальном времени. Как говорилось выше, наработка на отказ МС невысока. Основной способ повысить ее - резервирование. Различают два вида резервирования: общее и поэлементное. При общем резервировании резервируется вся МС, т. е. в случае выхода из строя она заменяется такой же. При поэлементном резервировании резервируются отдельные части МС (процессоры, каналы) и в случае отказов они заменяются идентичными. Наиболее употребительным является постоянное (горячее) резервирование, при котором резервное устройство выполняет ту же нагрузку, что и основное, и при отказе последнего резервное устройство без задержки замещает основное. Число резервных устройств может быть более одного.
Общее резервирование значительно повышает надежность системы, в частности для системы без восстановления вероятность безотказной работы Ppe3(t) равна
