Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Перспективным направлением повышения эффективности металлообработки в машиностроении является создание автоматизированных систем управления процессами резания. Даже при использовании современных станков, позволяющих достигать точности позиционирования до единиц микрон, данный подход является единственным, обеспечивающим компенсацию влияния изменения силовых воздействий при колебаниях припуска, характеристик материала, износа инструмента и других неконтролируемых возмущающих воздействий. Особое значение автоматизированные системы управления имеют при обработке нежестких валов, компенсируя деформации смещения задней и передней бабок и изгиба заготовки и обеспечивая повышение точности обработки без снижения производительности.
Вопросами исследования процессов резания как объектов управления, созданием систем контроля и управления данными процессами занимались Кудинов В.А., Попов В.И., Локтев В.И., Бармин Б.П., Жарков И.Г., Аршанский М.М., Кедров С.С., Балакшин Б.С., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г., Заковоротный В.Л., Васин С.А., Подураев В.Н., Драчев О.И., Петраков Ю.В., Расторгуев Д.А., Невельсон М.С., Бржозовский Б.М. и другие ученые.
Однако сложность, нелинейность, изменение закономерностей процессов резания, характеристик упругих систем станков, взаимосвязанность управляемых параметров затрудняют создание эффективных систем управления непосредственно качественными показателями обрабатываемых изделий, обеспечивающих снижение их дисперсий до требуемых значений.
Это привело к решению большого количества задач косвенного управления качественными показателями путем создания систем стабилизации возмущающих воздействий, режимных параметров, параметров базирования деталей и т.д. в процессе обработки. Но наличие других неконтролируемых возмущений не позволяет решить задачу управления качественными показателями таким путем. Поэтому остается актуальной задача создания эффективных систем управления качественными показателями по обратной связи, что позволило бы отрабатывать практически все неконтролируемые возмущающие воздействия.
Возможным направлением обеспечения эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами резания по обратной связи может быть использование методологии расширенной задачи управления, разработанной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. по программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект № 2.1.2/7193 «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими процессами с неконтролируемыми широкополосными статистическими возмущающими воздействиями» с дальнейшим расширением программы на процессы металлообработки (2011 год).
Данная методология управления основана на создании условий для эффективной работы обратной связи систем управления. Система с обратной связью эффективна, если возмущающие воздействия по спектру находятся в эффективной частотной зоне системы, в которой коэффициент передачи замкнутой системы по возмущающему воздействию меньше единицы. В противном случае влияние возмущающих воздействий системой увеличивается. Именно нахождение возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы и не позволяет создать эффективные системы управления по типовой методике, включающей два основных этапа – построение математической модели объекта управления и синтез оптимального регулятора.
Для таких случаев методика предусматривает расширение задачи построения системы управления путем анализа уровня управляемости объекта управления и включения при необходимости в процедуру синтеза этапа корректировки исходных данных путем расширения и доработки объекта управления для обеспечения вхождения большей части спектра возмущающих воздействий в зону эффективной работы обратной связи.
Использование показателя достижимой точности управления при использовании типового регулятора как показателя управляемости объекта управления, частотных диапазонов эффективной и неэффективной работы обратной связи, разработка методики доработки объекта управления на основе анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущению и спектральной плотности возмущения, построенной на основе систематизации методов повышения эффективности систем управления различных исследователей, позволяют целенаправленно с количественным контролем на каждом шаге вести работу по повышению эффективности системы управления. Эффективность методологии делает актуальным исследование возможности и особенностей ее применения при построении систем управления процессами токарной обработки.
Целью диссертационной работы является повышение точности системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем формализованного создания условий эффективной работы обратной связи на основе расширенной задачи управления.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
На основании методологии расширенной задачи управления выявить пути доработки объекта управления и структуры системы для создания условий эффективной работы внешнего контура обратной связи.
-
Обеспечить повышение эффективности системы путем расширения частотной зоны эффективной работы обратной связи и снижения интенсивности возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы обратной связи.
-
Разработать структуру и математическую модель динамического компенсатора взаимосвязи тангенциальной силы резания и положения резца по поперечной оси процесса токарной обработки.
-
Разработать новую структуру и алгоритм системы, обеспечивающие повышение эффективности управления продольным профилем нежестких валов.
Объект исследования. Объектом исследования является автоматизированная система управления продольным профилем нежесткого вала в процессе токарной обработки с оптимальным стохастическим ЛКГ-регулятором.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены на основе методов теории оптимального управления, анализа динамики станков, процессов резания и теории случайных процессов с использованием методологии расширенной задачи управления и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены на токарном станке с ЧПУ 16А20Ф3 с использованием компьютерных систем измерений, включающих метрологически обеспеченные элементы: датчик силы АС21, импульсный молоток AU02, акселерометры АР2037, плату сбора данных ЛА2USB-12.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов исследования, представительными выборками экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов, согласованностью построенных математических моделей с экспериментальными данными и результатами других авторов, использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, применением современного лицензионного программного обеспечения.
Научная новизна работы:
-
На основе методологии расширенной задачи управления предложена методика последовательного синтеза систем управления процессами резания, заключающаяся в построении на первом этапе оптимальной системы управления по обратной связи, оценке достижимой точности управления для исходного объекта управления
и формализованной итеративной доработке объекта управления и структуры системы на следующих этапах синтеза по результатам анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия с целью снижения дисперсии регулируемых переменных. -
Выявлено, что возмущения вследствие колебания силы резания находятся в неэффективной зоне контура управления продольным профилем по обратной связи и приводят к сужению частотной зоны эффективной работы системы, повышению коэффициента передачи по возмущающему воздействию на регулируемую переменную, снижению прироста эффективности от уменьшения транспортного запаздывания; показано, что компенсация данного возмущения и устранение данных последствий возможна путем ввода в систему контура стабилизации силы резания, для которого данные возмущения находятся в зоне эффективной работы.
-
Показано, что наличие взаимосвязи силы резания и положения резца по поперечной оси приводит к снижению коэффициента эффективности системы управления силой резания почти в 3 раза; развязка каналов управления путем введения в регулятор динамического компенсатора позволяет уменьшить взаимное влияние управляющих воздействий на данные параметры и восстановить эффективность системы стабилизации силы резания.
-
Предложены новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежестких валов, включающей более быстродействующую систему измерения диаметра обработанного вала в заданных точках, контур стабилизации силы резания для уменьшения среднечастотных возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи, динамический компенсатор для динамической развязки каналов управления тангенциальной силой резания и положением режущего инструмента по поперечной оси, что позволило расширить зону эффективной работы системы с 0,05 до 0,13 колебаний/период дискретизации, повысить эффективность отработки возмущений в данной зоне в 1,6 и более раз.
Практическая значимость. Использование полученных результатов позволяет путем уменьшения динамической ошибки обработки деталей производить токарную обработку на повышенных режимах резания или обрабатывать детали с более жесткими требованиями по точности обработки без снижения производительности. Способ исследования эффективности системы управления путем анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия может быть применен для решения задач повышения эффективности других систем управления в металлообработке. Разработанная система позволяет уменьшить ошибку управления, что подтверждено опытной обработкой нежестких валов на станке 16К20Ф3. Разработанные компьютерные системы измерения сил резания и исследования качественных показателей обработанных изделий, программа обработки экспериментальных данных используются при проведении научно-исследовательских работ, а также при проведении занятий по дисциплинам «Математическое моделирование процессов машиностроения», «Теория автоматического управления», «Адаптивные системы управления» на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления.
Разработанная система управления продольным профилем нежестких валов рекомендована к внедрению на предприятиях ОАО «Волгодизельмаш им. Маминых», ОАО «Волгодизельаппарат».
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Направления доработки объекта управления и структуры системы управления, выявленные по результатам рассмотрения расширенной задачи управления и математического моделирования работы системы управления.
2. Полученные результаты зависимости эффективности системы от величины транспортного запаздывания объекта управления и интенсивности среднечастотных возмущающих воздействий.
3. Многосвязная система управления силой резания и положением резца по поперечной оси с динамическим компенсатором.
4. Новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежесткого вала, численное моделирование работы которой показало снижение ошибки управления внешнего контура более чем в 2 раза и позволило сделать вывод о достижении поставленной в работе цели.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009), II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Саратов, 2010), Шестом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011), Международной конференции, посвященной 70-летию Самарского государственного аэрокосмического университета и 100-летию ОАО «Кузнецов» (Самара, СГАУ, 2012), 13 Международном форуме «Образовательная среда-2011» (Москва, ВДНХ, 2011), международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях 24, 25» (Саратов, 2011, 2012). Разработанная система в 2012 году стала победителем Всероссийского конкурса научных и инновационных проектов молодых ученых Минобрнауки РФ и рекомендована для внедрения на ОАО «КаМАЗ» и других предприятиях машиностроения.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 13 печатных работах, в числе которых 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора заключается в формулировании цели и постановке задач исследований, разработке методик, проведении теоретических и экспериментальных исследований, построении математических моделей, синтезе систем управления, компьютерном моделировании разработанных систем, создании программно-аппаратного обеспечения для проведения и обработки результатов экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 179 страницах, содержит 97 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы включает 128 наименований.
