Введение к работе
Актуальность. Современное станочное оборудование открывает новые технологические возможности для повышения качества обработки сложных и точных поверхностей. Это, прежде всего, связано с тем, что металлообрабатывающие станки и комплексы оснащаются высокоэффективными управляемыми приводами, специальными информационными системами и другими функциональными устройствами с улучшенными техническими характеристиками. Совершенствуются несущие конструкции станков и широко внедряются компьютерные информационно-измерительные и управляющие системы. Расширилось применение системы автоматизированного проектирования технологических процессов оборудования и управляющих программ. Внедряются CALS технологии. Все больше используется имитационное моделирование на ЭВМ сложных конструкций, слабоформализуемых процессов и влияния возмущающих воздействий. Все это позволяет проектировать более совершенные технологические процессы с точки зрения качества и обеспечения инвариантности к некоторым возмущениям. Получили развитие теоретические и экспериментальные методы исследования статистической и динамической точности и надежности станков. Разработка новых методов моделирования нелинейной динамики в машиноведении, в том числе и с учетом синергетики, концептуально позволяет перейти на новый этап формирования управления для рассматриваемых технически сложных объектов машиностроения.
Вместе с тем возникают теоретические и практические трудности. Множество исследований в области технологии и оборудования для механической обработки завершаются моделями ограниченной размерности с эмпирическими коэффициентами только для конкретных реализаций технологических процессов. При чистовой обработке тонкие процессы формирования микрогеомегрии поверхности учитываются не в полной мере. Таким образом, необходимы фундаментальные результаты для априорного моделирования возмущений от целого ряда факторов, возникающих в условиях производства. Для многосвязанных нелинейных технологических структур даже при условии их стационарного состояния отсутствует практическая возможность получения достаточно адекватных моделей с числовыми коэффициентами. К тому же, в условиях нестационарного функционирования эти модели каждый раз изменяют свою структуру или порядок характеристического уравнения.
Прикладная теория автоматического управления (ТАУ), являющаяся базовой для классических задач синтеза, не может обеспечивать инженерными методиками синтез регуляторов рассматриваемого класса задач. Эти методики универсальны, но не дают возможность в полной мере учесть особенности функционирования сложного технологического оборудования и формообразования при резании для управления в реальном времени, т.к. были созданы и апробированы в основном для более простых задач ТАУ. Методы и принципы многомерного управления и анализа для подобных задач математической (аналитической) ТАУ представлены на концептуальном уровне и с учетом особенностей проблемы требуют дополнительных исследований. Для ряда конкретных приложений суще-
ствуют инженерные разработки, но в них отсутствует универсальность с точки зрения использования в другой предметной области. Исследования в области адаптивного (оптимального) управления станками, которые по своему содержанию могли бы преодолеть часть этих реальных трудностей, применяются на практике для ограниченного круга задач и широкого промышленного использования не получили. В большей степени это связано с низкой «наблюдаемостью» и, соответственно, с низкой «управляемостью» объектов в реальном времени.
Существенной альтернативой в этих условиях является динамический мониторинг качества функционирования станков и процессов, обеспечивающих или сопутствующих формообразованию изделий. В связи с этим обоснование и реализация динамического мониторинга сложного технологического оборудования в многономенклатурном автоматизированном производстве являются актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.
Цель работы - повышение эффективности функционирования сложного технологического оборудования в многономенклатурном автоматизированном производстве на основе динамического мониторинга качества формообразования в процессе эксплуатации (реальном времени).
Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теорий управления, колебаний, вероятностей и математической статистики, основных положений динамики станков, технологии машиностроения, а также математического моделирования на ЭВМ. Для определения возможности универсального подхода и общности при формировании мониторинга исследования выполнены на оборудовании различного технологического назначения (токарном, фрезерном и шлифовальном). Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании в лабораторных и реальных производственных условиях по оригинальным методикам с обработкой полученных результатов на ЭВМ.
Научная новизна работы состоит из следующих наиболее крупных результатов:
Найдено решение научной проблемы «Обоснование и реализация динамического мониторинга сложного технологического оборудования в многономенклатурном автоматизированном производстве», основанное на законах и принципах технической кибернетики и машиноведения.
В условиях многономенклатурного автоматизированного производства по результатам системного анализа металлорежущих станков показаны необходимость и пути повышения их наблюдаемости в пространстве состояний на основе формирования динамического мониторинга качества процессов, обеспечивающих или сопутствующих формообразованию деталей.
Исследованы динамические модели функционирования токарных, шлифовальных и фрезерных станков при наличии возмущений, позволившие определить общие закономерности для формирования их мониторинга в процессе эксплуатации.
Создана перспективная информационная технология с адаптивными свойствами и обоснованы критерии оценки качества при мониторинге. Предложена технология косвенной многоуровневой оценки качества процессов, сопро-
вождающих резание, по вибросигналам о колебаниях, регистрируемых в динамической системе станка в виде временных рядов динамики.
5. Разработаны принципы оптимальной динамической настройки, кото
рые заключаются в формировании оптимальных динамических свойств станка
на основе анализа динамического взаимодействия инструмента и заготовки,
связанных процессом резания подсистем, и оптимизации параметров техноло
гического режима, и позволяют адаптироваться к допредельным изменениям
состояния станка, в различных аспектах интерпретируя одну и ту же входную
информацию.
6. Разработана методика формирования оптимальных динамических
свойств станка, базирующаяся на коррекции параметров подсистем инструмента
и заготовки, что позволяет эффективно подавлять негативные процессы, проте
кающие в динамической системе станка при резании.
7. Показано, что дальнейшее развитие технологии мониторинга целесооб
разно вести в направлении использования искусственных нейронных сетей для
выявления неявных зависимостей между динамическим состоянием станков и
параметрами качества изготавливаемых на них деталей. Практически это позво
лит вести мониторинг параметров качества деталей в реальном времени, но при
условии решения вопросов оптимизации архитектуры нейросети и совершенст
вования алгоритма ее обучения, поскольку зависимости между параметрам а ка
чества деталей и характеристиками вибросигналов о колебаниях не имеют явно
выраженных количественных закономерностей.
Практическая ценность и реализация результатов работы;
Программно-математический комплекс оценки качества формообразования деталей реализован для мониторинга чистовой обработки тел вращения при абразивной и чистовой токарной обработке и внедрен в ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ОАО «Тантал», ЗАО «Саратовский авиационный завод» и ЗАО «Тантал-ЕОС Normalien».
Создано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного мониторинга процесса резания, которое позволяет осуществлять оптимизацию параметров технологического режима непосредственно на действующем технологическом оборудовании в направлении максимальне эффективного использования его потенциальных возможностей.
На основе результатов исследований на предприятиях машиностроительной, приборостроительной и станкостроительной промышленности внедрены методы и средства, позволяющие осуществлять оптимальную динамическую настройку оборудования и на этой основе повысить показатели его эксплуатацио иной надежности (коэффициент готовности - до 0,96-0,98; коэффициент работы по управляющим программам - до 0,88-0,92).
На основании теоретических исследований динамических процессов и результатов экспериментов предложена конструктивная доработка шлифовального и фрезерного станков с целью минимизации динамической погрешности формообразования и упрощения задач мониторинга.
5. Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс в СГТУ и на основе полученных результатов опубликовано 4 учебных пособия с грифом УМО в области автоматизированного машиностроения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: 3-м Международном конгрессе «Конструкторско-технологичес-кая информатика - КТИ-96» (Москва, 1996 г.); Всероссийской молодежной научной конференции «22-е Гагаринские чтения» (Москва, 1996 г.); Международной научно-технической конференции «Точность автоматизированных производств (ТАП-97)» (Пенза, 1997 г.); V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1998 г.); Международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем (ТТиТС-98)» (Пенза, 1998 г.); Всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров» (Саратов, 2000 г.); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2001 г.); Международной конференции «Актуальные проблемы конструк-торско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (Волгоград, 2003 г.); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Хабаровск, 2003 г.); Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2003 г.); Международной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.); VII Международной конференции по динамике технологических систем -«ДТС-2004» (Саратов, 2004 г.); 5-й Международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах жизненного цикла (Брянск, 2005 г.); 6-й Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Волжский, 2006 г.); Международной научно-технической конференции «Повышение качества продукции и эффективности производства» (Курган, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 42 печатные работы, в том числе 9 - в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ, а также 2 монографии.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка используемой литературы из 318 наименований и 2 приложений, содержит 358 страниц текста, 166 рисунков и 17 таблиц.
