Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов и средств определения параметров процесса фрезерования. Фазовое пространство процесса фрезерования .
1.1 Обзор методов исследований и средств измерений в области анализа процесса фрезерования и свойств режущего инструмента.
1.2 Анализ фазового пространства процесса лезвийной обработки металла .
1.2.1 Выбор фазовых переменных фазового пространства фрезерного станка.
1.2.2 Анализ кинематической и геометрической компонент фазового пространства процесса фрезерования.
1.2.3 Анализ динамической компоненты фазового пространства процесса фрезерования.
1.2.4 Состав фазового пространства процесса фрезерования.
1.3 Постановка задачи.
Выводы по 1
2. Синтез категорной модели информационных потоков объекта измерений .
2.1 Системный подход к проектированию ИИС.
2.2 Базисные множества фазовых переменных ОИ .
2.2.1 Множество состояний ОИ.
2.2.2 Множество силовых проявлений ОИ.
2.3 Категорное представление базисных множеств параметров ОИ.
2.4 Категорное представление базисных множеств силовых проявлений параметров ОИ.
2.5 Структурно - аналитическая категория.
Выводы по 2
3. Категорный синтез измерительной системы .
3.1 Структурный синтез измерительной системы.
3.1.1 Представления о сложных специализированных ИС .
3.1.2 Структурные методы проектирования ИС.
3.1.3 Структура ИС ИТПФ.
3.2 Требования к ИС потребляемой мощности.
3.3 Синтез структуры ИС потребляемой мощности.
3.4 Аналитический синтез структуры блоков ИС потребляемой мощности.
Выводы по 3
4. Метрологический анализ и метрологические характеристики ИС состояния процесса фрезерования .
4.1 Уравнение измерений в операторной форме.
4.2 Метрологический анализ характеристик ИС .
4.2.1 Определение погрешности измерения ФБ.
4.2.2 Определение погрешности временной согласованности измерений.
4.2.3 Определение динамической погрешности измерения.
4.3 Описание измерительного эксперимента.
Выводы по 4
Основные выводы и результаты список использованных источников
- Анализ фазового пространства процесса лезвийной обработки металла
- Базисные множества фазовых переменных ОИ
- Представления о сложных специализированных ИС
- Метрологический анализ характеристик ИС
Введение к работе
Во многих отраслях промышленности, которые связаны с производством или использованием режущего обрабатывающего инструмента, актуально необходим детальный анализ процесса обработки для получения таких важных характеристик как, например, оптимальные геометрические формы режущей кромки при разработке новых видов режущего инструмента, качество его изготовления, технологические режимы резания и.т.п. Актуальность данного анализа тем более обоснована потребностью в новых эффективных методах оценки состояния и анализа процесса работы производственного режущего инструмента для интенсификации и оптимизации процесса резания.
Существующие на сегодня методы измерения различных параметров процесса обработки металла связаны с набором экспериментальных данных и составлением нормированных карт, использование которых позволяет с некоторой достоверностью назначать режимы обработки, приближающиеся к оптимальным. Износ режущего инструмента определяют измерением его геометрических параметров. Развитие теории ограничивается сложностью многопараметрических функций процесса резания.
Для увеличения эффективности процесса фрезерования и повышения надежности режущего инструмента за последнее время проведено большое число исследований, которые относятся и к теории резания металлов, и к определению оптимальных параметров фрезерования. Однако эти исследования затрагивают лишь частные стороны данного процесса. Например, построенные математические модели процесса фрезерования не описывают функционирование полного спектра параметров процесса как системы, основу составляет лишь часть моделируемых параметров. Статистические методы жестко привязаны к конфигурации фрез и свойствам обрабатываемого материала. Измерительные системы анализа силовых характеристик процесса на основе тензометрических датчиков значительно ограничивают функциональные возможности оборудования, и находят применение лишь в лабораторных условиях.
Анализ результатов опубликованных научно-исследовательских работ позволяет сделать вывод о том, что процесс фрезерования является крайне сложным с точки зрения его геометрии, кинематики и динамики. Детальный анализ процесса фрезерования возможен только с использованием современных измерительных средств.
Измерительные средства позволяют получить представление о свойствах окружающих нас объектов. Они являются промежуточными звеньями, преобразующими информацию об объектах к виду, который мы способны воспринимать. Измерительные системы находят применение абсолютно во всех направлениях промышленности, науки и техники. Современные измерительные средства — информационно - измерительные системы (ИИС), представляют собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных средств, служащих для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.
Одно из центральных мест в теории проектирования измерительных систем занимает разработка методик построения ИС контроля состояния сложных объектов. Сложность такой задачи обусловлена многообразием технических состояний объекта и значительной степенью неопределенности их изменения. Для отдельных типов объектов разработаны модельные конструкции, позволяющие производить диагностику состояния объектов контроля (ОК) заданной сложности при условии полной аналитической определенности траектории их поведения. Принципиально важным, однако, является создание модели, отражающей общие основы построения и содержания математического описания объектов контроля произвольной природы. Современные представления о проектировании сложных измерительно — вычислительных комплексов и систем основываются на сформированных в 80-е годы теоретических работах Иванова В.Н., Орнатского П.П., Крауса М и других исследователей. Предпосылкой появления этого направления измерительных систем (ИС) явилось бурное развитие процессорных измерительных систем, которые в отличие от своих предшественников имели в своем составе средства оперативного изменения алгоритма работы - перепрограммируемую память. Кроме того, измерительные процедуры стало возможным задавать в числовой форме в виде программы обработки измерительных данных.
Развитие вычислительной техники в настоящее время привело к тому, что наличие блока обработки измерительных данных в числовой форме на основе какого либо из классов процессоров является практически необходимым условием для зачисления измерительной системы в класс ИИС. Развитие теоретических исследований позволило выявить спецификацию требований для отнесения того или иного измерительного устройства к классу ИИС. Среди них можно отметить различные возможности изменения алгоритма измерений, как на основе априорной информации об объекте измерения, так и в процессе выполнения измерительной процедуры на основе предварительного анализа входных параметров. Сюда также относятся возможности самотестирования измерительных каналов и алгоритмов, для которых в настоящее время разработаны и утверждены международные стандарты и интерфейсы (например JTAG). Выбор параметров и/или алгоритма измерения может производиться как до непосредственного осуществления измерительной процедуры путем непосредственного выбора на основе априорных знаний, так и во время ее выполнения, подразумевая наличие в измерительной системе средств управления базами измерительных знаний.
Среди дополнительных требований можно выделить возможности связанные с использованием слабо формализованных, нечетких, экспертных знаний о предметной области (системы управления основанные на Fuzzy Logic), и средствах управления ими на основе теории принятия решений, с использованием аппарата нейронных сетей и т.п.
Методики проектирования измерительных систем находятся в процессе постоянного совершенствования. Среди наиболее перспективных направлений можно выделить ИИС с перестраиваемой аппаратной структурой как цифровых так и аналоговых измерительных каналов, использование баз измерительных процедур, более формализованное представление результатов измерений.
В проектировании ИИС существует несколько направлений. Это структурный, аналитический и структурно-аналитический методы проектирования. Вопросами создания методов синтеза и оптимизации систем занимались такие известные ученые, как: Бусленко Н.П., Шастова Г.А., Цветков Э.И., Муха Ю.П., Новоселов О.Н., Королева И.Ю. и др. Но существующие до сих пор ИИС использовались в основном для контроля состояния измеряемой системы, имеющей строго ограниченный набор параметров. Т.е. ИИС осуществляла функции контроля и управления каким-либо процессом (управление процессом адсорбции-десорбции, полетом самолета и.т.д.)
Анализ литературных данных показал отсутствие единой методики анализа процесса фрезерования, позволяющей исследовать компоненты процесса на различных уровнях детализации с необходимой степенью точности. Создание такой методики стало возможным при использовании сложной информационно-измерительной системы.
Цель и задачи работы. Конечной целью диссертационной работы является решение следующих вопросов по разработке методики проектирования сложной специализированной измерительной системы параметров процесса фрезерования в рамках адекватного математического аппарата: - разработка подхода к проведению анализа структуры процесса фрезерования с точки зрения его представления фазовым пространством состояний;
- обоснование корректности использования математического аппарата теории категорий для представления процесса фрезерования;
- разработка метода представления категорий состояния и силовых проявлений процесса фрезерования;
- рассмотрение категории состояния процесса фрезерования и силовых его проявлений как наиболее информативных отображений структуры процесса фрезерования;
- определение связи между категориями представления состояния системы и силовыми проявлениями процесса;
- разработка требований к ИС;
- разработка методики проектирования структуры ИС исходя из спецификации требований различных уровней;
- разработка специализированной измерительной системы процесса фрезерования;
- проведение измерительных экспериментов, показывающих адекватность измерительной системы процессу фрезерования.
Методы исследования: методы теории множеств, фазового пространства, теории категорий, структурные методы.
Новые научные результы работы заключаются в следующем:
- изложен подход к проведению анализа структуры компонент процесса фрезерования как объекта измерений с точки зрения его представления фазовым пространством состояний;
- обоснована корректность использования математического аппарата теории категорий для представления процесса фрезерования;
- разработан метод представления категорий состояния и силовых проявлений процесса фрезерования, позволяющий универсальным образом описывать компоненты процесса различной природы; - рассмотрены категория состояния процесса фрезерования и категория силовых его проявлений как наиболее информативные структуры процесса фрезерования;
- связь между категориями представления состояния системы и силовыми проявлениями процесса в этом состоянии связаны функторными отображениями.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработаны требования к ИС, представляющие собой совокупность требований двух уровней;
- разработана методика проектирования структуры ИС исходя из спецификации требований первого уровня; с учетом спецификации требований второго уровня разработан функциональный состав блоков ИС;
- на основе методики разработана и реализована ИС исследования процесса фрезерования на горизонтальных фрезерных станках типа ГФ2171;
- разработана методика проведения метрологического анализа блоков и межблочных интерфейсов ИС по ее структуре, представленной в категорном виде;
- на основании проведенных измерительных экспериментов показана адекватность измеряемых параметров процессу фрезерования.
Основные положения выносимые на защиту:
- методика синтеза структурно-аналитической категории процесса фрезерования
- методика проектирования ИС процесса фрезерования
- методика метрологическиго анализа ИС комбинированным методом
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
- на IV Межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгоградской области (1-10 декабря 1998 г), г. Волгоград, ВолгГТУ; - на VI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области по направлению «Электронные устройства и системы» (13-16 ноября 2002 г), г. Волгоград, ВолгГТУ;
- на научных семинарах кафедры ВТ ВолгГТУ, 2000-2004 гг. Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 107 наименований.
В первой главе проводится анализ фазового пространства процесса лезвийной обработки металла, в частности, фрезерования, которое включает в себя многообразие фрез различной конструкции, применение разнообразных способов фрезерования и использование различных параметров обработки. Рассматриваются кинетические и геометрические особенности процесса. Динамика процесса фрезерования представлена силой резания, которая является проявлением сопротивления пластической деформации металла, деформации изгиба и ломания, и сил трения. Показано, что теоретическое уравнение силы резания для строгального резца является многомерной неупорядоченной зависимостью множества компонентов как объектов фрезерования, так и процессов, протекающих при обработке металла. Для представления процесса фрезерования в целом необходима его формализация как математической модели динамической системы, основанной на понятии состояния.
Проведен сравнительный обзор по различным методам изучения процесса фрезерования. Показано, что ни один из методов не описывает полностью особенности процесса фрезерования.
Проведенный анализ априорных представлений о процессе фрезерования позволяет сделать вывод о том, что задачам оценки процесса фрезерования и состояния инструмента в наибольшей степени отвечает оперативная информация о значениях динамических характеристик процесса резания. В число характеристик, доступных для прямого измерения в промышленных условиях непосредственно в процессе обработки входит активная мощность потребляемая из сети приводом главного движения. Объединение всех характеристик процесса — геометрических., кинематических и динамических в связанную структуру позволит объединить результаты исследований различных процессов, сопровождающих процесс фрезерования. Это можно осуществить с помощью ИИС.
Для формализации процесса фрезерования в целом эту сложную многопараметрическую зависимость можно представить в виде фазового пространства представленного как совокупность кинематической, динамических и геометрических параметров процесса. Фазовое пространство X и оператор Т составляют математическую модель динамической системы.
В второй главе для описания правил функционирования и параметров процесса фрезерования и проектирования сложных специализированных ИС представлен адекватный математический аппарат (теория категорий и функторов) С ее помощью можно представить модель информационных потоков в виде жестко определенной структуры - категории.
Представлены базисные множества, описывающие процесс, дано категорное представления процесса фрезерования и силовые его проявления. В качестве объектов категории принято множество совокупностей значений сил, задействованных в процессе фрезерования- Морфизмы -переходы, образующие траекторию изменения значений силовых проявлений в соответствии с изменениями состояния ОК. Доказана связь этих категорий функторным отображением с дополнительно определенными свойствами гомоморфности.
Предложенный способ представления процесса фрезерования в виде структуры категорий позволил подойти к рассмотрению процесса формализовано с различных сторон с разной степенью детализации и изучению соответствующих свойств процесса фрезерования. В третьей главе дается описание процесса разработки измерительной системы. Требования к разрабатываемой ИС представлены в виде двух уровней. Первый - определяет совокупность структурных параметров измерительных каналов. В них определены принципы преобразования измеряемой величины в результат измерений. Второй - ряд метрологических характеристик блоков измерительной цепи. Структуру ИС представляли в категорной форме. В соответствии с предъявленными требованиями выделены подсистемы измерения питающего напряжения, потребляемого тока и подсистемы синхронизации определения положения привода главного движения.
Показано, что ИС состоит из трех измерительных каналов измерения напряжения, трех ИК измерения тока и одного синхронизирующего ИК, определяющего положение привода главного движения.
В четвертой главе проведен метрологический анализ ИС с целью определения соответствия погрешностей, возникающих в ходе измерений и подсистем и блоков ИС, осуществляющих соответствующие необходимые преобразования измеряемой величины и разработана методика проведения метрологического анализа структуры ИС.
После реализации ИС были проведены эксперименты с целью сбора экспериментальных данных на различных режимах работы фрезерного станка, проверена работоспособность измерительного оборудования в производственных условиях, выявлены зависимости измеряемого сигнала от режима работы станка.
Анализ фазового пространства процесса лезвийной обработки металла
Для того чтобы производительно и экономично обрабатывать различные поверхности, в том числе тела вращения, прямые профильные образования на цилиндрах, прямые и винтовые зубчатые венцы на колесах, резьбовые поверхности, и т.д., разработана и используется широкая номенклатура стандартных и специальных фрез [19,40]. На рис. 1.7 представлены некоторые представители фрез различного назначения. Концевые фрезы предназначены для обработки открытых пазов, стенок замкнутых профильных углублений и отверстий в плоских заготовках; торцевые - для обработки плоских поверхностей, например, на корпусных деталях; дисковые - для фрезерования канавок; червячные - для фрезерования зубчатых колес [5,67,71]. Повышение производительности процесса фрезерования может достигаться различными средствами [34], которые можно классифицировать на три направления. Первое - использование различной конструкции самих фрез [72,73]: использование сборных модульных фрез; многозаходные фрезы; рациональные геометрические параметры фрез; фрезы с перераспределенной нагрузкой на режущие поверхности; острозаточенные фрезы. Второе — применение разнообразных способов фрезерования: осевые передвижки; диагональное фрезерование; радиальное врезание (для червячных зуборезных фрез); попутное фрезерование; высокоскоростное резание; применение больших подач (Н.И. Шавлюга); прогрессивные схемы резания. Третье — использование оптимальных параметров резания и свойств материалов режущего инструмента: применение смазывающе-охлаждающих жидкостей; лазерная закалка инструмента; износостойкие покрытия; твердосплавные материалы; оптимальные технологические режимы. Чтобы каким-то образом объединить такое многообразие возможностей изменения процесса фрезерования в одно целое необходимо определить фазовое пространство процесса фрезерования. Определение фазового пространства процесса необходимо начать с рассмотрения структурной схемы фрезерного станка.
Для представления процесса фрезерования в целом необходимо его формализовать. Ввиду значительного количества составляющих параметров, влияющих на качество фрезерования, эту сложную многопараметрическую зависимость можно представить в виде фазового пространства с многообразием составляющих. Для этого мы можем воспользоваться « методом точечных отображений.
В основе метода точечных отображений в теории нелинейных колебаний лежит геометризация проблемы изучения движений динамических систем. Свое начало данный метод ведет от работ Пуанкаре и Дж. Бир.
Согласно данному методу механическую систему в заданный момент времени необходимо описать заданием положений и скоростей ее материальных точек. Следующий шаг заключается в изучении и установлении закономерностей изменения описания во времени.
Описание X некоторой системы S называется состоянием, если описание X(t+At) в следующий момент времени t+At однозначно определяется ее предшествующим описанием X(t) в момент времени t, так что X(t+At) = Т (X(t), t, At) (1.1) В данном уравнении Т представляет собой оператор, определяющий процедуру, выполняя которую по описанию X(t) в момент времени t можно найти описание X(t+At) той же системы Привод главного движения обычно осуществляется с использованием трехфазного асинхронного двигателя. Направление движения, а также вспомогательные функции, такие как разгон, торможение, аварийное отключение и т.п. контролируется схемами под логическим управлением системы ЧПУ [6,7,64,68,75,73]. Процесс механической обработки осуществляется только в рабочем режиме. Привод главного движения в каждый момент времени характеризуется переменными потребляемой энергии (напряжение Х11д и ток ХЫв или совокупная характеристика -мощность ХРдв) и выходным параметром - крутящим моментов на выходном валу Xм. Характеристика нагрузки на валу двигателя напрямую связана и однозначно определяет потребляемый двигателем ток в рабочем режиме. Таким образом, удобно рассматривать этот элемент системы как электромеханический преобразователь [12,66,15]. Ограничения значений переменных определяются эксплуатационными характеристиками привода.
Электропривод жестко механически соединен с коробкой передач, позволяющей задавать различные скорости главного движения (количество оборотов в мин.). Данный механический преобразователь осуществляет передачу энергии вращения от главного двигателя рабочему органу станка -фрезе. Значение переменной трансформации коробки передач ХпКП входит в множество начальных технологических параметров, задающих режим процесса фрезерования Xm.
Непосредственно рабочим органом станка является режущий инструмент — фреза. Режущий инструмент в каждый момент времени характеризуется набором фазовых переменных, определяющих его состояние ХФР. В зависимости от множества этих параметров учитываются, а следовательно и подлежат исследованию, те или иные особенности фрез. Фреза механически связана с выходным валом коробки передач и посредством передаваемого ей главного движения участвует в процессе фрезерования.
Базисные множества фазовых переменных ОИ
В соответствии с целью данной работы, необходимо на основе рассмотренного фазового пространства состояний ОИ определить объект исследований - процесс фрезерования. В первом разделе в качестве основных компонент фазового пространства состояний процесса фрезерования были выделены кинематическая, геометрическая и динамическая составляющие. Наиболее информативным элементом, включающим в себя все проявления процесса, была выбрана сила резания.
Для математического описания любого объекта необходимо представить базисные множества, включающие необходимые классы компонент системы.
В процессе обработки металла резанием на фрезерных станках происходит процесс деформации металла заготовки под действием сил резания режущего инструмента. Этот процесс является непрерывным, обладающим ярко выраженным свойством периодичности.
В данной работе, на основании результатов исследований фазового пространства (Ж, в качестве наиболее информативного параметра принимается силовая характеристика процесса резания. Следовательно, под выходным множеством будем понимать множество мгновенных значений сил, реализующих процесс резания.
Реально процесс обработки является непрерывным процессом, однако ввиду огромного перечня подтипов обработки, особенно с применением 411 У, для адекватного анализа процесса появляется необходимость разбивать процесс фрезерования на интервалы, характеризующие обработку с постоянными технологическими параметрами. Так, ЧПУ фрезерного станка ГФ2171 в процессе обработки заготовки позволяет не только изменять направление перемещения РИ, его подачу, но и скорость резания (число оборотов) а также сам режущий инструмент без участия оператора в соответствии с заложенным ПО.
Применение средств вычислительной техники, предназначенных для работы с дискретными (цифровыми) величинами, обязывает представлять непрерывные процессы их дискретными аналогами. Значения координат, регистрируемых в процессе исследования, являются траекториями, заданными на временных интервалах. Известно, что траектория силы резания является функцией чрезвычайно большого числа параметров и мгновенное ее значение не может в общем случае однозначно определять значения всех ее аргументов. Следовательно, на базисном множестве т необходимо определить систему подмножеств, в которой каждый элемент может интерпретироваться как продолжительность одного периода исследования процесса. Каждый из элементов, в свою очередь, разбивается на кванты времени, на которых все параметры системы считаются постоянными. Они будут определять параметры дискретизации по времени для подсистемы измерений.
На основании исследований, описанных в первой главе, можно заключить, что в данной системе очевидна множественная взаимосвязь огромного количества свойств объектов, вовлеченных в совокупность различных процессов, итогом которых является исследуемый процесс -фрезерование. Вследствие этого возможности обозначить влияние конкретного процесса на выбранный параметр при использовании большинства математических аппаратов не существует.
Структура, полученная на предыдущем этапе представляет собой описание состояния объекта измерений в заданный момент времени. Функциональность же ОИ определяется правилами его переходов из одного состояния в другое. При этом значения каждого из параметров, входящих в структуру ОИ в общем случае будет определяться значениями всех параметров в предыдущем состоянии.
Множество Q и будет определять правила переходов из одного состояния в следующее. Множество Q как множество режимов функционирования ОИ определяет элементы множества X в данный момент времени для изначально заданного режима процесса фрезерования заданной детали заданным РИ. Отсюда, множество Q можно представить следующим отображением: Q.X, - Xl+l или другими словами Х1+л =Q(Xt). Если не брать во внимание влияние внешних и случайных параметров, влияющих на эти зависимости, то ввиду однозначности процесса обработки, (его имитации в математической модели) можно записатьXt = (Х0, )Для VfeJ.
Представления о сложных специализированных ИС
Современные представления о сложных измерительно — вычислительных комплексах и системах основываются на сформированных в 80-е годы теоретических работах Иванова В.Н., Орнатского П.П., Крауса М и других исследователей. Предпосылкой появления этого направления измерительных систем явилось бурное развитие процессорных измерительных систем, которые в отличие от своих предшественников могли иметь в своем составе средства оперативного изменения алгоритма работы — перепрограммируемую память. Кроме того, измерительные процедуры стало возможным задавать в числовой форме в виде программы обработки измерительных данных [90].
Развитие вычислительной техники в настоящее время привело к тому, что наличие блока обработки измерительных данных в числовой форме на основе какого либо из классов процессоров является практически необходимым условием для зачисления измерительной системы в класс СИИС. Тем не менее, четкого определения сложного средства измерения, жестко определяющего границы его требований не существует. Вместо него «сложность» рассматривается как интегральный показатель уровня комплексного использования программно - аппаратных измерительных возможностей на основе априорной и текущей информации о цели и условиях производимых измерений [78].
Развитие теоретических исследований позволило выявить спецификацию требований для отнесения того или иного измерительного устройства к классу сложного. Среди них можно отметить различные возможности изменения алгоритма измерений, как на основе априорной информации об объекте измерения, так и в процессе выполнения измерительной процедуры на основе предварительного анализа входных параметров. Причем изменение алгоритма измерений может варьироваться от простейшей оптимизации параметров измерительной процедуры до глобальных структурных изменений измерительного алгоритма. Сюда также относятся возможности самотестирования измерительных каналов и алгоритмов, в настоящее время для которых разработаны и утверждены международные стандарты и интерфейсы (JTAG). Выбор параметров и/или алгоритма измерения может производиться как до непосредственного осуществления измерительной процедуры путем ее выбора на основе априорных знаний, так и во время ее выполнения, подразумевая наличие в измерительной системе средств управления базами измерительных знаний.
Среди дополнительных требований можно выделить возможности связанные с использованием слабо формализованных, нечетких, экспертных знаний о предметной области (алгоритмы систем управления Fuzzy Logic), и средствах управления ими на основе теории принятия решений, с использованием аппарата нейронных сетей и т.п.
Условно, ИИС можно разделить на два класса измерительных устройств[56,76]: 1. Устройства предназначенные для осуществления контроля процесса, результаты измерений которых помогают принять решение о состоянии исследуемого объекта. В этот класс можно отнести все устройства адаптивного управления (например подсистема управления приводами подач в станках с ЧПУ), измерительного контроля (начиная от систем контроля рабочих параметров, таких как напряжение, ток потребления и т.п. и заканчивая системами сигнализации). 2. Измерительные системы сбора, хранения и анализа данных. Среди них можно выделить различные системы мониторинга объектов — механических, биологических, природных. Системы сбора и анализа априорных знаний о новых объектах измерений, ИИС применяемые для сбора данных для последующих исследований (Data Acquisition System). Измерительные системы первого класса осуществляют преобразование вектора входных (измеряемых) параметров в набор выходных решений, определяющих нахождение исследуемого объекта в области допустимых значений (области нормального функционирования). При этом в задачи подсистемы входит осуществление преобразования входных (измеренных) параметров в вид, наиболее удобный для сравнения с эталонным состоянием объекта и осуществление самого сравнения. На основе сравнения принимается решение и блоку управления направляется команда на изменение состояния. Очевидны два этапа влияющих на точность определения состояния объекта — это операция преобразования и операция сравнения (здесь имеется ввиду преобразование вектора отклонений входных параметров в вектор определяющий состояние системы). Точность операции преобразования зависит от точности представления модели (эталона) в измерительной системе. То есть точности выполнения измерительных преобразований в приведении к эталонному виду. Точность блока сравнения с эталоном в большей части зависит от полноты описания поведения исследуемого объекта и чем более полное описание содержит эталон измерительной системы, тем более точно будет определяться состояние объекта измерения. Ввиду сложности исследуемого сигнала, необходимо уже на этапе снятия информации преобразовать сигнал таким образом, чтобы влияние искажения сигнала помехами не приводило бы к изменению сигнала при преобразовании его в цифровую форму.
Для обработки больших массивов измерительных данных, имеющих сложную внутреннюю структуру в последнее время используется аппарат WAWELET анализа. Данный анализ является сравнительно новым и дает очень хорошие результаты в приложениях обработки и сжатия дискретизированных периодических сигналов. При переносе данной теории на аппаратный уровень, и применении современных средств обработки информации (DSP - цифровые сигнальные процессоры) появится возможность создания автономных средств контроля и диагностики процесса фрезерования, позволяющих непрерывно контролировать необходимые параметры.
Метрологический анализ характеристик ИС
Классически, основными характеристиками блока аналога - цифровой обработки сигнала являются частота дискретизации и разрядность. Эти параметры в наибольшей степени определяют метрологические характеристики не только блока АЦП, но и всей ИС в целом. Исходя из этого, оператор R является составным оператором и представим в следующей форме R uW R R uft). Рассмотрим более подробно методику определения погрешностей блока АЦП, вносимых каждым из этих преобразований. Дискретизация имеет целью фиксацию мгновенного значения входного воздействия в установленный момент времени. В общем случае аргументом входного воздействия может быть не только время, но и пространственные или фазовые координаты. Однако, результаты, получаемые для входного воздействия, у которого аргумент - текущее время, не только представляют наибольший практический интерес, но и имеют достаточно общий характер, позволяющий их использовать при рассмотрении других случаев. Опыт построения средств измерений предопределил возможное соотношение между временем измерения и изменением на этом интервале измеряемой величины. Оно должно обеспечивать выполнение условия [82] и +дО-иД0«и,(0, (4.21) обеспечивающего малый уровень динамических погрешностей результатов измерений. Выполнение этого условия позволяет при исследовании характеристик погрешностей ограничиваться малым числом видов моделей входного воздействия, обеспечивающим, однако, высокую степень адекватности одной из них реальному иДг). Наиболее адекватной моделью представления измеряемого сигнала в данной ИС будет являться синусоидальный сигнал. Использование АЦП ADS7835 в режиме с высокой частотой дискретизации обеспечивает выполнение условия (4.21).
Измерительная процедура аналого — цифрового преобразования включает трансформацию аналоговой величины в число, представляемое некоторой кодовой комбинацией, выполняется с помощью квантования. В операторной форме уравнение квантования имеет такой вид: R.U +AO-R U t) (4.22) Момент формирования результата квантования - t3 +At + Atkj (Atkj время, затрачиваемое на квантование в j-ом измерительном эксперименте). При последовательном выполнении дискретизации и квантования (дискретизация с накоплением) Atkj составляет часть интервала AtCM. При параллельном выполнении дискретизации и квантования (дискретизация с использованием последовательного счета) Atkj входит в состав At . Согласно литературным данным [80], погрешность результата квантования равна Дки е[-Д"ки/2,Д /2] (4.23) В реализуемой ИС АЦП имеет следующие характеристики: Диапазон входного напряжения: ± 2.5В Входное сопротивление 2кП Общая нелинейность ± 1LSB = ±1,22мВ Дк11 = ±1LSB =±1.22мВ, то есть 0,048% (относительных) Суммарная составляющая погрешности результата измерения напряжения для одного канала будет складываться из погрешности измерения напряжения в измерительном преобразователе и погрешности измерения напряжения в АЦП. Остальные функциональные блоки ( опто рф) осуществляют тождественные преобразования измеряемой величины в числовой форме и не 125 вносят в ее значение изменений. Следовательно, статическая погрешность измерений таких блоков будет равна нулю. Таким образом, погрешность измерения ФБ одного ИК не превышает 0,09% измеряемой величины. Расчет методической погрешности основывался на измерении мощности в процессе фрезерования дисковой фрезой при скорости 80 об/мин. Расчетные данные представлены в таблице 4.1. Таблица 4. Параметр Значение Среднее значение энергии за 10 оборотов РИ 972,883 кВт мс Дисперсия 2,485 кВт мс ОСКО 0,16% Важным компонентом, являющимся составной частью инструментальной погрешности выступает сам двигатель привода главного движения [15]. С энергетической точки зрения, его работу по преобразованию подводимой мощности в активную мощность на валу описывает энергетическая диаграмма: = 1+ 1+ 2+ 2+ 2+ где Р1 ЗС/ СОБ - активная подводимая мощность; Рш + РС] - потери в меди статора и стали статора; Рм2 + РС2- потери в меди ротора и стали ротора; Рмех- потери на трение в механике; Р2 - полезная мощность на валу.
Каждый из компонент описывается сложным нелинейным уравнением, зависящим от режима работы двигателя. Для данной измерительной системы рассматривается нормальный (не аварийный) режим работы трехфазного асинхронного двигателя с проскальзыванием S = 0.01 ч- 0.08 в режиме нагрузок, близких к номинальным ( 0,6 Риом -= І Рном).
Рассмотрим погрешности временной согласованности одного измерительного канала (рис. 4.1). Основным параметрам интерфейса, которые влияют на метрологические характеристики всей системы в целом, является временная задержка Т, вносимая интерфейсом при передаче измерительного сигнала с входа на выход. При этом необходимо учитывать тот факт, что при передаче через интерфейс измерительного сигнала он подвергается последовательным преобразования.
Сигнал, определяющий положение двигателя главного движения, а следовательно и инструмента проходит отличный от описанного путь преобразований. Поступая на вход первичного преобразователя (ИП2 Рис.4.1) сигнал преобразуется к форме, приемлемой для передачи через блок опто-электронной развязки. Регистрация сигнала положения происходит программой обработки в момент выдачи сигнала на начало АЦ-преобразования, посредством считывания состояния соответствующего интерфейсного входа.
Для оценки погрешности определения положения привода главного движения необходимо рассчитать разницу в задержке сигнала в цепи управления блоком АЦП и регистрацией сигнала положения. Для чего произведем расчет задержек измерительного сигнала в каждом из функциональных блоков.
В качестве экспериментальных данных принимались участки, соответствующие режиму полного резания, то есть за вычетом моментов врезания и выхода РИ из обрабатываемой заготовки, а также моментов изменения режима обработки (смена подачи, смена направления подачи, скорости вращения РИ).
