Содержание к диссертации
Введение
1. Современные тенденции и перспектива! управления процессом обработки 6
1.1 Управление процессом обработки с целью обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей 6
1.2 Перспективы развития систем управления процессом обработки
1.3. Классификация существующих систем управления процессом обработки. Анализ их достоинств и недостатков 9
1.4. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 39
2. Теоретическое исследование системы управления лезвийной обработкой по энергетическому критерию процесса резания 42
2.1 Обоснование выбора функциональной связи между параметрами качества поверхностного слоя и эксплуатационными свойствами изделий 42
2.2. Теоретическое определение производительности при обработке с поддержанием постоянства энергетического критерия процесса резания . 51
2.3 Определение производительности при обработке на режимах максимальной производительности и минимальной себестоимости 59
Выводы по главе 2 73
3. Обоснование и подтверждение возможности практической реализации системы управления процессом обработки по энергетическому критерию процесса резания 75
3.1 Реализация системы управления механообработкой на основе энергетического критерия резания 75
3.2 Обоснование выбора оборудования (станок, ЭВМ, устройство согласования)
3.3. Обоснование выбора устройств для замера сил резания и температуры в зоне резания. Их конструктивное оформление для исследовательского и производственного вариантов 85
3.4 Выбор и конструктивное оформление устройства для удаления стружки 93
3.5 Система управления процессом обработки и включение ее в производство 99
Выводы по главе 3 101
4 Экспериментальное исследование возможностей разработанной системы управления процессом обработки 103
4.1 Обработка с обеспечением постоянства параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности 103
4.2 Исследование постоянства износостойкости обработанной поверхности образцов из жаропрочных сплавов при неизменном значении критерия А 119
4.3 Расчет коррозионной стойкости деталей после механической обработки с применением системы адаптивного управления 133
Выводы по главе 4 140
Глава 5. Экономическое обоснование применения системы управления обработкой по энергетическому критерию резания А 141
5.1 Описание алгоритма определения оптимальных режимов резания для достижения шероховатости поверхности с учетом себестоимости обработки 141
5.2, Описание программы определения режимов резания 143
Выводы по главе 5 156
Общие выводы по работе 158
Список использованных источников
- Перспективы развития систем управления процессом обработки
- Теоретическое определение производительности при обработке с поддержанием постоянства энергетического критерия процесса резания
- Обоснование выбора оборудования (станок, ЭВМ, устройство согласования)
- Исследование постоянства износостойкости обработанной поверхности образцов из жаропрочных сплавов при неизменном значении критерия А
Введение к работе
Развитие и укрепление позиций на мировой арене государства зависит не только от наличия тех или иных ресурсов, а главным образом от того насколько высок уровень развития производства. Высокие уровни производства необходимо и возможно поддерживать только с помощью развития научного потенциала страны в целом. Необходимы исследования в различных областях промышленности, осознанный научный подход к конкретному производству, формирование мировоззрения и ориентации руководителей предприятий на осознанный выбор поддержки научных исследований и внедрение их в производство. Если говорить о машиностроении то здесь на первое место выходят вопросы выпуска качественных, конкурентно-способных изделий. Соответственно необходимо на этапе изготовления продукции обеспечивать заданные эксплуатационные свойства деталей машин. Решение данной задачи может быть только комплексным и учитывать все стадии жизненного цикла создания изделий: от научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок до обеспечения надежной эксплуатации техники. В связи с этим существует необходимость в разработке новых подходов к поиску эффективных способов механической обработки деталей машин и проектирования технологических процессов их изготовления.
Таким подходом является внедрение автоматизации исследовательских, научно-конструкторских работ и технологической подготовки производства на базе систем автоматизированного проектирования (САПР), применение автоматических систем управления (АСУ) процессом обработки, а также возможность создания единого цикла подготовки, производства и контроля качественных изделий.
Создание и применение автоматических систем управления процессом обработки формирует новое мировоззрение на механическую обработку детали в целом и дает новый толчок к исследованиям в дайной области.
5 Использование таких адаптивных систем позволяет влиять на процесс обработки, обеспечивая качество каждой детали, а системе управления осуществлять самоорганизацию и корректировку текущего состояния системы СПИЗ. Все это позволяет говорить о большей эффективности использования металлорежущего оборудования, исключении человека из процесса контроля за обработкой и расширении существующих возможностей производства.
Настоящая работа посвящена исследованию таких систем управления с точки зрения обеспечения постоянства качества поверхности при обработке. В работе рассмотрено развитие систем управления обработкой, выполнен их анализ и сравнение. Предложено направление развития систем управления обработкой и объединение их с системами подготовки производства в единую производственную систему, целью которой является обеспечение качества деталей, начиная с этапа их проектирования.
Выполнение работы было бы невозможно без грамотного и внимательного научного руководства со стороны д-ра техн. наук, профессора Вячеслава Феоктистовича Безъязычного, который проявил безграничное терпение к автору.
Искреннее уважение и благодарность за техническую помощь в ходе выполнения работы и обсуждение результатов работы - канд. техн. наук Волкову Сергею Александровичу.
Невозможно также не сказать о тех, кто помогал выполнять экспериментальные исследования - Сухой Дмитрий Станиславович, Клюкина Елена Валерьевна, Татаринов Андрей Юрьевич.
Перспективы развития систем управления процессом обработки
В ходе проведенного обзора литературы [8, 9, 11-16] и интернет-сайтов, посвященных вопросам управления процессом обработки определилась основная тенденция развития систем управления обработкой. Она заключается в развитии систем управления, основанных на каком либо одном или нескольких критериях управления. Создание таких систем позволяет достигать заданных условий протекания процесса обработки, что обеспечит наиболее эффективное использование оборудования, уменьшение количества брака и получение стабильных характеристик у каждой новой детали, а в перспективе позволит создать многокритериальную систему управления обработкой, в возможности которой будут входить достижение заданного критерия с учетом других критериев принятых как ограничения.
Перспективным видится создание систем управления основанных на нейронных сетях. Введение управления на основе нейронных сетей позволит создать интеллектуальную систему управления способную организовать и построить таким образом процесс управления, чтобы заданная функция системы учитывала все исходные данные перед процессом обработки и сама определяла один или несколько вариантов управления по какому либо критерию. Одновременно с этим в такой системе накапливается база знаний о процессах, что позволит в будущем более эффективно управлять обработкой. То есть объединение принципа адаптивного управления и управления основанного на искусственном интеллекте позволит уменьшить время на выбор и определение какого либо критерия, создание его функции и введение алгоритма управления в систему, а также более эффективно осуществлять сам процесс управления.
При обзоре существующих систем управления процессом обработки появилась необходимость в их классификации. Системы управления можно делить по многим признакам, но в данном исследовании представляется наиболее подходящим классифицировать все системы по времени проведения управляющих воздействий (табл. 1.1). Классификация систем по данному критерию, позволит определить, с какой оперативностью система позволяет управлять процессом обработки, а значит, появится возможность провести ее сравнительную оценку.
В работе [1] А. С. Ямниковым, Е. И. Фединым, М. А. Поповым предлагается система управления точностью при многопроходном резьбонарезании. Принципиальным отличием предлагаемой системы от существующих состоит в том, что в ней по значениям осевых и радиальных деформаций, полученным на всех проходах предшествующих у -му проходу, рассчитывается корректирующее воздействие, реализуемое при выполнении у -го прохода. Следует отметить, что данный принцип управления точностью применим только для многопроходной обработки.
При точении на j-\ проходе данные от датчика силы тензометрического или пьезоэлектрического тала поступают в ЭВМ. Располагая значениями изменения составляющих сил резания и зная параметры динамической жесткости эквивалентной модели технологической системы, определяются деформации, то есть погрешности шага и радиуса резьбы на данном проходе. При помощи этих величин прогнозируется управляющее воздействие на следующем проходе.
К недостаткам системы можно отнести: - Контроль происходит только по силе резания. - Эквивалентная модель, которая используется при расчете, не может дать информацию обо всех возможных состояниях технологической системы СПИЗ, основываясь только на силе резания. - Тензометрический и пьезоэлектрический типы датчиков мало применимы в реальных производственных условиях. Данные недостатки неизбежно влекут за собой возникновение погрешностей при обработке, а также ограничивают применяемость данной системы.
В работе [2] В. В. Юркевичем, Д. А. Чигиновым, Д. Е. Искрой описана автоматизированная система прогнозирования точности детали. Данная система основана на создании виртуальной детали, предназначенной для определения погрешностей, возникающих при обработке реальной детали, которые сравнивают с допусками рабочего чертежа. Виртуальная деталь -это геометрический образ в трехмерном пространстве созданный на основе экспериментального определения траектории движения оси детали и вершины резца в процессе реального резания. Сравнивая различные сечения геометрического образа детали с геометрическими фигурами чертежа, можно рассчитать интересующие показатели точности. Принципиальная схема рассматриваемой системы представлена на рис. 1.1.
В шпинделе передней бабки 1 токарного станка с помощью конуса Морзе устанавливается прецизионная оправка 2, на которой гайкой крепится сменная деталь 9. На корпусе шпиндельной бабки 1 на пластмассовом кронштейне 3 закрепляется бесконтактный датчик 4, ось которого лежит в горизонтальной плоскости, проходящей через вершину резца. Зазор между поверхностью прецизионной оправки 2 и чувствительным наконечником датчика 4 равен 1,5 мм. На резцедержательной головке 7, кроме резца 8, закрепляется кронштейн 6 из пластмассы, на котором устанавливается второй датчик перемещения 5 из пластмассы, чувствительный наконечник которого взаимодействует с боковой поверхностью направляющей станка, обработанной с высокой точностью. Рис. 1.1. Автоматизированная система прогнозирования точности детали
Датчик 5 работает аналогично датчику 4 и измеряет величину перемещения вершины резца в горизонтальной плоскости. Датчики 4 и 5 представляют собой вихретоковые датчики высокой чувствительности. При изменении зазора между поверхностью прецизионной оправки 2 или станины и чувствительными наконечниками датчиков 4 и 5 изменяется индуктивность и взаимоиндуктивность измерительной системы, в результате чего возникают сигналы, которые усиливаются вихретоковым усилителем ИП-22 и передаются в компьютер через аппаратный интерфейс ввода-вывода аналого-цифровой информации. Для того чтобы обеспечить обработку сигналов от датчиков 4 и 5 по углу поворота шпинделя на компьютер подается сигнал от отметчика угла поворота шпинделя.
Алгоритм расчета геометрического образа будущей детали, или виртуальной детали, сводится к расчету ее поперечного и продольного сечений на основе экспериментальных данных и расчетных методик.
Рассмотренная выше система автоматизированного контроля точности изготовления деталей гарантирует точность прогнозирования 1 мкм [2]. Однако, она не позоволяет управлять другими параметрами качества обработки, в частности качеством параметров поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Наиболее перспективными с точки зрения достижения заданной точности и обеспечения требуемого качества являются адаптивные системы управления. Данные системы имеют возможность регулировать процесс обработки в реальном времени, поддерживать заданные параметры технологического процесса, а, следовательно, обеспечивать необходимое качество детали. Существует большое количество различных систем управления обработкой. Первые начали появляться в 70 - 80 годах прошлого века. Большая заслуга в разработке теоретических основ управления технологическими операциями и различных конструкций систем управления принадлежит профессору Б. С. Балакшину и профессору Ю. М. Соломенцеву и др. Они в работах [3] и [4] приводят результаты фундаментальных исследований процесса управления обработкой, а также различные конструкции систем управления. Рассмотрим адаптивные системы управления, которые можно считать классическими.
Ю.М. Соломенцевым [4] предложена система управления статической настойкой системы СПИЗ (рис. 1.2). Управляющим воздействием системы является величина упругого перемещения на замыкающем звене Ад. Регулируемым параметром является размер статической настройки Ас. Характер изменения управляющего воздействия величины Ад не может быть определен заранее, он проявляется непосредственно в процессе резания, поэтому система адаптивного управления является следящей системой.
Теоретическое определение производительности при обработке с поддержанием постоянства энергетического критерия процесса резания
При расчете производительности при поддержании режима постоянства энергетического критерия процесса резания А возьмем за основу формулу для расчета производительности с учетом режимов резания [30]. Технологическая производительность (шт./ч.), зависящая от режимов резания определяется по формуле [35]. Расчеты проведем для следующих материалов: 13Х12НВФА (ЭИ961), ХН73МБТЮ (ЭИ698ВД), ХН77ТЮР (ЭИ437БУВД), Х23Н17 (ЭИ417), как наиболее широко применяемых для особоответственных деталей ГТД. Материал резца: ВК8. Геометрия инструмента: г -радиус при вершине резца в плане; г = 0.5мм; р, и рх -главный и вспомогательный углы в плане, град; д = 45, рх = 15; у и а - передний и задний углы, град; = 10, ск = 120; /?, — радиус округления режущей кромки, рх = 5-10 5;и; Геометрия детали: d диаметр обрабатываемой детали, d -40 мм; - длина обрабатываемого уч.тка, мм; - 200 мм. Глубина резания принималась равной t - 0,4 мм. Расчет проводился при подачах S = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 мм/об. Д„3„ -допустимый размерный износ режущего инструмента, Аизн = 0,01 мм. Тси -время смены затупившегося инструмента; Тсм = 0,5 мин. В результате проведенных расчетов получены следующие результаты: . Зависимость производительности обработки от комплекса S-V для различных материалов. Резец: ВК8, геометрия инструмента р = 45 щ = 15 у = ю а = 12, Геометрия детали: диаметр d = 40 мм, длина I = 200 мм.
Глубина резания t = 0,4 мм. Проведенные расчеты и представленные графические зависимости позволяют отметить следующее:
1. видно, что с увеличением подачи оптимальная скорость резания снижается, чем обеспечивается оптимальное состояние поверхности при управлении обработкой. Это положение подтверждено работами С. С. Силина, В. Ф. Безъязычного, А. Д. Макарова и др.
2. Производительность обработки увеличивается с ростом подачи (рис. 2.2) несмотря на уменьшение скорости резания.
3. Из рис. 2.3 видно, что при обработке с поддержанием оптимального сочетания скорости резания и подачи, при прочих равных условиях, производительность для всех материалов имеет линейную зависимость и выстраивается в одну линию, и существенно зависит от прочностных свойств обрабатываемого материала.
Следовательно, при обработке на оптимальных режимах резания на производительность оказывает влияние оптимальное сочетание скорости и подачи. 2.3 Определение производительности при обработке на режимах максимальной производительности и минимальной себестоимости
При обработке в зависимости от технических и производственных требований, возможен выбор различных критериев оптимизации: обработка на режимах, при которых возможно достижение максимальной производительности, минимизация затрат на обработку и другие.
Важно определить диапазоны применения того или иного критерия оптимизации, для чего необходимо провести расчет режимов резания и производительности обработки при идентичных условиях.
Обоснование выбора оборудования (станок, ЭВМ, устройство согласования)
При выборе оборудования, которое будет использоваться для создания системы управления, необходимо учитывать его технические характеристики: тип используемого станка, системы ЧГТУ, внешней управляющей ЭВМ и особенности разработанного программного обеспечения (рис. 3.2).
Структурная схема системы управления обработкой Из структурной схемы видно, что система состоит из следующих основных элементов: станок с системой ЧГТУ, управляющая ЭВМ и устройства обмена данными между ЭВМ и ЧГТУ станка. Далее будем рассматривать каждый из элементов отдельно, но при этом, учитывая, что выбираемое оборудование должно быть согласовано между собой.
Так как при работе системы необходима постоянная корректировка режимов резания, то необходимым условием при выборе станка является возмолшость плавной регулировки подачи и частоты вращения привода главного движения. Также при выборе станка следует учитывать тот факт, что спроектированная система предназначена для чистовых операций, при выполнении которых, происходит обеспечение заданного качества детали, то есть требования, которые предъявляются при выборе оборудования здесь такие же, как и при проектировании чистовых операций технологического процесса. При создании исследовательского варианта системы использован токарный станок модели 16Ф20ФЗС43. Данный станок отвечает всем вышеизложенным требованиям. Проведенный обзор показал, что система может быть реализована на базе станков других моделей [37], например: токарно-револьверные станки 1П416ФЗ, 1П426ФЗ, токарно-винторезные станки 16К30Ф305, 16К20Т1.
К системе ЧПУ станка предъявляется ряд требований. Первое требование - это наличие возможности, а конкретно, разъемов для подключения ее к управляющей ЭВМ. Важной характеристикой при выборе системы является дискретность задания подачи и частоты вращения привода главного движения.
На современном рынке промышленного оборудования представлено большое количество различных систем ЧПУ имеющих, как широкое применение, так и специальное. Многие фирмы предлагают свои решения в области систем ЧПУ предназначенных для модернизации существующего оборудования. Среди них, такие как ELMIS [38], предлагающая системы ЧПУ NC-ПО и NC-200 (рис. 3.3). Программное обеспечение системы NC-110, построенное по модульному принципу, позволяет удовлетворять различные требования путем встраивания дополнительных компонентов.
Система ЧПУ NC-110 предлагаемая фирмой ELMIS (Беларусь) Устройство легко адаптируется для самых сложных объектов, элементы которых могут требовать одновременного и независимого управления в реальном времени. Данные системы предназначены для модернизации станков и отвечают всем требованиям современного производства, а главное могут быть использованы для проектирования системы.
При выборе для использования в системе управления обработкой из представленных систем ЧПУ следует руководствоваться соотношение цена -качество. Опираясь на этот фактор предлагается выбрать систему ЧПУ NC-110, предлагаемую фирмой ELMIS (Беларусь), так как она отвечает всем характеристикам предъявляемым системой, и гораздо дешевле конкурентных систем с ЧПУ.
При выборе оборудования для управляющей ЭВМ необходимо учитывать, что система будет использоваться в производственных условиях. Это накладывает на выбор оборудования ряд определенных требований, таких как надежная конструкция корпуса, специально разработанного для производственных условий, возможность работы компьютера в более широком диапазоне температур, повышенная помехоустойчивость. Следовательно, настольный (офисный) вариант компьютера, тот который используется повсеместно в обычной обстановке, не подходит для производственного варианта исполнения системы управления. Решением данной проблемы является применение специально разработанного промышленного компьютера. В настоящее время на рынке предлагаются несколько вариантов исполнения таких компьютеров. Это так называемые одноплатные компьютеры, устанавливаемые в специальные разработанные для них шасси, с возможностью дополнения их различными платами ввода-вывода сигналов, с предусмотренными в них программируемыми фильтрами.
Производителями и поставщиками таких компьютеров в настоящий момент является множество фирм. Наиболее известная и выпускающая большое количество различных модификаций это фирма Advantech. Еще одним из вариантов являются панельные промышленные компьютеры -это современные IBM PC/AT совместимые компьютеры, специально разработанные для применения в промышленных системах управления. Данные устройства включают в себя весь набор компонентов присущих настольному ПК ("гибкий" и "жесткий" диск, CDROM, параллельные и последовательные порты ввода/вывода и т. д.), но с более повышенными требованиями по температурному диапазону (все комплектующие выполнены в расширенном температурном диапазоне) и напряжению питания (более широкий диапазон и жесткие требования по электромагнитной совместимости). Их отличительными особенностями являются: - LCD TFT монитор для визуального контроля за технологическим процессом, а в комплексе со специальным резистивным сенсорным экраном (реагирующий на касание пальца), прикрепляемым со стороны видимой части монитора, с возможностью управлять процессом без применения внешней клавиатуры и других манипуляторов; - сторожевой таймер для контроля за работоспособностью исполняемой технологической программы (борьба с "зависаниями" программного обеспечения); - возможность установки специальных плат расширения ввода/вывода для увеличения количества каналов измерения и управления; - панельный тип корпуса позволяет встраивать данные устройства в дверцы шкафов, стенки приборов, станков и других устройств.
Необходимо также отметить, что панельные промышленные компьютеры это законченные устройства управления технологическим объектом и могут применяться, как готовые контроллеры для отдельных устройств (станки, специализированные машины и т.п.), так и в составе сложных систем управления (локальное управление технологическим оборудованием на нижнем уровне, контроль и управление всем технологическим процессом на верхнем уровне, серверы для накопления и обработки различной информации и т.п.).
Из данной информации можно сделать вывод о том, в настоящее время на рынке оборудования для автоматизации имеется широкий выбор различного оборудования и, следовательно, можно найти оптимальное оборудование которое будет отвечать всем требованиям как техническим, так и экономическим.
Исследование постоянства износостойкости обработанной поверхности образцов из жаропрочных сплавов при неизменном значении критерия А
Анализ полученных данных и графиков показывает, что при обработке заготовок на различных режимах, включая оптимальные, система управления токарной обработкой по энергетическому критерию резания А позволяет достигать постоянства качества обработанной поверхности. Из рис. 4.14, 4.20, 4.26, 4.31 можно увидеть, что обработка с поддержанием постоянства критерия А дает стабильную величину шероховатости при различных условиях обработки. Это согласуется с экспериментальными данными.
Рис. 4.15, 4.21, 4.27, 4.32 показывают, что при поддержании постоянным критерия А обеспечивается постоянство не только параметров качества поверхности, но так же и постоянство эксплуатационных показателей поверхности.
Следовательно, применение системы управления при токарной обработке позволяет стабилизировать достижение параметров качества, а через них и эксплуатационных показателей у каждой детали, что позволяет более эффективно достигать качества поверхности каждой новой детали, без дополнительных расчетов и поднастройки системы СПИЗ.
В работе [78] отмечено, что рассмотрение влияния основных характеристик качества поверхности на коррозионную стойкость деталей машин, показало:
1. Коррозия стали протекает с различной скоростью в зависимости от вида обработки поверхности.
2. Стальные детали после чистовой обработки в меньшей степени подвержены коррозии, чем после черновой. Чем выше качество поверхности при обработке деталей, тем меньше коррозионное воздействие на них со стороны окружающей среды.
3. Имеет место существенное влияние пластической деформации (наклепа) поверхностного слоя стали, получающегося при отдельных видах обработки, на скорость коррозии. Скорость растворения образцов, полученных при токарной обработке с одинаковым шагом неровностей, но при различных скоростях резания (различные степени наклепа UH) тем выше, чем выше UH.
Влияние наклепа на скорость коррозии оказалось более значительным, чем влияние микрогеометрии поверхности.
Аналогичные результаты были получены при изучении влияния на коррозионную стойкость образцов таких характеристик качества их поверхности, как: Sm, tm, UH.
В данном случае 37 % вариаций коррозии объясняется изменением данных характеристик качества поверхности. Причем 25 % вариаций коррозии объясняется изменением степени наклепа UH, а остальные 12 % -параметрами шероховатости, то есть наклеп поверхности влияет на коррозионную стойкость изделий в большей степени, чем шероховатость поверхности. При этом увеличение UH, Ra, Rp и Rmax коррозионная стойкость образцов уменьшалась, а увеличением tm и Sm - увеличивалась.
Опираясь на изложенное выше проведем расчеты коррозионной стойкости. Для определения коррозионной стойкости необходимо рассчитать параметры шероховатости Rv, Sm, и степень наклепа обработанной поверхности ии .
Проведенные расчеты и построенные графики показали, что при поддержании определенного оптимального сочетания скорости резания и подачи можно достичь такого состояния поверхностного слоя, когда комплексный параметр для оценки коррозионной стойкости будет максимальным, что в свою очередь позволяет говорить о том, что деталь будет обладать максимальной коррозионной стойкостью и, следовательно, повлечет за собой увеличение периода эксплуатации детали.
1. В ходе выполнения исследования системы адаптивного управления обработкой выполнены расчеты по определению таких эксплуатационных параметров как предел выносливости, износостойкость, коррозионная стойкость, проведены эксперименты по обеспечению предела выносливости при обработке, в результате стало возможнвш говорить о том факте, что при использовании системы управления обеспечивается постоянство качества поверхностного слоя, а следовательно и эксплуатационных свойств детали на протяжении всей обработки.
2. Управление обработкой при помощи системы по определенному критерию соответствующему заданному эксплуатационному свойству детали, позволяет обеспечить его достижение и достичь стабильности свойств детали в ходе эксплуатации.
3. Значение предела выносливости и показателей износостойкости при оптимальной скорости резания несколько выше, чем при скоростях резания обеспечивающих минимальную себестоимость и максимальную производительность.
4. Применение системы управления по критерию А позволяет более эффективно достигать требуемых параметров качества поверхностного слоя по всей обрабатываемой поверхности.
