Введение к работе
Актуальность темы. Существующее промышленное производство характеризуется разнообразием используемых конструкционных материалов и частой сменой номенклатуры выпускаемых деталей, к которым предъявляются жесткие требования по качеству функциональных поверхностей. Изменение жесткости станка, износ инструмента, разброс припуска и твердости заготовок приводят к рассеянию параметров качества обработанных поверхностей. Кроме того, для ряда ответственных изделий требуется технологически обеспечивать закономерное изменение параметров качества рабочей поверхности трения на различных ее участках. Одним из перспективных путей обеспечения требуемых параметров качества обработанных поверхностей является адаптивное управление процессом резания.
В современном машиностроении актуальными становятся вопросы эффективного использования технологического оборудования с ЧПУ. Повышение эффективности станков с ЧПУ ограничивается наличием «жесткой» управляющей программы, устанавливающей заданные режимы обработки. В «жесткой» системе не учитываются особенности обработки конкретной детали. Поэтому оснащение станков с ЧПУ адаптивной системой управления (АдСУ) позволяет значительно расширить их технологические возможности.
Для функционирования АдСУ параметрами качества поверхностного слоя необходимо иметь математическую модель, связывающую выходные параметры управляемого процесса с его входными. В настоящее время существуют теоретические и эмпирические зависимости, которые позволяют предсказывать параметры качества обработанной поверхности после механической обработки. Теоретические уравнения носят общий характер и практически не имеют ограничений, но они не учитывают случайные факторы и имеют большую погрешность. Эмпирические зависимости имеют узкое конкретное применение, они достаточно точно предсказывают выходные параметры процесса в заданных условиях проведения эксперимента. Однако, как показывает анализ, не для всех обрабатываемых материалов и условий обработки имеются такие зависимости. Особенно это относится к новым материалам.
Таким образом, имеется неопределенность в обеспечении заданных параметров качества функциональных поверхностей деталей машин, связанная с отсутствием однозначной и универсальной зависимости между имеющейся начальной информацией (геометрия инструмента, материал инструмента и заготовки, характеристики оборудования и т.д.) об объекте управления, которым является процесс резания, и требуемым качеством обработанной поверхности. При наличии отмеченной неопределенности наиболее эффективным подходом к ее устранению является обучение или самообучение системы в процессе управления посредством использования накапливаемой информации.
В связи с этим разработка самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением (СТСАУ) параметрами качества поверхностного слоя деталей машин при механической обработке является одной из актуальных проблем, требующая своего решения.
Цель работы разработать и создать самообучающуюся технологическую систему с адаптивным управлением, позволяющую автоматически обеспечивать заданные параметры качества обработанных поверхностей деталей машин.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методологию проектирования СТСАУ параметрами качества поверхностного слоя деталей машин.
-
Разработать структуру СТСАУ параметрами качества поверхностного слоя деталей машин, а также математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для ее функционирования.
-
Создать автоматизированную базу данных по технологическим режимам механической обработки деталей машин при обеспечении заданных параметров качества поверхностного слоя.
-
Создать СТСАУ процессом механической обработки, обеспечивающую заданные параметры качества обработанных поверхностей деталей машин.
-
Провести технологические исследования с использованием созданной СТСАУ параметрами качества поверхностного слоя деталей машин.
Объектом исследований является технологическая система механической обработки деталей машин.
Предметом исследований является обеспечение заданных параметров качества поверхностного слоя деталей машин при механической обработке, в том числе и при отсутствии исходной информации.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, учения о формировании качества поверхностного слоя, теории автоматического управления, теории информатики, теории электроники и микропроцессорной техники, методах объектно-ориентированного программирования.
Экспериментальные исследования базируются на современных методах математической статистики, теории планирования экспериментов, математических методах обработки экспериментальных данных и на широком применении ЭВМ.
На защиту выносятся:
-
Решение научной проблемы - технологическое обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей машин при наличии начальной неопределенности за счет использования самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя.
-
Общая методология разработки самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машин.
-
Законы управления для функционирования самообучающейся технологической системы в режиме адаптивного управления при обеспечении заданных параметров качества поверхностного слоя деталей машин и способы внесения поправки в ход технологической операции.
-
Структура самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя и информационные потоки, циркулирующие в ней.
-
Математическое, алгоритмическое и программное обеспечение самообучающейся технологической системы с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя.
-
Компоненты (контроллер сопряжения, измерительная система) самообучающейся технологической системы.
Связь с научно-техническими программами. Исследования проводились при финансовой поддержке из средств гранта на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах высших учебных заведений и научных организаций Минобразования России (шифр гранта - PD02-2.10-185) по теме «Самообучающаяся адаптивная технологическая система обеспечения качества обрабатываемых поверхностей» (гос. рег. № - 01.2.00213414); при финансовой поддержке из средств гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых кандидатов наук и их научных руководителей (конкурс МК) по теме «Технологическое обеспечение качества обработанных поверхностей деталей машин за счет автоматического управления» (гос. рег. № МК-1187.2004.8); при финансовой поддержке из средств Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук» по направлению «Станкостроение», проект «Создание самообучающегося станка с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя деталей машин» (государственный контракт № П768, шифр № НК-718П/12).
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложена новая физическая модель формирования технологических поверхностных остаточных напряжений от сил резания и получено теоретическое уравнение для их определения.
-
Получены уравнения для корректировки режимов лезвийной обработки для адаптивного управления параметрами качества поверхностного слоя деталей машин.
-
Впервые решена научная задача возможности технологического управления комплексным параметром состояния поверхностного слоя деталей Сх, определяющего их эксплуатационные свойства.
-
Определена степень влияния режимов механической обработки (подачи, скорости резания и глубины резания) на величину комплексного параметра качества поверхностного слоя Сх.
-
Разработана общая методология построения автоматизированной технологической системы обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя деталей машин с функциями самообучения и адаптивного управления.
-
Получены законы управления технологической системой для адаптивного управления параметрами качества поверхностного слоя деталей машин и комплексным параметром качества поверхностного слоя Сх при механической обработке, связывающие обеспечиваемые параметры качества поверхностного слоя и режимы механической обработки (подача, скорость резания и глубина резания).
-
Разработана структура и алгоритм функционирования СТСАУ параметрами качества поверхностного слоя деталей машин при самообучении и при адаптивном управлении.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в следующем:
-
Разработана и реализована самообучающаяся технологическая система обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя (пат. РФ № 93725 заявка 2009149563/22 МПК B23Q15/007 (2006.01)).
-
Разработан и реализован контроллер сопряжения ПЭВМ с УЧПУ класса PCNC (пат. РФ № 93724 заявка 2009149561/22 МПК B23Q15/007 (2006.01)), обеспечивающий ввод информации с аналоговых датчиков в ПЭВМ и передачу управляющей информации от ПЭВМ в УЧПУ.
-
Разработано программное обеспечение, обеспечивающее функционирование самообучающейся адаптивной технологической системы (свидетельство о регистрации электронного ресурса № 15548 дата регистрации 30.03.2010; свидетельство о регистрации электронного ресурса № 15576 дата регистрации 06.04.2010).
-
Разработаны и реализованы измерительные каналы для определения главной составляющей силы резания Pz, температуры в зоне резания и высотного параметра шероховатости Ra обработанной поверхности в процессе механической обработки.
-
Разработан комплекс методических материалов, соответствующего информационного и программного обеспечения, позволяющих создавать самообучающиеся станки с адаптивным управлением параметрами качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей, а также выполнять модернизацию металлорежущих станков с УЧПУ для расширения их функциональных возможностей.
Апробация работы. Материалы, отражающие основное содержание работы, докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе: на международных конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2002 г.), «Проблемы машиностроения и технология материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003 г.), «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. Технология - 2003» (Орел, 2003 г.), «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2004 г.), «Образование через науку» (Москва, 2005 г.), «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005 г.), «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008 г.), «Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении» (Ростов-на-Дону, 2009 г.); международном научно-техническом семинаре «Практика и перспективы развития институционного партнерства» (Таганрог, 2002 г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО БГТУ. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседании кафедры «Автоматизированные технологические системы» ГОУ ВПО БГТУ (Брянск, 2010 г.), на заседании технологической секции ГОУ ВПО БГТУ (Брянск, 2010 г.), на научном семинаре «Ассоциации технологов машиностроителей России» в ГОУ ВПО МГИУ (Москва, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе глава «Инженерия поверхности детали при изготовлении» в монографии «Инженерия поверхности деталей», 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, получено 2 патента РФ на полезную модель и 2 свидетельства о регистрации электронного ресурса в институте научной информации и мониторинга Российской академии образования (ИНИМ РАО). Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений, списка литературы из 177 наименований; изложена на 264 страницах машинописного текста, содержит 118 рисунков, 45 таблиц.
