Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ исследований в области автоматизированной технологии многокоординатной обработки 11
1.1 Объекты и область исследований 11
1.2 Современные тенденции совершенствования технологических процессов и станков с ЧПУ в интегрированном гибкоструктурном производстве 21
1.3 Предпосылки совершенствования технологии обработки на станках с ЧПУ с позиций синергетической теорией управления 27
1.4 Особенности построения технологических процессов с учетом динамики резания и возможностей динамического диагностирования 30
1.5 Проблемы построения технологических процессов на основе синергетического принципа управления 34
1.6 Выводы 40
Глава 2 Механизм взаимодействия траекторий, задаваемых на исполнительные элементы станка, с траекториями формообразующих движений 44
2.1 Формализация связей между процессом резания и управляющей программой. Уравнения динамики процесса резания 44
2.2 Зависимость сил резания от координат при формообразовании поверхностей 56
2.2.1 Механизм взаимодействия инструмента и заготовки 56
2.2.2 Действие сил, формируемых в процессе обработки, в зоне передней поверхности режущего инструмента 60
2.2.3 Действие сил, формируемых в процессе обработки, в зоне задней поверхности режущего инструмента 66
2.3 Особенности построения программ с учетом деформации инструмента 73
2.3.1 Формализация процесса образования деформаций инструмента 73
2.3.2 Расчет упругих деформаций 77
2.3.3 Коррекция управляемых координат в технологическом процессе для станков с ЧПУ 80
2.3.4 Учет изменений скорости подачи инструмента в УП 89
2.3.5 Концепция учета обобщенного влияния сил на перемещение инструмента в управляющих программах 91
2.4 Выводы 101
Глава 3 Проектирование управляющих программ для "медленных" перемещений в технологических процессах для станков с ЧПУ 103
3.1 Проблема создания устойчивых траекторий движения исполнительных элементов станков с ЧПУ 103
3.2 Учет влияния упругих деформаций инструмента при определении аттракторов «медленных» движений, обеспечивающих требуемые показатели качества 114
3.2.1 Выбор траекторий, обеспечивающих компенсацию неравномерности припуска на точность в продольном сечении изделия 115
3.3 Специфика построения траекторий при обработке деталей сложной геометрической формы 126
3.4 Проектирование управляющих программ обработки заготовок с малой и изменяющейся вдоль траектории жесткостью 133
3.4.1 Учет изменений упругих деформаций заготовки вдоль траектории движения инструмента 133
3.4.2 Обеспечение точности детали в поперечном сечении 138
3.5 Выбор оптимальных траекторий при проектировании управляющих программ для станков с ЧПУ 144
3.6 Выводы 159
Глава 4 Проектирование управляющих программ с учетом эволюционных изменений в технологической системе 161
4.1 Особенности методологии учета эволюционных изменений ТС в структуре проектирования управляющих программ 161
4.2 Модель развития износа в форме интегральных операторов 162
4.3 Методика прогнозирования процесса износа инструмента с целью повышения точности обработки 169
4.4 Механизм управления точностью формообразования с учетом износа инструмента 173
4.5 Пути совершенствования управляющих программ для процесса резания 178
4.6 Выводы 187
Глава 5 Проектирование технологических процессов и управляющих программ для станков с ЧПУ на основе принципа синергетического управления 189
5.1 Механизм и методика синергетического управления 189
5.2 Определение ограничений, накладываемых на траектории формообразующих движений 195
5.3 Выводы 210
Глава 6 Реализация синергетичсской концепции управления в технологических процессах обработки на станках ЧПУ 211
6.1 Усовершенствование управляющих программ для процессов точения на основе синергетического управления 211
6.2 Разработка программ для технологических процессов растачивания 223
6.3 Проектирование управляющих программ для технологических процессов фрезерования 234
6.3.1 Алгоритмы управления точностью обработки деталей, имеющих ширину фрезеруемой поверхности, меньшую диаметра фрезы 235
6.3.2 Особенности проектирования технологических процессов фрезерования деталей имеющих ширину фрезеруемой поверхности, большей диаметра фрезы 250
6.4 Разработка управляющих программ для технологического процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра 252
6.5 Обеспечение качества поверхностного слоя 262
6.6 Технологические рекомендации по проектированию процессов обработки на станках с ЧПУ 270
6.7 Выводы 276
Заключение 280
Общие выводы 280
Литература 284
Приложения 301
- Современные тенденции совершенствования технологических процессов и станков с ЧПУ в интегрированном гибкоструктурном производстве
- Зависимость сил резания от координат при формообразовании поверхностей
- Учет влияния упругих деформаций инструмента при определении аттракторов «медленных» движений, обеспечивающих требуемые показатели качества
- Модель развития износа в форме интегральных операторов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном машиностроении, особенно в
авиационной и космической отрасли, большинство продукции
выпускается по индивидуальным требованиям заказчика, для чего
используется гибкоструктурное производство на базе
быстропереналаживаемого автоматизированного оборудования (станков с ЧПУ, в том числе с прямым управлением от ЭВМ).
Большое количество отечественных и зарубежных работоспособных станков с ЧПУ, имеющихся на предприятиях машиностроения, недостаточно эффективно используются из-за ограниченности возможностей современных средств разработки и управления технологическими процессами. Для решения поставленных государственных задач по производству конкурентоспособной наукоемкой техники (в частности, продукции авиационно-космической отрасли) необходимо разработать новый подход к проектированию систем и методов управления, составляющих основу технологических процессов гибкоструктурного производства. Предлагаемая в работе система построения технологического обеспечения механической обработки на многокоординатных станках с ЧПУ создает условия для создания и выпуска наукоемких конкурентоспособных изделий, позволяет повысить уровень использования имеющегося автоматизированного оборудования до нормативных показателей (обеспечить загрузку не менее чем в 2 рабочие смены) и формирует требования к продукции отечественного станкостроения. Это отвечает национальным программам развития машиностроения, авиационной и космической техники.
Практика использования современных концепций и методик построения систем технологического обеспечения для оборудования с ЧПУ, в том числе, результаты работ автора, опубликованные в 1973-1985 г. г., показали, что дальнейшее совершенствование технологий механической и комбинированной обработки на станках с программным управлением связано с необходимостью создания теоретических основ преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений, с учетом влияния на них динамики процесса обработки, изменения жёсткости системы СПИД, припуска и эволюционных процессов (например, износа инструмента), происходящих в ходе функционирования технологической системы.
В изделиях авиационной и космической отрасли используют детали с минимальной массой, которые в большинстве случаев имеют
пониженную жесткость. Для таких деталей целесообразно осуществлять технологическую подготовку процессов обработки ЧПУ с учетом изменения локальных характеристик жесткости детали и инструмента вдоль траектории их взаимодействия, износа инструмента, динамических характеристик приводов исполнительных элементов, возможности диагностирования процесса обработки и его адаптации в реальном времени, что позволит получать без доработки детали с предельно достижимой точностью при минимальной массе.
В отличие от традиционного подхода к синтезу управления технологической системой механообработки с ЧПУ, когда на ЭВМ создаётся геометрический образ детали, ограниченный желаемыми траекториями движения инструмента, а затем все координаты движения станка подчиняются обеспечению этого образа, в работе использован подход, основанный на синергетической теории управления. Согласно ему технологическая система обработки рассматривается как единая эволюционирующая сложная динамическая система, обладающая внутренними связями.
Системный синергетический синтез управления включает в уравнения движения технологической системы не только систему управления исполнительными элементами станка, но и законы преобразования траекторий исполнительных элементов в траектории движения инструмента относительно заготовки. При этом учитывается динамическая связь, формируемая процессом резания и объединяющая автономные подсистемы в единую управляемую систему, а также производится замена скалярного управления векторным. С другой стороны, для обеспечения управляемости процесса обработки в реальном времени должна обеспечиваться его наблюдаемость, т.е. возможность идентификации достаточного набора динамических параметров, определяющих выходные параметры: точность, качество, производительность. Основы такого подхода применительно к технологии многокоординатной обработки ранее подробно не рассматривались, хотя опыт авиационной и других отраслей машиностроения однозначно подтверждает его актуальность и своевременность разработки на его базе новых методов построения систем управления формообразованием и технологической подготовки.
Сформулированная проблематика фактически порождает новую предметную область знаний, получение которых определяет научную актуальность диссертационного исследования. Повышение точности сложноконтурных поверхностей особо ответственных деталей, качества
поверхностного слоя, производительности процессов формообразования сокращает трудоемкость последующей доработки, позволяет снизить массу, ускоряет освоение и выпуск отечественной новой техники, повышая ее конкурентоспособность. Решение поставленной проблемы отвечает национальным программам в области машиностроения, в частности задачам, поставленным в Федеральной целевой программе "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года", а также в "Стратегии развития авиационной промышленности на период до 2015 года", утвержденной Правительством РФ.
Целью диссертации является разработка теоретических основ создания технологии высокоэффективной многокоординатной обработки деталей переменной жесткости на современных станках с ЧПУ с заменой принятых систем управления на динамические адаптивные, использующие законы преобразования траекторий исполнительных элементов в траектории движения инструмента относительно заготовки с учетом внутренних связей между всеми подсистемами технологической системы (ТС), формируемых процессом обработки путем корректировки траектории инструмента до получения максимальной точности обработки изделия с сохранением требуемых эксплуатационных характеристик.
Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
-
Разработать научные положения о системном синергетическом синтезе векторного управления точностью обработки на металлорежущих станках класса CNC на основе раскрытия внутренней динамической структуры и реализации возможностей ТС, включающей процесс обработки резанием, комбинированные методы обработки.
-
Разработать математические модели динамики управляемой многокоординатной системы обработки, включающие подсистемы векторного управления исполнительными элементами станка; подсистемы, связывающие траектории исполнительных элементов с траекториями движения вершины инструмента относительно зоны обработки заготовки переменной жесткости с учетом динамических характеристик процесса обработки.
-
На основе разработанных моделей и результатов системных экспериментальных исследований установить закономерности преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовок переменной жесткости и раскрыть их связь с качеством обрабатываемой детали.
-
Раскрыть механизм эволюции динамических связей, формируемых в процессе резания, и метод идентификации его основных параметров.
-
На основе установленных закономерностей эволюционных изменений процесса обработки, а также методов расчета изменяющихся характеристик жесткости инструмента и заготовки вдоль формообразующей траектории создать методику синтеза оптимального векторного управления, обеспечивающего требуемое качество деталей.
-
Создать новую систему технологической подготовки производства (ТІ 111), базирующуюся на системном синергетическом синтезе оптимальных траекторий для технологических процессов (ТП) обработки на многокоординатных станках с ЧПУ.
-
Проверить правомерность созданной методики синтеза управления точностью на примере типовых технологических операций, выполняемых на серийном и специальном оборудовании с ЧПУ на предприятиях машиностроения, в том числе, в аэрокосмической отрасли.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые на основе исследования динамической структуры автономных подсистем: станка, управления приводами, инструмента и заготовки, связанных процессом резания в единую управляемую систему, установлены закономерности преобразования вектора управления (программы ЧПУ) в траектории исполнительных элементов станка, траектории исполнительных элементов - в траектории формообразующих движений инструмента. Основанный на принципах синергетической теории, в частности, на принципах расширения-сжатия пространства состояния и когерентности управления, новый подход создал базу для построения системы ТИП и разработки управляющих программ (УП) для многокоординатных станков с ЧПУ, обеспечивающих заданные показатели точности, качества и производительности ТП обработки ответственных сложноконтурных деталей.
-
Разработаны математический аппарат, алгоритмы и средства построения УП для формирования вектора управлений, обеспечивающего преобразования траекторий исполнительных элементов ТС в требуемые по условиям достижения заданных показателей качества, производительности и себестоимости траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки. Предложены инженерные зависимости, аппроксимирующие преобразования траектории исполнительных элементов ТС в траектории формообразующих движений инструмента
для ТП точения, растачивания, попутного фрезерования концевыми фрезами, сверления глубоких отверстий малого диаметра.
-
На основе исследования моделей динамики процесса обработки сформулированы требования к системам векторного управления ТП оборудования ЧПУ, обеспечивающие минимизацию машинного времени при достижении заданных параметров качества обработки.
-
Разработана модель эволюционных процессов динамической системы резания с использованием представления параметров системы в виде интегральных операторов, и на ее основе - метод мониторинга процесса обработки. С использованием нового подхода к определению параметров износа через мощность необратимых преобразований ТС разработаны алгоритмы идентификации ядер интегральных операторов, описывающих динамику износа инструмента.
-
Выявлены неизвестные ранее закономерности влияния эволюционных преобразований в динамической системе резания на показатели качества изделий, и на этой основе разработаны методы и средства построения УП, компенсирующие влияние износа на точность и параметры качества ТП механической обработки.
-
Раскрыты новые механизмы проявления отклонений геометрии деталей от заданной, обусловленные особенностями динамики взаимодействия подсистем станка, процесса резания и самостоятельными процессами в зоне резания, на основе чего предложены технологические рекомендации по устранению этих отклонений, повышению производительности, качества и стабильности ТП.
Практическая значимость работы включает:
-
На стадии ТИП создание новой системы формирования векторного управления для ЧПУ, что позволило расширить технологические возможности серийных многокоординатных станков и разработать требования к вновь создаваемому оборудованию с ЧПУ.
-
Создание новой системы ТИП, позволившей сократить сроки освоения новых изделий, повысить качество продукции, увеличить загрузку станков с ЧПУ, поднять уровень конкурентоспособности отечественного машиностроения.
-
Разработку инструктивных материалов для расчета УП, обеспечивающих оптимальное преобразование траекторий исполнительных элементов ТС в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки, что позволило повысить точность обработки на оборудовании с ЧПУ, особенно изделий малой жесткости при большом вылете инструмента.
-
Создание программного обеспечения, интерфейсов и технических решений, обеспечивающих существенное повышение эффективности ТП обработки на станках с ЧПУ при точении, растачивании, сверлении, фрезеровании маложестких деталей сложной геометрической формы, которые расширили область использования и загрузку оборудования на ОАО «Роствертол» и других предприятиях машиностроения.
-
Разработку систем динамической диагностики ряда процессов обработки, что ускорило адаптацию ТП к условиям формообразования на оборудовании в реальном масштабе времени.
-
Создание и внедрение в производство специализированных станков, в том числе для сверления глубоких отверстий малого диаметра, снабженных микропроцессорными системами синергетического управления, что позволило устранить брак дорогостоящих деталей и ускорить ТИП при запуске новых изделий.
Автор защищает:
-
Новую систему технологической подготовки производства, базирующуюся на системном синергетическом синтезе векторного управления точностью обработки на станках с ЧПУ, учитывающем динамическое состояние процесса обработки в реальном времени.
-
Установленные закономерности преобразования вектора управления в траектории исполнительных систем оборудования и формообразование поверхности заготовки, что позволило разработать и внедрить в промышленность программно-аппаратные средства ЧПУ с высокими технологическим возможностями для современного автоматизированного оборудования.
-
Синергетический подход к созданию методов синтеза УП для станков с ЧПУ, использующий единое описание системы управления исполнительными элементами станка, механическими подсистемами станка, заготовки и инструмента, законов преобразования траекторий исполнительных элементов в траектории движения инструмента относительно заготовки и учет динамической связи, формируемой процессом резания, в том числе, при его эволюции.
-
Методы и результаты исследования эволюционных преобразований динамической системы резания и их влияния на выходные характеристики, определяющие повышение показателей качества изготовления изделий и стабильности ТП.
-
Алгоритмы управления геометрической точностью деталей, позволяющие автоматизировать проектирование ТП для перспективного
технологического оборудования, повысить точность, снизить трудоемкость изготовления, сократить число последующих технологических операций.
6. Результаты использования и внедрения результатов на предприятиях машиностроения и в учебный процесс технических ВУЗов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях: «Проблемные вопросы автоматизации производства», Всесоюзная научно-техническая конференция, М., 1978; «Конструирование и производство сельскохозяйственных машин», Всесоюзная научно-техническая конференция, Ростов-на-Дону, 1982; «Конструкторско-технологическая информатика», V Международный конгресс, МГТУ «Станкин». М., 2000; «Проблемы механики современных машин», Вторая международная конференция, Улан-Удэ: ВСГТУ, 2003; «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение», Международная научно-техническая конференция, Брянск: БГТУ, 2003; «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий», Российская научно-техническая конференция, Рыбинск: РГАТА, 2003; «Нелинейная динамика и прикладная синергетика», Международная научно-техническая конференция, Комсомольск-на-Амуре, 2003; «Исследование станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей», Межвуз. научн. конф, Саратов, 2003; «Информационные технологии в российской промышленности», Всерос. науч. - практ. конф., СПб., 2004; «Динамика технологических систем», VII Междунар. науч. - техн. конф., Саратов, гос. техн. ун-т, 2004; «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», Материалы III Междунар. технолог, конгр., Омск, 2005; VIII Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем», Ростов н/Д: ДГТУ, 2007; на отраслевой научно-практической конференции «Совершенствование производства поршневых двигателей для малой авиации», Воронеж, 2008.
Реализация результатов. Методики и технические решения, полученные по результатам диссертационной работы, нашли применение на предприятиях оборонно-промышленного комплекса: авиационной просышленности - согласно акту, утвержденному и.о. начальника Управления авиационной промышленности В.Н. Рыбаковым; на ОАО «Азовский ОМЗ», г. Азов; на ОАО «КВЗ», г. Казань; ВМЗ, г. Воронеж; НП ОАО «Фаза», ОАО «НПП КП Квант», ОАО «Гранит», ОАО «Роствертол», г. Ростов-на-Дону.
Разработанные методы и результаты вошли составной частью в учебники и учебные пособия по дисциплине «Технология авиастроения».
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 37 трудов, из них 12 в журналах по Перечню ВАК РФ. Общий объем публикаций 142,5 печатных листа, в том числе соискателю принадлежит 93,6 печатных листа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 340 страницах, содержит 156 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 223 источников.
Современные тенденции совершенствования технологических процессов и станков с ЧПУ в интегрированном гибкоструктурном производстве
Разработка ТП для автоматизированного оборудования включает наиболее трудоемкую часть - проектирование средств управления, определяющих показатели качества обработки изделий. Современный металлорежущий станок с управляющей системой (ЧПУ, ЭВМ) представляет сложную техническую систему, в которой процесс обработки осуществляется в результате пересечения траекторий движений инструмента и заготовки (траектории формообразующих движений). Условно можно считать, что траектории, заданные в ЭВМ в виде программы ЧПУ, характеризуют траектории пространства X. Траектории движений исполнительных элементов станка принадлежат пространству Y. Траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки характеризуют пространство Z. Траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки, наряду с некоторыми самостоятельными процессами в зоне резания, определяют выходные параметры, определяющие показатели геометрического качества детали W (рисунок 1.6). Кроме этого необходимо учитывать, что на координаты состояния управляемой системы наложены ограничения, имеющие двоякую природу. С одной стороны, они определяются технологическими требованиями и свойствами процесса резания, зависящими от управляемых траекторий формообразующих движений, с другой, они обусловлены свойствами управляющих двигателей. Рассматриваемая сложная динамическая система взаимодействует, с одной стороны, с процессом резания и другими процессами, например, процессами трения в направляющих станков. С другой - с электрической стороной электромеханических преобразователей, обеспечивающих управляемые движения исполнительных элементов станка. Проблемы управления движением механических систем без учёта отмеченных выше особенностей достаточно полно изучены (см. [72, 117]). Рассматриваемая управляемая ТС имеет главную особенность, выделяющую предметную область исследований от традиционной методологии управления движением механических систем. Это динамические связи, возникающие в процессе резания, и связь управляемых траекторий с выходными характеристиками ТП -показателями качества изготовления деталей. Преобразования траекторий указанных выше пространств зависят не только от управляемости этими траекториями, под которой понимается обусловленная динамическими погрешностями ТС возможность воспроизведения траекторий в соответствии с УП ЧПУ.
На точность воспроизведения траекторий, соответствующих геометрическому образу, представленному программой ЧПУ, оказывают влияние свойства неуправляемых дополнительных связей, формируемых в результате взаимодействия исполнительных элементов с несущей системой станка. Как правило, эти связи, определяемые динамическими характеристиками узлов трения, вносят существенные отклонения, что отмечено в работах по исследованию точности малых перемещений в металлорежущих станках [28, 69, 162, 196]. Установлено также, что принципиальное значение имеют связи, формируемые процессом резания при движении инструмента относительно заготовки [52, 63, 97, 101, 102, 121,- 134, 222]. Кроме этого, на характеристики геометрической точности деталей оказывают влияние самостоятельные процессы в зоне резания типа образования нароста и других явлений, сопутствующих износу инструмента.
Металлорежущий станок может быть представлен в виде сложного динамического преобразователя, осуществляющего отображение X = Y = Z = W. Существующая в настоящее время парадигма улучшения металлорежущих станков основана на принципе подчинения всех траекторий траекториям пространства X. Для этого используется принцип, основанный на устранении вносимых неопределённостей в траектории каждого из рассмотренных выше пространств [28, 29, 46, 160]. Он включает следующие мероприятия [16, 30, 51, 138, 220, 334], учитываемые при проектировании ТП для станков с ЧПУ и при совершенствовании самого станочного оборудования: повышение жёсткости несущих систем станка; улучшение характеристик сопряжений подвижных управляемых элементов станка по отношению к его несущей системе; все механические элементы, преобразующие вращение роторов управляющих двигателей в линейные перемещения исполнительных элементов, по возможности либо устраняются, либо минимизируются. Основное направление в этом смысле связано с созданием управляемых линейных двигателей;повышение числа управляемых координат. В нашей интерпретации - это число управляемых исполнительных элементов; концепция кардинального повышения качества и функциональных возможностей станка, придающая ему свойства силового робота, обеспечивающего сложные пространственные формообразующие движения. Это связано с возрастающей потребностью обработки изделий, имеющих сложную геометрию (лопатки турбин, судовые винты, детали самолётов, вертолётов, и пр.); при управлении процессами обработки всё большее значение имеет электрическая сторона преобразователей, обеспечивающих в соответствии с УП управляемые движения, в том числе от ЭВМ, что позволяет применять достаточно сложные алгоритмы, как для управления, так и для диагностирования ТП.
Наблюдается общая тенденция расширения диапазона управляемых скоростей перемещений исполнительных элементов и частот вращения шпинделей, что должно учитываться в разрабатываемых ТП. В современных станках частоты вращения шпинделей меняются от единиц до 150,0-200,0 Гц, что позволяет существенно расширить функциональные возможности многофункциональных станков и обеспечить режим скоростного резания, обладающего преимуществами при использовании современных режущих инструментов.
Иерархическая структура систем управления современным автоматизированным производством в значительной степени определяет, как методологию ТПП, так и особенности разрабатываемых ТП. На верхнем уровне такой системы стоит ЭВМ, на нижнем - управляющие ЭВМ (УЧПУ) (рисунок 1.7).
Информационный обмен между подсистемами верхнего и нижнего уровней позволяет рационально распределить вычислительные ресурсы системы управления интегрированным производством (см. рисунок 1.8) и одновременно, повысить надёжность и гибкость (способность к переналаживанию) функционирования. Интеграция производства уменьшает затраты и увеличивает надёжность системы при частой смене УП, одновременно решая задачу адаптации УП, учета эволюционных изменений в ТС и создания систем адаптивного управления оборудованием по показателям качества изделий [203, 204, 208].
Зависимость сил резания от координат при формообразовании поверхностей
Реакция со стороны процесса обработки определяется динамической связью, формируемой в результате взаимодействия динамических подсистем инструмента и заготовки через процесс резания. Силы резания при обработке на металлорежущих станках формируются в результате пересечения тела режущего инструмента с заготовкой с учётом деформаций инструмента относительно обрабатываемой детали и условий контактирования передней и задней граней инструмента со стружкой и обработанной поверхностью (рисунок 2.5). При описании взаимосвязи учитываются векторы воздействия сил, позволяющие заложить в УП элементы адаптации процесса, а также. температурно-скоростной фактор, то есть скорость резания, и условия контактирования инструмента задней гранью с обработанной поверхностью. Таким образом, при заданной геометрии заготовки и инструмента, а также неизменных условиях обработки эти силы зависят от координат то есть от траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки в реальном времени. Координаты формообразующих движений инструмента относительно заготовки обозначим вектором Необходимо выяснить связь F = {Ft ,/s } с указанными координатами (рисунок 2.5). Вначале рассмотрим случай, когда силы, действующие на задние поверхности инструмента, являются величинами малыми, и переходными процессами в зоне резания, учитываемыми, например, в форме, предложенной В.А. Кудиновым, можно пренебречь. Это объясняется тем, что в данном параграфе мы будем рассматривать закономерности формирования сил в подсистеме «медленных» движений.
Тогда при формировании сил резания F = {F} , F, ,F-,} можно принять обычно используемые для этого гипотезы (рисунок 2.6) [81]:
Таким образом, силы, формируемые на передней поверхности режущего инструмента, при малых изменениях скорости резания Ил-/,д 4+ н отсутствии износа и неизменной геометрии инструмента, для неизменных физико- механических свойств материала заготовки и инструмента определяются технологическими параметрами, то есть величиной подачи на оборот Sp(t) и глубиной резания /r(t) (рисунок 2.6) припуска, зависящее от положения вершины инструмента по отношению к оси вращения заготовки ( J К2(ф) {i)dt) и функции изменения радиуса заготовки о по оси вращения инструмента. Применим известные в науке о резании металлов положения о технологических параметрах и их связи с координатами формообразующих движений. Величина подачи на оборот при движении инструмента по оси вращения заготовки — есть путь, пройденный вершиной инструмента относительно заготовки за один оборот. Но, если в процессе обработки имеют место деформации инструмента по отношению к суппорту, то текущее значение подачи, определённое по величине перемещения суппорта и вершины инструмента, и подача, заданная УП, могут отличаться.
При движении инструмента вдоль обрабатываемой детали необходимо, как и в (2.19), учитывать срезание материала на предыдущем обороте. Тогда на временном отрезке движений инструмента в сторону оси вращения детали величина глубины резания фактически определяется величиной подачи, то есть определяется по зависимости Sv(t)= \v \t)dt. Вторая координата, влияющая в этом случае на площадь срезаемого слоя, будет равна ширине режущего инструмента. В том случае, когда обрабатывается деталь, имеющая сложную геометрическую форму, эти два механизма действуют одновременно. Заметим, что в дальнейшем деталью, имеющей сложную геометрическую форму, считается такая, при обработке которой изменяется направление вектора скорости движения суппорта.
При движении инструмента вдоль оси вращения заготовки (это наиболее типичный случай для токарной обработки) силы, формируемые процессом резания, определяются следующими интегральными соотношениями
Учет влияния упругих деформаций инструмента при определении аттракторов «медленных» движений, обеспечивающих требуемые показатели качества
Прямая подстановка численных значений показывает, что точки со\х и со АЗ являются устойчивыми, а точка (о\л - неустойчива. Из анализа полученной диаграммы смещения точек равновесия (рисунок 3.7) следуют выводы: верхняя ветвь траектории стационарных состояний особенно в сред-нечастотном и высокочастотном диапазонах на рисунке 3.7 и рисунке 3.2 практически совпадают. На рисунке 3.7 также приведены пунктиром диаграммы, полученные без учёта дополнительных сил, формируемых в областях задних поверхностей инструмента. Дополнительные силы существенно влияют при уменьшении частоты вращения шпинделя; точка равновесия со\ъ образуется из-за возрастания дополнительных сил при уменьшении частоты вращения шпинделя. Начиная с некоторой частоты, силы возрастают настолько, что возможно два сценария. Первый - за счёт упругих деформаций инструмент выходит из зоны резания и фактически скользит по поверхности заготовки, не совершая резания. Второй — силы создают в инструменте напряжения, превышающие предельные, т. е. возникает его поломка, и процесс обработки также невозможен; дополнительные силы при уменьшении частоты вращения заготовки формируют силовой барьер, не позволяющий обеспечивать реверсирование направления вращения шпинделя, за счет чего в реальной системе фазовые траектории не переходят в область отрицательных скоростей; в фазовом пространстве можно выделить некоторые области, в которых процесс обработки по технологическим условиям и условиям резания не существует. Поэтому при выборе траекторий в пространстве состояния, т.е., в процессе проектирования технологии ЧПУ, необходимо обеспечивать принадлежность этих траекторий указанным ограничениям.
Укажем также, что при co( f Ф О увеличивается реакция со стороны процесса резания на якорь двигателя подачи. Область притяжения точки равновесия расширяется, значение критической частоты смещается в низкочастотную область, что улучшает динамические характеристики приводов. При уменьшении со\ уменьшается и а 1, то есть изменение реакции со стороны процесса обработки в этом случае может снижаться.
Изложенное убедительно показывает, что внутренние связи, формируемые процессом резания, направлены на стабилизацию динамических процессов при резании. Наоборот, автономизация управляемых приводов ухудшает функциональные характеристики систем управления конкретными процессами обработки. Взаимное влияние приводов существенно возрастает, когда обрабатывается деталь, имеющая сложную геометрическую форму, при изготовлении которой необходимо одновременно менять скорости движения двух приводов: продольной и поперечной подач.
Основной задачей функционирования металлорежущих станков является изготовление изделий, обеспечивающих заданные показатели их качества. Понятие геометрического качества подробно рассмотрено в работах [12, 47, 113], в которых геометрическое качество оценивается показателями точности формы (продольной и поперечной), волнистости и микрорельефа, в том числе различными их оценками, представленными в виде статистических функционалов над стационарными полями [12, 41]. В процессах механической обработки характеристики качества определяются, прежде всего, траекториями формообразующих движений инструмента относительно заготовки и некоторыми самостоятельными процессами в зоне резания. На показатели геометрического качества оказывают влияние и свойства оборудования, на котором осуществляется обработка.
Здесь остановимся исключительно на вопросе геометрического качества, характеризующего точность продольного сечения заготовки. Поэтому будем анализировать «медленные» движения, усреднённые по периоду вращения заготовки. На данном этапе будем считать заготовку недеформируемой и процесс резания не эволюционируемым (например, развитие износа отсутствует).
Рассмотрим в качестве примера обработку вала, имеющего неравномерность припуска, заданного функцией tp(X3i) = t! Q+AtP(X3). Управление осуществляется регулированием напряжений якорей U(3) и /(4) двигателей продольной подачи и частоты вращения шпинделя. Ниже будет предложена возможность дополнительного управления поперечным перемещением суппорта. Ставится задача подобрать U(3)(X3) и UW(XA) таким образом, чтобы после обработки обеспечить условие r(X3) = rQ ±Аг (рисунок 3.8). Примем допущение о том, что дополнительные возмущения U , обусловленные свойствами механической части приводов, либо отсутствуют, либо постоянны для всех координат Хъ. Это допущение обосновано тем, что в современных приводах исполнительных элементов станков влияние нестационарности момента сопротивления механической части привода компенсируется системой управления.
Зададим закон изменения радиуса заготовки и соответствующие ему значения припуска в табличной форме (см. таблицу 3.1). Величина припуска рассматривается без учёта упругих деформаций инструмента на основе определения геометрического пересечения заготовки и положения инструмента. Таблица может быть получена на основе прямых измерений заготовки до её обработки на металлорежущем станке.
Модель развития износа в форме интегральных операторов
Прогнозирование эволюционных преобразований в технологических системах затрагивает важную предметную область в решении проблем ста бильности и надёжности технологических процессов. Это прогнозирование износа, накопление микродефектов, приводящих к усталостным разрушени ям, отклонения размеров и микрорельефа в системах обработки резанием и др. Как правило, эти свойства изменяются времени. Особенно актуальны проблемы эволюционных преобразований при обработке на металлорежущих станках, так как при неизменных условиях обработки выходные характери стики, определяющие показатели качества изготовления изделий, изменяют ся. Здесь существенно то, что эволюционные изменения параметров качества изделия, например, размера, являются результатом эволюционных изменений динамической характеристики процесса резания и уже через механизм этих изменений меняются характеристики геометрического качества (рис. 5.1). Таким образом, при одном и том же износе, но при различных упруго диссипативных и инерционных характеристиках металлорежущего станка, приведённого к процессу резания, изменяются параметры геометрической погрешности.
Основные отличия развиваемого в настоящей работе подхода к эволюционным изменениям в ТС от существующих заключаются в следующем: - эволюционные процессы связаны с работой сил резания, когда формируемые диссипативные структуры поддерживаются мощностью необратимых преобразований. Изменение износа как одного из выходных параметров эволюционных преобразований, приводит к изменениям многих координат, характеризующих состояние процесса резания. Это — силы резания, мощность двигателей приводов, сигнал виброакустической эмиссии, температура, электрическая и электромагнитная эмиссия и пр. Поэтому возможно построение для ТС обработки резанием устройств диагностирования износа, оценивания некоторых составляющих микрорельефа и показателей геометрического качества. Однако при построении моделей эволюции в качестве исходной информации должны быть приняты во внимание те координаты состояния, которые являются первопричиной эволюционных изменений ТС -это работа и мощность необратимых преобразований в зоне резания; - на эволюционирующие параметры ТС оказывают влияние не только текущие значения работы и мощности, но и их предыстория. Последнее обу словило использование в настоящей работе моделей эволюционных измене ний с помощью интегральных операторов, а также методов идентификации ядра этих операторов; - принято, что при резании работу совершают не только постоянные составляющие сил резания, влияющие на упругие смещения траекторий формообразующих движений, но и переменные составляющие сил, которые в зависимости от частотного диапазона активируют те или иные процессы.
При определении работы, усреднённой по периодам колебаний в различных частотных диапазонах, скалярные величины работы и мощности преобразуется в векторные. Из всех осцилляторов, формирующих сигнал виброакустической эмиссии, необходимо иметь методику выделения локальных областей в динамической системе резания, в которых совершается работа; - выходные параметры процесса резания, характеризующие его состоя ние (например, интенсивность износа и износ, силы резания, температура и пр.) и результат (параметры качества детали), определяются достаточно сложными преобразованиями в ТС. Однако необходимость методов их моде лирования обусловлена тем, что они позволяют существенно повысить точ ность обработки по проектируемым управляющим программам. Как видно из [33, 224] без учета влияния эволюционных преобразований в управляющих программах в большинстве случаев не удается реализовать возможности имеющегося оборудования с ЧПУ. соответствии с основными положениями разработанного метода описания эволюционных преобразований в ТС (см. [79, 196, 199,200]) работа ранжируется по частотным диапазонам, определяемым значимыми осцилля торами в модели сигнала виброакустической эмиссии Л(т) = л1(т), И каждое значение А,(Т) в этой сумме, нарастающее по мере увеличения времени г, отражает различные физические процессы в зоне резания. В частности, А0(т) характеризует традиционно анализируемое интегральное значение мощности процесса обработки. Проиллюстрируем методику построения эволюционной модели износа в форме интегрального оператора на примере процесса точения. Параметры процесса резания: обработка стали 12Х18Р9Т инструментами из Т15К6 (трёхгранные неперетачиваемые пластинки). Скорость резания меняется в пределах (80,0-200Д«/лшн), подача - (0,02-0,20мм/об), глубина резания -(0,5 -2,0мм). После изучения распределения корней характеристического полинома в комплексной плоскости в частотном диапазоне (0-20,0 7» на основе построения авторегрессионных моделей виброакустического сигнала были определены основные частоты периодических составляющих колебаний, которые соответствовали в исходном состоянии системы Q, = (0,98 - \,2)кГц, П, (время дискретизации вибрационных последовательностей равно Д/ = 0,25-10 с). Центры группирования распределения корней приведены на рисунок 4.1. Кроме этого идентифицированы амплитуды и фазы.
После этого для каждой частотной составляющей были вычислены средние за период значения работы и мощности. По мере развития износа в пределах до величины И = 0,8.и« по задней грани инструмента изменение частотного состава колебаний практически не наблюдается. Наблюдается лишь смещение корней в указанных выше диапазонах. Что касается ядер интегральных операторов, то они аппроксимируются экспоненциальными функциями где wXg A,) = e\p[TA(g-А,)]. Агрегированная координата в (4.1) представляет сумму, определяющую непосредственное влияние мощности на интенсивность изнашивания по работе (первое слагаемое) и влияние предыстории из- менения мощности по работе (второе слагаемое в виде интегрального оператора). Тем самым оценивается влияние на интенсивность износа по мощности текущего значения мощности и всей ее траектории за время функционирования системы. Последняя характеризует память системы резания о предыдущих изменениях мощности резания в рассматриваемых частотных диапазонах. Второй интеграл преобразует агрегированную координату в величину износа. Если задана функция изменения мощности N, (А,) по работе, то для определения износа необходимо знать параметры а,,Гд (см. таблицу 4.1). Идентификация параметров оператора осуществлялась при описанном выше наборе режимов. Наследственность интенсивности изнашивания по работе дис-сипативных сил зависит от предыстории мощности и оценена параметром Тл, который (таблица 4.1) существенно зависит от частоты составляющей сил диссипации. При увеличении параметра ТА уменьшается величина работы рассматриваемой композиционной составляющей, на которой наблюдается влияние предыстории мощности на интенсивность (уменьшается «память» о предыдущей работе сил диссипации). При работе А, =0 (предыстория влияния работы на величину износа отсутствует) интенсивность износа характеризуется только текущей мощностью сил диссипации. Анализ данных таблицы также показывает, что «память» ТС о предыдущих значениях работы и мощности сильно зависит от рассматриваемого частотного диапазона.
