Введение к работе
качество металлорежущего станка (МРС) является достаточно сложной категорией, раскрывающей способность станка изготавливать детали заданной точности при определенной производительности и себестоимости. Многочисленные исследования показали, что hj качество станка и его функционирование оказывают влияние конструктивные особенности; способ, математическое и программной обеспечение задания геометрии детали и формообразующих движений инструмента относительно детали; качество различных процессов, в том числе динамических, тепловых, акустических, процессов а зоне резания и других. Каждое из этих направлений формирует самостоятельное научное направление в станковедении.
В последние 20+30 лет сформировалось научное направление, раскрывающее динамику станка. В частности, показано, что динамическое качество (ДК) МРС во многом определяет его работоспособность, а динамические особенности функционирования оказывают непосредственное влияние на качество изготовления деталей и на состояние процесса резания (ПР), прежде всего, на динамическую устойчивость, формирование автоколебаний и износ режущего инструмента (РИ). Отдавая дань этим фундаментальным исследованиям, необходимо отметить, что в координатах динамического состояния МРС отображаются многие функциональные показатели состояния процесса резания, качества обрабатываемых деталей и состояние отдельных элементов станка.
При изучении этих отображений, являющихся основным предметом исследований диссертации, необходимо учитывать движения инструмента относительно детали, а также связанные с ними координаты состояния МРС. Это объясняется тем обстоятельством, что в движениях отображается состояние ПР и именно движения формируют поверхность и, следовательно, влияют на точность детали.
Исследование этих отображений определяют следующий этап эволюции взглядов динамику станков и в этом актуальность диссертации, обусловлена эволюцией развития станковедения. Этот новый этап, на наш взгляд, заключается в объединении научных знаний о динамике станка, процессе резания и всей станочно-инструментальной системы механической обработки. Только при этом открываются новые возможности мониторинга геометрического качества и изготовления детали с предельно достижимой точностью. Научная и практическая значимость этой проблемы ставит ее в ряд важнейших народно-хозяйственных задач, решение которой открывает новое научное направление в станковедении, опирающееся на позиции достижения конечной цели функционирозания станка - создание деталей заданного качества. Вышеизложенное обусловило выполнение диссертационной работы в рамках общесоюзной программы 0.18.1Q "Гибкие автоматизированные производства" (утвержденной постановлением ГКНТ СССР от 30.10.85г. №555), а также диссертация является составной частью работы МНТК "Надежность машин* (утвержденной постановлением ГКНТ СССР от 6.11.87г. №412) и выполнена в рам-
ках общероссийских программ "Университеты России" и "Конверсия и высокие технологии". Отдельные аспекты диссертации выполнены по программам международного сотрудничества с Канадой, Польшей и Индией.
В настоящей работе, как и вообще в мировой практике, под мониторингом понимается оценивание и прогнозирование состояния системы. В данном случае оценивается ДК станка как станочно-инструментальной системы механической обработки во взаимосвязи с ДХ станка, процесса резания и геометрическим качеством детали с учетом действующих возмущений. В этой связи под динамической преобразующей системой станка понимается совокупность динамических характеристик упругой системы, процесса резания, управления и возмущений.
Проблемы прогнозирования и диагностики являются взаимосвязанными. Прогнозирование опирается на априорную информацию о динамической системе и действующих возмущениях, а диагностика учитывает текущую физически измеряемую информацию о координатах динамического состояния и возмущениях.
Геометрические качество анализируется по функции профиля обработанной поверхности детали. Эта функция представляет собой геометрический образ развертки поверхности детали. При этом достигается возможность вычисления геометрических характеристик качества поверхности детали как оценок геометрической точности (например, Rz, Ra, параметры волнистости и другие) в продольном и поперечном направлениях и непосредственно по следу инструмента.
Под динамическим качеством станка будем понимать такие динамические характеристики, которые влияют на состояние станка и процесса резания и качество детали. Эти характеристики представляют собой следующую совокупность:
характеристики, раскрывающие взаимосвязь сил резания с движениями инструмента относительно детали;
характеристики процесса резания с учетом динамики формообразования;
характеристики возмущений, действующих на преобразующую систему станка.
Цель работы. Повышение качества, производительности и надежности металлорежущих станков на основе всестороннего мониторинга их динамических свойств за счет диагностики и прогнозирования отклонений формообразующих движений от заданных, диагностики и прогнозирования геометрического качества деталей и состояния процесса резания, а также сертификации станков в производстве и эксплуатации по динамическим характеристикам.
Научная новизна диссертационной работы заключается в создании научных и методологических основ многофункционального мониторинга динамического качества МРС, включающие;
принципы,, методику и математическое обеспечение моделирования, анализа и
идентификации динамических характеристик МРС с позиций изготовления детали
заданного качества или с предельно достижимой точностью в условиях неопре
деленности взаимосвязи координат состояния динамической преобразующей си-
стемы станка и процесса резания;
методика и математическое обеспечение динамического анализа формирования и отображения отклонений движений инструмента от заданных в геометрическое качество детали с учетом кинематических и силовых возмущений;
методика и математическое обеспечение динамического и статистического мониторинга геометрического качества, кинематических возмущений и состояния ре? жущего инструмента и процесса резания.
В рамках решения указанных проблем в диссертации получены следующие новые научные результаты:
а) методика анализа и информационно-динамические модели функционирования
станка с позиций формирования геометрического качества детали;
б) методика и математическое обеспечение идентификации параметров простран
ственной динамической структуры упруго-диссипативной системы станка (УДСС),
а также методика пересчета ДХ станка к точке контакта РИ с деталью с учетом ее
геометрии и физико-механических свойств;
в) методика и математическое обеспечение идентификации и результаты экспери
ментального анализа характеристики ПР как динамической связи;
г) методика и математическое обеспечение идентификации и результаты экспери
ментального анализа характеристики ПР как силового шума;
д) алгоритмы вычисления статистических характеристик смещений детали, источни
ком которых является неравномерность физико-механических свойств заготовки;
е) методика построения информационных моделей состояния ПР по ДХ преобра
зующей системы станка;
ж) математические алгоритмы диагностики и результаты экспериментальных иссле
дований износа РИ на основе анализа ДХ станка и ПР;
з) математические модели и результаты исследований исполнительных движений
(ИД) рабочих органов, участвующих в организации ПР;
и) алгоритмы выделения информации и результаты исследований кинематических возмущений;
к) цифровая модель формирования и результаты исследований функции поверхности обработанной детали;
л) экспериментально идентифицированная передаточная функция процесса формообразования при точении;
м) методика и математические алгоритмы определения отклонений формообразующих движений РИ относительно детали от заданных;
н) математический алгоритм статистического мониторинга геометрических характеристик поверхности детали.
Методы исследования. Теоретические результаты, включающие цифровое
моделирование и математические алгоритмы параметрической идентификации ДХ
МРС, процесса резания, передаточной функции процесса формообразования, ис-
полнительных движений, кинематических возмущений, динамического и статистического мониторинга геометрического качества, анализа влияния неравномерности физико-мехакических свойств заготовки получены на основе динамики машин, прежде всего динамики станхов, теории колебаний, теории резания, стохастического метода конечных олементоа, теории азтоматического управления, теории вероятности и математической статистики, статистической радиотехники и радиофизики.
Экспериментальный исслодозения ДХ МРС и ПР проводились на различных тилах токарных станков (УТ16ФЗ-01.16К20. ТПК-125, РТ724ФЗ-01, 1А983, 1325Ф30, 11Г25ПФ40, БРСК-І и некоторых других) в условиях ЦПУ, Сасовского станкостроительного ПО, Нсзочсркассксго станкозавода, ПО *Ростсольмаш" (Ростов-н/Д), Азовского олтико-!.!охс-'; часхого эасода (АОМЗ), а также во время научной стажировки в университете Ксн.срдил (Монреаль, Канада) при помощи автоштизированного испытательного программно-аппаратного комплекса на базе Notebook IBM PC 488, интерфейса типа L1210M и процессора обработки ситалов ADSP 2105.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались оригинальными программными средствами на осмосе корреляционно-спектрального и дисперсионного анализа, теории раслазназамия образов, Байесовского классификатора, ли-найного и нелинейного метода наименьших квадратов, математического слпарата анализа разностных уравнений.
Практическая ценность заключается в создании научно-математического обеспечения системы многофункционального мониторинга динамического качества МРС исходя из требований идентичности динамических характеристик прообразующей системы станка и обеспечения заданного геометрического качества детали. Многофункциональность обеспочизазтся новыми научными результатами, которые позволили создать следующее математическое и программное обеспечение:
а) идентификации ДХ МРС кок динамического паспорта станка, предназначенное
для сертификации и приемо-сдаточных испытаний МРС по ДХ;
б) идентификации ДХ ПР как динамической связи и как силового шума, направпен-
ное на решение задачи обеспечения заданных параметров процесса обработки;
в) статистического анализа ИД рабочих органов и идентификации источников кине
матических возмущений, предназначенное для сертификации и приемо
сдаточных испытаний МРС и оценивания его текущего состояния;
г) динамической диагностики износа РИ по ДХ МРС и ПР;
д) динамического и статистического мониторинга геометрических характеристик ка
чества поверхности обработанной детали.
Реализация результатов работы. Разработаны и внедрены:
ряд систем, многосрункциональной диагностики качества функционирования станка и процесса обработки (ПО Ростселыуаш". 1987-88г.г., 1993г. ЭНИМС, 1992г., Новочеркасский станкозавод, 1992г., 1995г.);
программно-аппаратный комплекс для сертификации и проведения приемо-
сдаточных испытаний МРС по характеристикам неравномерности исполнительных движений рабочих оргзноэ (Сассзском станкостроительном ПО, 1990г., 1991г., Новочеркасский станкозавод, 1992г., 1995г.); . подсистема диагностики гзсметричаскчх характеристик поверхности обработанной детали (Новочегжасский станкозавод, 19Э5г.);
программно-аппаратный комплекс для сертификации и проведения приемосдаточных испытаний МРС по динамическим характеристикам упругой системы станка (Новочеркгсский станкозавод, 1995г.);
многофункциональная система мониторинга динамического качества (Азовский оптико-механический завод, 1995г.).
Апробпция работы. Оснонные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских научно -технических конференциях: "Современные проблемы технологии машиностроения", Москва, 1986; "Эксплуатационная надежность машин, роботов и модулей ГПС", Свердловск, 1987; "Образное представление данных в управлении и научных исследованиях", Грозный, 1937; "Проблемы создания ГПС в машиностроении", Каунас, 1987; "Динамика станочных систем ГАП", Тольятти, 1988; "Математическое обеспечение і) автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения", Андропов, 1988; "Динамика станочных систем ГАП", Нижний Новгород, 1992; "Надежность машин и технологического оборудования", Ростов н/Д, 1994; 31-ая международная MATADOR конференция, Манчестер, Великобритания, 1995; на научно-технических семинарах в унизерситете Конкордия (Монреаль, Канада, 1991), университете Мак-Мастер (Гамильтон, Канада, 1991), университете Наук и Технологий (Манчестер, Великобритания, 1995), в Варшавском техническом университете (Вэршава, Польша, 1995) и научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава ДГТУ в 1985 - 1996 г.г. Доклад, представленный на международной конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наух", Москва, МГТУ, 1994, удостоен диплома лауреата конкурса научных работ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 57 научных работ, из них - 5 в международных журналах, 5 на международных конференциях, 8 в российской центральной печати, 12 на всероссийских к республиканских научно-технических конференциях, 12 в межвузовских научных сборниках и 4 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Структура и объем. Диссертационная работа изложена в 2-х томах. Первый том на 432 страницах вхлючает введение, пять глав, заключение, общие выводы, список литературных источников из 357 наименований, 29 таблиц на 12 страницах и 170 рисунков на 116 страницах. Второй том - приложения на 190 страницах и включает описание автоматизированного программно-аппаратного комплекса для проведения экспериментальных исследований, оригинальное программное обеспечение
для формирования и статистической обработки данных, систем идентификации, диагностики, прогнозирования и сертификации станков и акты внедрения разработанных систем.