Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 8
1.1, Оценивание динамических процессов в технических системах... 12
1.2, Оценки и оптимизация в металлообработке 20
1.3, Настройка автоматизированного металлорежущего оборудования на оптимальные режимы резания 29
1.4, Идентификация станков и комплексов 33
1.5, Выводы 42
2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ 45
2.1. Предпосылки формирования мониторинга 46
2.2. Анализ системных свойств управляемых технологических ^ объектов; концептуальные основы построения динамического...мониторинга 49
2.3. Априорное моделирование динамических процессов в станках методом конечных элементов; анализ возможности использования для мониторинга 76
2.4. Выводы 101
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СТАНКАХ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ СВЯЗЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ТОЧЕНИЯ И ШЛИФОВАНИЯ) 102
3.1. Модель динамической системы токарного станка 103
3.1.1. Структурно-функциональный анализ динамической системы... 104
3.1.2. Идентификация типовых звеньев модели 104
3.1.3. Типовое соединение динамической системы 109
3.2. Моделирование процессов, протекающих в динамической системе при точении 114
3.2.1. Результаты моделирования в линейном приближении 115
' 3.2.2. Результаты нелинейного моделирования 117
1 3.3. Сопоставительный анализ результатов 126
3.4. Обобщенная динамическая модель процесса внутреннего шлифования 130
3.4.1. Уравнения движения динамической системы шлифования 132
4.2. Исследование устойчивости динамической системышлифования 137
3.4.2.1. Устойчивость равновесного положения динамической системы 140
3.4.2.2. Устойчивость движений динамической системы шлифования по первому приближению 145
3.5. Исследование автоколебательных режимов асимптотическими... методами 149
3.5.1. Стационарные автоколебательные режимы 149
3.5.2. Критерии устойчивости стационарных режимов 152
3.5.3. Критерии выделения доминирующей подсистемы 155
3.5.4. Расчет границ устойчивости стационарных режимов 158
3.6. В ывод ы 160
4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ СТАНКА 164
4.1. Принципы разработки оптимальной динамической настройки 164
4.2. Критерии оценки и показатели качества динамической настройки (на примере шлифования) 167
4.2.1. Классификация динамических связей в формообразующих подсистемах станка 167
4.2.2. Оценка свойств колебательного процесса 170
4.2.3. Оценка качества динамической настройки 179
4.3. Исследование динамического взаимодействия формообразующих подсистем 180
4.4. Исследование динамики шлифования в условиях доминирования подсистемы инструмента 184
4.4.1. Связь устойчивости автоколебаний с параметрами подсистемы инструмента 185
4.4.2. Распределение амплитуд автоколебаний на частотах нижнего., иверхнего предельных циклов 187
4.4.3. Влияние параметров привода инструмента на динамику шлифования 189
4.4.4. Исследование влияния коррекции параметров крутильной подсистемы инструмента 192
4.5. Бифуркационные модели взаимосвязи состояния и колебательных процессов в динамической системе станка (на примере токарной обработки) 195
4.6. Топологический анализ оптимизации настройки 204
4.7. Этапы реализации оптимальной динамической настройки 213
4.8. Выводы 216
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МОНИТОРИНГУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО , ОБОРУДОВАНИЯ 218
5.1. Исследования по мониторингу процессов в токарных станках 218
5.1.1. Результаты мониторинга структурной устойчивости динамической системы станков 219
5.1.2. Результаты мониторинга процесса оптимизации частоты вращения шпинделя 223
5.1.3. Исследования по мониторингу структурной устойчивости станков 227
5.2. Исследования по мониторингу процессов в шлифовальных станках 235
5.2.1. Методика проведения исследований 237
5.2.2. Результаты исследований 239
5.3. Выводы 245
6. РЕАЛИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 247
6.1. Станки токарной группы 247
6.2. Шлифовальные станки 265
6.3. Выводы 270
7. ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА... НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕИРОСЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ... 271
7.1. Научное обоснование принципов выделения информации о качестве технологических процессов с использованиемJj искусственных нейронных сетей (ИНС) 271
7.2. Разработка метода мониторинга параметров качества деталей на основе ИНС встречного распространения 285
V 7.2.1. Входной слой 286
" 7.2.2. Слой Кохонена 289
7.2.3. Слой Гроссберга 290
7.2.4. Обучение нейросети 290
7.3. Модификация ИНС 293
7.4. Разработка программно-математического обеспечения метода 295
7.5. Экспериментальная проверка метода на станках токарных и шлифовальных станках 303
7.6. Результаты идентификации параметров качества токарной обработки 304
7.7. Результаты идентификации параметров качества шлифования 308
7.8. Выводы 310
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 311
ЛИТЕРАТУРА 314
, ПРИЛОЖЕНИЯ 338
Введение к работе
Современное автоматизированное станочное оборудование является технически сложной системой по следующим причинам. Рабочие процессы при формообразовании обеспечиваются совокупностью преобразований энергий, различных по физической природе. Управляемые перемещения многомассовых функциональных блоков характеризуются сложной кинематикой. Траектория перемещений рабочих органов станка изменяется в соответствии с реализуемыми операциями гибкой технологии. В многономенклатурном автоматизированном производстве этот фактор особенно значим, так как множество технологических операций производится на одном и том же
оборудовании с применением различных инструментов. В связи с этим изменяются структурно-параметрические характеристики связей, функциональ-f\ ных блоков, реализующих на каждой операции технологический процесс, и интервальные условия взаимодействия различных инструментов с деталью. Воздействия неконтролируемых возмущений приводит к квазистационному
?, режиму резания в пределах каждого интервала. Рабочие процессы обеспечиваются многосвязной системой управления. В эту систему входят элементы с существенно нелинейными характеристиками, параметры которых изменяются в широких пределах из-за отмеченных выше управляющих и возмущающих воздействиях на объект. Динамические свойства технологической системы, разомкнутой в режиме холостого хода и замкнутой при резании, не идентичны и зависят от управляемой силы резания и возмущающих факторов.
Все это не дает возможность применения традиционных методов теории автоматического управления для оценки качества формообразования и технического состояния функциональных блоков. Необходимы новые адаптивные подходы для оценивания динамического состояния сложного технологического оборудования в реальном времени, которые должны быть сфор-/ мированы с учетом отмеченных выше свойств управляемого объекта.
В данной работе представлено обоснование динамического мониторинга качества формообразования сложного технологического оборудования по косвенным доступным для «наблюдения» процессам и его реализация как по прямому назначению, так и для оптимальной настройки оборудования, гибкого обслуживания по состоянию и для анализа возможностей модернизации станков с учетом реальных динамических характеристик. Для обеспечения универсальности мониторинга исследования проводились для токарных, шлифовальных и фрезерных станков. В производственных условиях произведен мониторинг качества формообразующего динамического состояния для 11 станков различного технологического назначения.
Результаты представленной научно-исследовательской работы получены при выполнении проекта 201.04.01.122 научно-технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», госбюджетных работ ГО-УВПО «Саратовский государственный технический университет», по договорам о творческом и хозяйственном сотрудничестве с промышленными предприятиями.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теорий управления, колебаний, вероятностей и математической статистики, основных положений динамики станков, технологии машиностроения, а также математического моделирования на ЭВМ. Для определения возможности универсального подхода и общности при формировании мониторинга исследования выполнены Ч на оборудовании различного технологического назначения (токарном, фрезерном и шлифовальном). Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании в лабораторных и реальных производственных условиях по оригинальным методикам с обработкой полученных результатов на ЭВМ.
Научная новизна работы состоит из следующих наиболее крупных результатов:
1. Найдено решение научной проблемы «Обоснование и реализация динамического мониторинга сложного технологического оборудования в многономенклатурном автоматизированном производстве», основанное на законах и принципах технической кибернетики и машиноведения.
2. В условиях многономенклатурного автоматизированного производства по результатам системного анализа металлорежущих станков показаны необходимость и пути повышения их наблюдаемости в пространстве состояний на основе формирования динамического мониторинга качества процессов, обеспечивающих или сопутствующих формообразованию деталей.
, 3. Исследованы динамические модели функционирования токарных, шлифовальных и фрезерных станков при наличии возмущений, позволившие определить общие закономерности для формирования их мониторинга в процессе эксплуатации.
4. Создана перспективная информационная технология с адаптивными свойствами и обоснованы критерии оценки качества при мониторинге. Предложена технология косвенной многоуровневой оценки качества процессов, сопровождающих резание, по вибросигналам о колебаниях, регистрируемых в динамической системе станка в виде временных рядов динамики.
5. Разработаны и реализованы принципы оптимальной динамической настройки, которые заключаются в формировании оптимальных динамических свойств станка на основе анализа динамического взаимодействия подсистем инструмента и заготовки, связанных процессом резания, и оптимизации параметров технологического режима, и позволяют адаптироваться к допредельным изменениям состояния станка, в различных аспектах, интерпретируя одну и ту же входную информацию.
6. Разработана методика формирования оптимальных динамических свойств станка, базирующаяся на коррекции параметров подсистем инструмента и заготовки, что позволяет эффективно подавлять негативные процессы, протекающие в динамической системе станка при резании.
Показано, что дальнейшее развитие технологии мониторинга целесообразно вести в направлении использования искусственных нейронных сетей для выявления неявных зависимостей между динамическим состоянием станков и параметрами качества изготавливаемых на них деталей. Практически это позволит вести мониторинг параметров качества деталей в реальном времени, но при условии решения вопросов оптимизации архитектуры ней f росети и совершенствования алгоритма ее обучения, поскольку зависимости между параметрами качества деталей и характеристиками вибросигналов о колебаниях не имеют явно выраженных количественных закономерностей.
Системы искусственного интеллекта реализованы для токарных и шлифовальных станков.
В соответствии с изложенным на защиту выносятся следующие основные положения работы, определяющие решение проблемы обоснования и реализации динамического мониторинга сложного технологического оборудования в многономенклатурном автоматизированном производстве:
1. Результаты системного анализа проблемы, заключающиеся в обосновании численного интегративного оценивания сложных взаимодействующих между собой динамических процессов в металлорежущих станках при наличии нестационарных связей и нелинейных элементов с переменными характеристиками.
2. Нелинейные модели и результаты моделирования и анализа динамических процессов в токарных и шлифовальных станках.
3. Технология мониторинга состояния станков по интегральным показателям качества сопровождающих резание колебательных процессов.
4. Принципы, критерии, методика и результаты анализа процессов оптимизации динамической настройки станка и параметров технологического режима обработки.
5. Результаты экспериментальных исследований, производственных испытаний и реализации мониторинга на станках различного технологического назначения.
6. Метод мониторинга качества деталей в реальном времени на основе использования искусственных нейронных сетей для выявления неявных зависимостей между характеристиками вибросигналов о колебаниях станков при резании и параметрами качества изготавливаемых на них деталей.
