Введение к работе
Актуальность. Настоящее исследование является результатом дальнейших разработок систем управления процессом сверления глубоких отверстий, которые выполнены на кафедре АПП, а так же в ряде вузов и НИИ страны. Здесь, прежде всего, необходимо отметить работы Тверского М.М., Лещинского Л.Ю., Гуськова А.С., Мурашкина Л.С., Зака-малдина В.И. выполненные в ЭНИМСЕ, в Южноуральском техническом университете, Санкт-Петербургском техническом университете и МВТУ имени Баумана. Необходимо так же отметить работы, выполненные в ДГТУ под руководством Заковоротного В.Л., это работы Чубукина А.В., Яншахова М.Л., Назаренко Д.В., Панова Е.Ю. Главное внимание в этих работах уделялось проблемам управления собственно рабочих заглублений в процессе каждого единичного заглубления. Необходимо так же отметить исследования по совершенствованию режущего инструмента. В частотности использования шнековых инструментов, а так же сверлению оружейными сверлами, вибрационному сверлению и прочее. Кроме этого используются сверла фирмы GUHRING, у которых осуществляется принудительный подвод СОЖ через специальные отверстия в инструменте, что также способствует улучшению процесса обработки. В последние годы при создании оборудования для сверления глубоких отверстий существенно расширилась номенклатура деталей. Кроме типичных для топливной и гидроаппаратуры деталей, например штуцеров и шпинделей гидросистем вертолетов, создано оборудование для обработки например трубных досок пароконденсаторов энергетических паровых турбин.
Тем не менее, несмотря на совершенствование режущего инструмента, все станочные системы созданные для сверления глубоких отверстий представляют собой достаточно сложную управляемую динамическую систему, в которой необходимо разумно сочетать вспомогательные перемещения, в задачу которых входит быстрый вывод инструмента из зоны обработки для очистки инструмента от стружки и улучшения доступа СОЖ в зону резания и подвод инструмента к зоне резания, при обеспечении требуемых показателей точности координаты и скорости заглубления, обеспечение траектории рабочих заглублений, определение координат переключения каждого заглубления и прочее. Таким образом, следующим естественным этапом совершенствования автоматизированных управляемых станочных систем является системный подход к управлению движениями исполнительных элементов станков. Именно этот этап и определил актуальность диссертационного исследования и его значения для науки и практики, что отвечает требованиям ВАК РФ.
Целю работы является повышение производительности и технологической надежности процесса глубокого сверления отверстий спиральными сверлами на основе системной оптимизации траекторий исполнительных элементов станка.
Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
""' Ї:- Разработать 'математическую модель движений исполнительных элементов станка для сверления глубоких отверстий, включающую вспомогательные перемещения,' переход на траекторию рабочих заглублений и траекторию рабочих заглублений с учетом реакции со стороны процесса резания/ ".'...,
-
На основе математической модели разработать имитационную модель, позволяющую изучать и оптимизировать все стадии движения ис-полйительныУ'элементов с учетом реакции со стороны процесса резания.
-
Разработать математические алгоритмы и программы для синтеза систем оптимального'по быстродействию управления вспомогательными перемещениями пин'оли, обеспечивающих заданную точность позиционирования при подходе инструмента к зоне резания.
4.Разработать математические алгоритмы и программы для синтеза систем оптимального по быстродействию управления рабочими заглублениями, отличающиеся от известных тем, что управление является векторным с одновременным изменением скоростей подачи и частоты вращения шпинделя сверла.
5. Разработать математические алгоритмы и программы для определения координат переключения циклов рабочих заглублений, при которых время обработки отверстия будет минимальным при решении задач по первым двум пунктам.
6. Выполнить; экспериментальные исследования вероятностных свойств параметров^имитационной модели, позволяющей определить координаты переключения циклов управления движением пиноли.
: 7. Создать систему управления в совокупности с силовой сверлильной головкой, обеспечивающую оптимизированный алгоритм управления. Изучить эффективность различных алгоритмов и внедрить их в производство. ,
Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе проводились теоретические и экспериментальные исследования процесса сверления глубоких отверстий.
Теоретические исследования проводились путём математического моделирования, процессов сверления, численные методы решения задач динамики,; методы цифровой обработки сигналов и цифровой фильтрации, теорию случайных процессов.
Экспериментальные исследования были произведены на специально созданной установке, основу которой составляла силовая сверлильная головка, разработанная на кафедре "Автоматизация производственных' процессов" ДГТУ и изготовленная на Азовском оптико-механическом заводе. Оборудование работало под управлением ПЭВМ Pentium 233. Для обеспечения функции управления .и снятия данных использовалась специализированное программное обеспечение. Все статистические расчеты, а также математическое моделирование производились на ПЭВМ.
Кроме этого, значительная часть экспериментальных результа
тов, относящихся в первую очередь к оптимизации, процесса сверления
получены при эксплуатации промышленного оборудования, разработан
ного в том числе с участием автора диссертации, на РВПК ОАО «Роствер-
тол» и ОАО «Калужский турбинный завод». .,.. . .
Научная новизна/Научная новизна диссертационного исследования заключается прежде всего в разработке комплексной оптимизации траекторий исполнительных элементов станка для обработки глубоких отверстий в единстве оптимизации вспомогательных перемещений, рабочих заглублений и определения координат переключения рабочих.заглублений на вспомогательные перемещения. При решении этой общей проблемы получены следующие новые научные результаты:
-
Сформулирована и решена задача оптимизации вспомогательных перемещений по критерию минимума времени при обеспечении заданной точности подхода инструмента к зоне резания. При этом под точностью понимается, характеристики распределения пространственных координат вершины инструмента и скоростей врезания инструмента в заготовку.
-
Доказано, что максимальной глубине каждого единичного заглубления при ограничениях на осевое усилие и крутящий момент соответствует траектория одновременного изменения скорости подачи и частоты вращения.шпинделя. Разработана.методика определения этих траекторий и. предложена схема физической реализации.
-
Предложена имитационная модель всего цикла сверления включающая, как уравнение динамики, так и все циклы обработки. Выполненные на имитационной модели исследования позволили определить оптимальные координаты перехода от быстрых вспомогательных перемещений к рабочим заглублениям. Траектории рабочих заглублений и оптимальные координаты перехода от рабочих заглублений к вспомогательным перемещениям. В частности показано, что эти координаты зависят, как от глубины сверления, так от текущего их значения.
4. На основе экспериментальных методов осуществлена идентификация параметров имитационной модели для случаев: диаметр отверстия 1,9-2,5 мм (глубина 30 мм) и 12-16,4 мм (глубина 100 мм). Идентификация проведена для случаев первого и последующих заглублений.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что все алгоритмы управления, включая управление вспомогательными перемещениями, рабочими заглублениями и координатами переключения циклов обработки реализованы на конкретном оборудовании, внедренном на ОАО «Роствертол» и ОАО «Калужский турбинный завод».
Практическое значение работы заключается так же и в том, что разработанные алгоритмы могут быть после некоторой доработки перенесены на другие технологические процессы и металлорежущие станки. Например, алгоритмы синтеза систем оптимальных по быстродействию при заданной точности позиционирования можно использовать в позиционных системах программного управления станками.
Практическая ценность результатов работы определяется так же тем, что созданные серии управляемых силовых головок позволили:
для ОАО «Роствертол» на 30-35 процентов повысить производительность, практически исключить брак по поломке инструмента и уводу оси отверстия на базе координатно-сверлильного станка 2550ОС1000МФ4; Экономический эффект от внедрения системы управления составил 375 тыс. руб. в год (в ценах 2006 года).
для ОАО «Калужский турбинный завод» применение системы адаптивного сверления глубоких отверстий на спецстанках, созданных на базе радиально-сверлильных станков RF-51 "Chepel" производства Румыния, позволило более чем на 30% уменьшить время сверления глубокого отверстия при обработке трубных досок пароконденсаторов паровых турбин. Кроме повышения производительности обработки, указанный алгоритм снижает брак в высокоответственной детали по уводу оси отверстия - на 70%, по поломке инструмента - на 95 % и исключает катастрофический износ дорогостоящего твердосплавного инструмента, позволяя довести количество переточек сверла до 10, а общую стойкость инструмента (с учетом переточек) до 1200-1500 отверстий.
Апробация. Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях кафедры «Автоматизация производственных процессов» ДГТУ. Были произведены испытания на предприятии ОАО «Роствертол» и на ОГТ ОАО «Калужский турбинный завод», получены акты внедрения в количестве 4 штук.
Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях:
Современные проблемы информатизации: тез. докл-V Междунар. электрон, науч. конф. - Воронеж, 2000
Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства: материалы Междунар. конф., 16-19 сент.- Волгоград, 2003. - Ч.И
Современные проблемы информатизации в моделировании и анализе сложных систем: сб. тр. 12 Междунар. науч. конф. - г. Воронеж: «Научная книга» 2007 г.
Современные проблемы информатизации в моделировании и анализе сложных систем: сб. тр. 13 Междунар. науч. конф. - г. Воронеж: «Научная книга» 2008 г.
Научно-техническая конференция профессорско-
преподавательского состава, сотрудников и студентов университета. г.Ростов-на-Дону, 2008 г.
Всего по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. В том числе из списка ВАК:
Преобразование управляемых траекторий формообразующих движений в станках с числовым программным управлением - Вестник ДГТУ. Сер. Управление и диагностика в динамических системах. - Ростов н/Д, 1999;
Определение оптимальных аттракторов формообразующих движений при обработке глубоких отверстий малого диаметра. Ч.1-СТИН-2006-№ 1;
Определение оптимальных аттракторов формообразующих движений при обработке глубоких отверстий малого диаметра. Ч.2-СТИН-2006-№2. .... .
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, приложений и списка литературы, включающего 116 наименований, содержание работы изложено на 214 страницах машинописного текста, всего 89 рисунков.
В приложении приведены программы моделирования системы управления, реализованные в математическом пакете MATLAB. Приведены программы статистической обработки данных. Также прилагается акты технического внедрения и протоколы проведенных испытаний.
