Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований. 9
1.1 Конструктивные особенности поликристаллических алмазных инструментов и способы его изготовления. Закономерности обработки 10
1.2 Диагностика и управление процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра 18
1.3 Динамика сверления глубоких отверстий малого диаметра. 21
Глава 2. Динамика сверления глубоких отверстий малого
диаметра поликристаллическим алмазным
инструментом твёрдых неметаллических материалов. 26
2.1 Постановка задачи 26
2.2 Ограничения, накладываемые на силы. Спектральные характеристики сил резания... 33
2.3 Спектральные свойства сигнала виброакустической эмиссии. Методика оценивания распределения кристаллов алмазов на режущей поверхности инструмента 52
2.4 Преобразование траекторий в динамической системе сверления... 64
91 113
2.4.1 Постановка задачи 64
2.4.2 Математическая модель формирования траекторий формообразующих движений 69
2.4.3 Анализ области существования процесса резания. 82
2.4.4 Анализ области обеспечения требуемых показателей геометрического качества изделий...
2.5 Выводы
Глава 3. Экспериментальное изучение процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра поликристаллическим алмазным инструментом 118
3.1 Экспериментальные установки. Методика проведения исследований 118
3.2 Экспериментальное изучение интегральных сил при сверлении отверстии малого диаметра поликристаллическими алмазными сверлами... 132
3.3 Вибрации, сопровождающие процесс сверления. 140
3.4 Эволюционные преобразования динамической системы. 149
3.5 Выводы 165
Глава 4. Особенности аппаратной и конструктивной реализации автоматизированного оборудования для сверления глубоких отверстий малого диаметра поликристаллическим алмазным инструментом 168
4.1 Модернизация многофункционального станка для обработки Поликристаллическим алмазным инструментом. 169
4.2 Системы диагностики и управления процессом сверления активных каналов лазерного гироскопа. 176
4.2.1 Архитектура системы управления и диагностики. 176
4.2.2 Сопроцессор системы ЧПУ модернизированного станка 176
4.2.3 Блок сопряжения TTY-RS 232. 1
4.3 Основные алгоритмы диагностики процесса резания. 185
4.4 Алгоритмы управления процессом сверления керамики и кварца поликристаллическим алмазным инструментом. 200
4.5 Выводы 212
Глава 5. Заключение. Общие выводы 214
Литература 218
Приложения 226
Введение к работе
Одно из динамично развивающихся направлений совершенствования металлорежущих станков связано с объединением собственно станка и ЭВМ, которая становится неотъемлемой его частью. Причём, между координатами состояния станка и ЭВМ осуществляется обмен информацией, и на ЭВМ формируются управляющие воздействия на элементы станка, изменяющие его координаты и траектории движения. Именно по такому принципу, в основном, строятся существующие в мире системы ЧПУ на основе управляющей индустриальной ЭВМ (УЭВМ). В данном случае обмен информацией между УЭВМ и станком заключается в том, что со стороны станка в УЭВМ поступает информация о текущих координатах и в отдельных случаях скоростях исполнительных элементов станка. Для станков токарной группы исполнительными элементами являются продольные и поперечные перемещения суппорта и частота вращения шпинделя (в отдельных случаях и угловая координата). Имеются разработки, когда используются дополнительные источники информации, например, силы резания. Однако возможности быстро развивающихся УЭВМ по быстродействию и объёму памяти позволяют сегодня существенно усложнять имеющиеся законы управления.
В связи с этим формируются новые научные задачи, связанные с анализом процесса резания как объекта автоматического управления. Становится доступным использование в реальном времени достаточно сложных алгоритмов обработки информации для решения проблем наблюдения за координатами состояния процесса обработки и показателями качества изготовления изделий. Многие вопросы построения систем управления процессами обработки на станках решены, они имеют достаточную научную базу, создана система знаний, позволяющая строить системы управления и диагностики на станках, в том числе - станках, управление в которых осуществляется от ЭВМ. Существенный вклад, в становление научной системы знаний в этом направлении внесли известные учёные Балакшин Б.С., Бржозовский Б.М.,
Городецкий М.С., Заковоротный В.Л., Кабалдин Ю.Г., Кобринский А.Е., Михелькевич В.Н., Митрофанов В.Г., Ривин Е.И., Ратмиров В.А., Соломен-цев Ю.М., Сосонкин В.Л., Тугенгольд А.К., Тверской М.М. и др.
При анализе процесса резания как управляемого и диагностируемого объекта естественно возникают вопросы анализа динамики. Собственно проблемы динамики станков являлись и являются предметом исследований многих известных учёных - Вейца В.Л., Городецкого Ю.И., Заковоротного В.Л., Каминской В.В., Кудинова В.А., Кучмы Л.К., Мурашкина С.Л., Подураева В.Н., Пуша В.Э., Пуша А.В.и др. Однако оснавная часть этих исследований посвящена проблеме динамической устойчивости процесса резания и автоколебаний в ходе обработки. В последние годы, прежде всего, благодаря работам Заковоротного В.Л. и его учеников сформировано научное направление, в содержание которого входит решение проблем динамического мониторинга процессов обработки на станках. Причём, под динамическим мониторингом авторы понимают триединую проблему наблюдения, предсказания и управления. В этом случае рассматривается единая управляемая динамическая система, включающая динамическую модель процесса резания, эволюцию её параметров, динамические подсистемы станка со стороны инструмента и заготовки, включая управляемые приводы исполнительных перемещений станков.
Одновременно в связи с развитием техники и быстрого расширения спектра технических устройств и применяемых материалов в машиностроении и приборостроении стали широко использоваться хрупкие труднообрабатываемые неметаллические материалы. Особенно большими темпами использование таких материалов наблюдается в связи с развитием оптических приборов, квантовой радиоэлектроники, медицинского приборостроения, а также аэрокосмической техники. Достаточно указать на широкое распространение в авиации и ракетной технике лазерных гироскопов, проблемы изготовления которых во многом стимулировали настоящее исследование. Обработка таких материалов ведётся поликристаллическими алмазными инструментами. Динамика обработки такими инструментами в системной постановке, когда рассматривается динамическая система, состоящая из процесса обработки, упругой системы станка и управляемых приводов, практически не изучена. В диссертации же рассматривается частный вопрос обработки глубоких отверстий малого диаметра трубчатыми поликристаллическими алмазными инструментами в высокопрочных хрупких неметаллических материалах типа ситалла или кварца. Изучение динамики, имеющее самостоятельное значение, направлено на определение закономерностей взаимосвязи распределения на режущей поверхности кристаллов алмазов и сигнала виброакустической эмиссии. Кроме этого рассматриваются и другие вопросы, решение которых позволило создать системы динамического мониторинга процесса обработки хрупких неметаллических материалов поликристаллическими алмазными инструментами. Создание таких систем базируется на новой научной системе знаний, формулирование и определение которых выполнено в настоящем исследовании. Указанные выше положения определяет актуальность диссертационного исследования для науки и практики.
Новизна и научное значение диссертационного исследования заключается в следующем.
1. Предложена обобщённая математическая модель динамики управляемого процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра в хрупких материалах, включающая упругие деформации, динамическую характеристику процесса резания, раскрывающую изменение сил резания от координат состояния системы, и управляемые приводы подачи и частоты вращения шпинделя.
2. Предложена математическая модель формирования сил контактного взаимодействия отдельных кристаллов алмазов с обрабатываемой заготовкой в виде случайной импульсной последовательности. Суммарные силы в этом случае рассматриваются как сумма суперпозиций случайных импульсных последовательностей, формируемых всеми вступающими во взаимодействия кристаллами алмазов на режущей поверхности инструмента. Рассмотрены преобразования этих сил в колебания измеримой координаты упругой системой станка и на этой основе предложены модели и алгоритмы оценивания распределения сил между отдельными кристаллами алмазов.
3.Рассмотрено преобразование упругих пространственных деформаций режущей поверхности поликристаллического алмазного инструмента в измеримые координаты упругой системы станка и на этой основе предложены модели и алгоритмы оценивания отклонения оси и точности поперечного сечения отверстия.
4. Изучены вопросы устойчивости и областей притяжения траекторий исполнительных элементов станка с учётом силовой реакции со стороны инструмента, зависящей от траекторий исполнительных элементов. Таким образом, приводы исполнительных элементов рассматриваются не автономными, как это делается традиционно, а как системы связанного управления. Причём, связь осуществляется через процесс обработки.
5. Рассмотрена и изучена упругая система станка как зашумленный информационный канал, по которому передаётся информация о распределении сил между отдельными кристаллами поликристаллического алмазного инструмента.
6. Выполнено экспериментальное изучение эволюционных преобразований режущей поверхности поликристаллического алмазного инструмента (его макро и микро морфология, силы и температура резания, спектральные характеристики сигнала виброакустической эмиссии), позволившее выявить периодически изменяющиеся стадии обрабатываемости и формирования дефектного слоя в процессе сверления.
7. Предложена конфигурация и алгоритмы управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра поликристаллическими алмазными свёрлами. Практическое значение диссертационного исследования заключается в следующем.
1.Предложены и апробированы на практике алгоритмы контроля распределения сил между отдельными кристаллами алмазов в инструменте, оценивания момента развития увода оси инструмента, математические модели для оценивания погрешности формы поперечного сечения в формируемом отверстии. Предложенные алгоритмы в совокупности с системами управления позволили создать систему динамического мониторинга процесса сверления глубоких отверстий в кварце и ситаллах, применение которой без существенных изменений можно распространить и на другие операции обработки поликристаллическими алмазными инструментами.
2.Предложен вариант конструктивных изменений многофункционального станка с УЧПУ для обработки глубоких отверстий. Таким образом, решена комплексная проблема конструктивной модернизации, диагностики и управления, позволившая в пять шесть раз увеличить производительность процесса обработки без нарушения точности изделий.
Исследования выполнены на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета, при этом использованы программно аппаратные комплексы, разработанные под руководством проф. Заковоротного В.Л., за что автор выражает особую благодарность сотрудникам доц., к.т.н. Лукьянову А. Д., доц., к.ф.м.н. Алексей-чику М.И. и др. Часть исследований выполнено на оборудовании фирмы Presenilis (Германия, город Швайнфурт), а также в условиях ОАО Квант.
Похожие диссертации на Повышение эффективности глубокого сверления отверстий малого диаметра поликристаллическими алмазными инструментами на основе динамического мониторинга процесса резания
