Введение к работе
Актуальность темы. Современное машиностроение характерно созданием интегрированных производств уровня СІМ, отличающихся высокой гибкостью, производительностью и ориентированных на изготовление высококачественных изделий. Разработке концепции создания соответствующего современного компьютерного пространства высоких технологий, анализу и синтезу соответствующих технологических систем посвящены разработке известных ученых Весткемпера Е., Грабченко А.И., Островского В.И., Тимофеева Ю.В., Тернюка Н.Э., Darlevski J, Lierath F. и других. Пути создания высокоэффективных конструкций режущих инструментов для современных производств, обеспечивающих качественное формообразование поверхностей высокой сложности изложены в фундаментальных работах Родина П.Р., Равс-кой Н.С., Лашнева СИ., Перепелицы Б.А., Юликова М.И. и других.
В условиях автоматизированной обработки надежное функционирование станков должны создавать многоуровневые системы поддержания работоспособности. По данным многих исследователей большинство отказов станков обусловлено отказами режущих инструментов. Поэтому инструменты в первую очередь нуждаются в создании автоматизированных систем оценки состояний. Большим вкладом в создание таких систем, методов оценки качества инструментов являются известные разработки ведущих ученых Украины, СНГ и зарубежных стран Остафьева В.А., Подураева В.Н., Заковоротно-го В.Л., Барзова А.А., Башкова В.М., Верещаки А.С., Валькова В.М., Власенко В. А., Девина Л.Н., Кабалдина Ю.Г., Кадырова Ж.Н., Кацева П.Г., Кибальчен-ко А.В., Козочкина М.П., Колосова В.Г., Кретинина О.В., Кудинова В.А., На-хапетяна Е.Г., Палея СМ., Румбешты В.А., Синопальникова В.А., Тимирязева В.А., Тымчпка Г.С., Бережинского И.В., Бржозовского Б.М., Гусева И.Т., Зайцева К.С, Кочеровского Е.В., Лихциера Г.М., Cumani A., Villa A., Guisti F., Matsushima К., Rutelli G. и других. Анализу особенностей изнашивания, отказов инструментов посвящены основополагающие исследования Лоладзе Т.Н., Боброва В.Ф., Грановского Г.И., Макарова А.Д., Старкова В.К., Хаета Г.Л., Якубова Ф.Я., Внукова Ю.Н. и других. Однако подавляющее большинство разработок направлено на оценку состояний РИ при черновой и полу-чистовой обработке. В условиях прецизионной обработки, при снятии тонких стружек создаются специфические условия резания, что обусловливает особенности изнашивания режущей части и многообразие видов отказов инструмента. Отсутствие надежных методов диагностирования, применение принудительной смены инструмента приводит к частичному использованию ресурса, что сопровождается значительными дополнительными затратами на инструмент. Недостаточность или отсутствие объективной оперативной информации о состоянии формообразующей части инструмента в период его
эксплуатацин часто вызывает потерю качества обработки вследствие возникновения устранимых и неустранимых отказов инструмента.
Высокий уровень автоматизации, эффективности и гибкости современных металлорежущих станков обусловливает необходимость создания автоматизированных высокоинформативных систем диагностирования состояния инструментов, обеспечивающих повышение их ресурса. Это актуальная научная проблема современного отечественного и зарубежного станкостроения, имеющая важное народнохозяйственное значение. Данная диссертационная работа направлена на решение указанной научной проблемы.
Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в соответствии с программой ГКНТ 54.3.4 "Реализация сверхточной обработки алмазным микроточением элементов оптики и механики"(проект 54.3.4/1 "Создание автоматизированной системы управления процессом алмазного микроточения"); в рамках научно-исследовательской работы № 363-3 Г'Физико — механические основы технологии прецизионного машиностроения" (номер государственной регистрации 0199U001547), которая входила в тематический план НИР ОГПУ на 1999 г., утвержденный Министерством образования Украины; в соответствии с научными программами и координационными планами Минобразования Украины в области машиностроения, а также в рамках хоздоговорных и госбюджетных работ.
Цель и задачи исследований. Цель диссертации — разработка теоретических основ и высокоэффективных методов автоматизированного диагностирования и предупреждения отказов режущей части инструментов при прецизионной обработке.
Разработанные методы диагностирования и диагностические модели режущей части инструмента основываются на известных научных положениях теории резания, изнашивания инструментов, теории систем и технической диагностики.
Для достижения цели в диссертации решаются следующие задачи: 1. Провести анализ известной информации об особенностях изнашивания, видах отказов инструментов при прецизионной обработке, зависимости ресурса инструмента от характера эволющш режущей части, об известных методах и системах оценки состояний инструментов; 2. На основе принципов системотехники исследовать режущую часть изнашивающегося инструмента как систему элементов с переменной структурой; определить особые ее элементы, обусловленные исходной формой и геометрией режущей части; 3. Разработать иерархическую классификацию состояний режущей части и ее элементов, приводящих к отказам инструмента и подлежащих оперативному выявлению в процессе его эксплуатации; 4. Получить диагностические структурно-параметрические модели режущей части, отображающие текущий состав
ее элементов, образовавшихся в процессе эксплуатации, параметры дефектных элементов (следов локального изнашивания задних поверхностен, участков смещения передней поверхности, нароста и др.) — параметры формы, размеров, положенім элементов относительно формообразующего участка режущей кромки; 5. Предложить комбинированные методы формирования высоконнформативных образов режущей части, являющихся основой для построения соответствующих структурно-параметрических моделей; 6. Разработать и исследовать стендовые системы формирования высокоинформативных образов режущей части с использованием систем технического зрения; 7. Предложить высокоэффективные методы диагностирования отказов режущей части, основанные на автоматизированном выявлении одного или нескольких дефектных элементов структуры, идентификации соответствующих параметрических моделей развития этих дефектов; 8. Разработать математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизированного диагностирования состояний режущей части; 9. Выполнить экспериментальные исследования разработанных диагностических моделей, методов и стендовых систем с целью подтверждения их работоспособности.
Методика проведения исследований. Диссертация основана на научных положениях теории резания, изнашивания режущих инструментов, изложенных в трудах отечественных и зарубежных ученых. В работе широко использован системный подход и основные положения системотехники, теории множеств, отображений, матриц и графов. Применялись методы технической диагностики, элементы дифференциального и интегрального исчисле-ний, гармоническіш и статистический анализ. Экспериментальные исследования особенностей изнашивания, эволюции состоянии режущей части инструментов (в основном — резцов для тонкого точения, частично — разверток, протяжек) проводились с использованием стендов, оснащенных системами технического зрения и обеспечивающих обработку информации в ПЭВМ. При анализе экспериментальных данных применялся разработанный специализированный программный комплекс, созданный на языках С** и Delphi. Часть экспериментальных данных обрабатывалась программным комплексом, сформированным на языке Matlab, с применением соответствующего пакета.
Научная новизна полученных результатов. 1. Впервые установлено, что режущая часть инструмента в процессе эксплуатации представляет собой иерархическую систему элементов с переменной структурой, которая определяется составом элементов (исходных и сформировавшихся вледствие процессов юнашивания участков поверхностей и режущих кромок, различных дефектов), их абсолютным и относительным положением относительно формообразующих элементов (вершины и формообразующего участка режущей
кромки). Системные, интегративные свойства режущей части проявляются в процессе резания, в период существования системы резания. Сочетание состояний каждого из элементов режущей части определяет общее текущее состояние инструмента. 2. Показано, что эволюция режущей части инструмента при прецизионной обработке в течение ресурса инструмента включает множество событий — устранимых отказов режущей части. Вне контроля ресурс инструмента ограничен периодом времени от начала эксплуатации до первого (устранимого) отказа. Для повышения ресурса инструмента необходимо выполнять автоматизированное диагностирование состоянии (выявление структуры) режущей части, идентифицировать ее дефектные элементы и модели их развития, предупреждать устранимые отказы инструмента. 3. Разработана иерархическая структурно-параметрическая классификация состояний режущей части и ее дефектных элементов (единичных и периодических дефектов — следов локального износа задних поверхностей, нароста, участков смещения передней поверхности, участков режущих кромок, на которых толщина среза меньше минимально допустимой, и других). В основу классификации положен древовидный граф поиска дефектных элементов структуры режущей части. 4. Впервые предложено формировать по результатам оценки состояния режущей части ее диагностическую структурно — параметрическую модель, отображающую текущий состав, положение и параметры дефектных элементов. Модель строится в віще графов или матриц различного типа. Матричная форма удобна для хранения, накопления и последующей обработки диагностической информации в базе данных образов эволюции режущей части. Оценка нескольких, последовательно полученных моделей позволяет выделить доминирующий дефектный, "отказонесущий" элемент (элементы) структуры режущей части. После этого производится идентификация соответствующей параметрической модели развития дефекта (дефектов), формируется адекватное управляющее воздействие на технологическую систему. По результатам каждого последующего диагностирования выполняется коррекция модели. Предложенная модель отличается от известных од-нопараметрических моделей повышенной информативностью, что существенно расширяет спектр управленій технологической системой "по состоянию инструмента". 5. Показано, что топология режущей части инструмента при прецизионной обработке характерна высоким уровнем сложности (большим числом элементов и иерархической системой связей), поэтому для построения адекватных моделей необходимо по результатам контроля получать высокоинформативные образы контролируемого элемента и режущей части в целом. 6. Разработаны комбинированные многопараметрические методы формирования образов контролируемого элемента режущей части и соответствующего вектора первичных признаков. По этим признакам вычисля-
ются вторичные признаки — компоненты вектора состояний. Он отображает текущее состояние контролируемого элемента в пространстве состояний и является исходным материалом для диагностирования. 7. Разработаны новые автоматизированные структурные методы диагностирования единичных следов локального износа задней поверхности, нароста, смещения участков передней поверхности инструмента. Сформировано соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение. 8. Разработан новый автоматизированный метод диагностирования периодических следов локального износа задней поверхности, базирующийся на получении и анализе спектра профиля режущих кромок (или задней поверхности) инструмента. Получено соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение. 9. Предложен метод автоматизированного диагностирования типов формы границ (типов дефектов) изношенной задней поверхности инструмента; определены наиболее информативные признаки, обеспечивающие достоверное диагностирование дефектов; разработано соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение. 10. Предложен метод восстановления режущей части инструмента с минимальными потерями инструментального материала, основанный на "вписывании" образа режущей части нового инструмента в сформированный по результатам контроля образ режущей части отказавшего инструмента.
Практическое значение полученпых результатов. 1. Разработан комплекс алгоритмов и программ для автоматизированного диагностирования следующих отказов режущей части: появление следов локального износа инструмента в віще ряда борозд на задней поверхности и формообразующем участке режущей кромки (приводят к резкому ухудшению качества поверхности); появление следов локального износа режущей части в виде единичных борозд по границам срезаемого слоя, которые снижают прочность привершинного участка режущей части и могут привести к его сколу; смещение активного участка передней поверхности, обусловливающее эффект "фонтанирования" стружки и прекращеіше стабильного ее дробления; изменения формы и геометрии активных участков режущих кромок, приводящие к появлению зон, где толщина среза близка к минимальной или меньше ее, что приводит к нарушению устойчивости резания и возникновению очагов интенсификации износа, и других отказов. 2. Комплекс внедренных практических разработок включает в себя: методы автоматизированного диагностирования режущей части инструментов для прецизионной обработки, обеспечивающие формирование соответствующих структурно-параметрических моделей, базу данных динамических образов (моделей эволюции) режущей части инструментов (написана на языке Clipper), методику системного анализа и синтеза методов и систем оценки состояний инструментов и соответствующую базу данных (сформирована на языке Clipper), методику прямых и комбиниро-
ванных оценок состояний режущей части инструментов и комплекс соответствующих управляющих программ для станков с ЧПУ, методику управления технологической системой станка по результатам оценки состояний режущей части инструмента, метод восстановления режущей части инструмента с минимальными потерями инструментального материала, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение перечисленных методов и методик. 3. Общий экономический эффект, подтвержденный актами внедрения на Одесском заводе (акционерном обществе) строительно-отделочных машин, в Одесском специальном конструкторском бюро алмазно-расточных станков (СКБАРС), в Украинском научно-исследовательском институте станков, инструментов и приборов (УкрНИИСИП, г. Одесса), в специальном конструк-торско — технологическом бюро с опытным производством Института сверхтвердых материалов АН Украины (г. Киев) составляет 610,8 тыс. руб. в ценах 1990 г. Совместно с сотрудниками Одесского СКБАРС разработан и введен в применение стандарт предприятия "Станки отделочно — расточные. Режущие инструменты. Методы контроля состояний"(СТП 02.123 — 93, введен 01.04.1994 г.). 4. Результаты работы внедрены в учебный процесс в Донбасской государственной машиностроительной академии — использованы при чтении курсов "Инструментальные информационные и управляющие системы автоматизированного производства", "Теория резания", в Сумском государственном университете — при чтении курса "Теоретические основы обработки материалов", в Одесском государственном техническом университете — при чтении курсов "Математическое моделирование станков и станочных систем", "Инструментальные и управляющие системы автоматизированных производств" и др.
Личный вклад соискателя. Результаты исследований получены автором самостоятельно. Постановка задач, анализ некоторых результатов, разработка программного обеспечения выполнены с научным консультантом и частично с соавторами публикаций. Разработка стендов выполнена совместно с сотрудниками Отраслевой научно-исследовательской лаборатории неразруша-ющего контроля (ОНИЛ НК) Одесского политехнического университета.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации докладывались на: Международной научно-технической конференции: "Системи за управление на технологични процеси в дискретното производство" (Болгария, г. Варна, 1989г.), на Международных научно-технических семинарах "Interpartner" (Украина, г. Алушта, 1991 — 1993, 1995 — 1998 гг.): на первой, второй и третьей Всеукраинских международных конференциях "Обработка сигналов и изображений и распознавание образов" ("Ukrobraz" —Украина, г. Киев, ИК АНУ, 1992,1994,1996 гг.), на 1-м Международном симпозиуме украинских инженеров-механиков во Львове "УИМ-93"
(Украина, г. Львов, 1993 г.); на Всесоюзных научно-технических конференциях и симпозиумах:" Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения" (Одесса, ОПИ, 1986,1989 гг.), "Образное представление данных в управлении и научных исследованиях"( Москва, НТОПриборпром, 1987 г.), "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" (Тольятти, Тол-ПИ, 1988 г.), "Конструктивно — технологические методы повышения надежности и их стандартизация" (Тула, ТулПИ, 1988), "Логическое управление с использованием ЭВМ" (Москва—Орджоникидзе, МГИ, 1988 г.), на VII Всесоюзном совещании по технической диагностике и отказоустойчивости (Саратов, Саратовский ГУ, 1990 г.); на республиканских, зональных научно-технических конференциях: "Автоматизация производственных процессов в машиностроении" (Фрунзе, ФПИ, 1986 г.), "Автоматизация технологической подготовки производства в машино- и приборостроении" (Ворошиловград, ВМСИ, 1989 г.), "Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении" (Волгоград, Дом науки и техники, 1989 г.), "Пути сбережения ресурсов в XII пятилетке" (Одесса, ОПИ, 1986), "Стойкость и диагностика режущего инструмента в условиях автоматизированного производства" (Ижевск, Дом техники, 1988 г.), "Пути повышения качества и надежности инструмента'^ Барнаул, АлтПИ, 1989), "Рациональная эксплуатация и инструментальное обслуживание станков с ЧПУ и ГПС"( Пенза, ПензПИ,1989), "Автоматический контроль и диагностика в гибких производственных системах-"(Ленинград, ВНИИ"Электростандарт", 1989 г.), "Качество и надежность технологических систем" (Краматорск, КрИИ, 1992 г.), "Новые технологические процессы в механической обработке" (Одесса, ОПИ, 1992), "Перспективы развития систем диагностики и надежности режущего инструмента на станках с ЧПУ"(Севастополь, СДНТП, 1992 г.), "Автоматизация технологической подготовки механообработки деталей на станках с ЧПУ"(Санкт-Петербург, ЛДНТП, 1992 г.), "Современное состояние и перспективы развития процессов резания и холодного пластического деформирования металлов инструментом из сверхтвердых материалов"(Киев, ИСМ АНУ, 1992 г.), "Новые технологические процессы в машиностроении" (Одесса, ОПИ, 1993 г.), "Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроешш "(Одесса, ОПТУ, 1994, 1995 гг.),"Ресурсо- и энергосберегающие технологии "(Одесса, ОПТУ, 1996 г.); на ежегодных научных семинарах "Диагностика технологического оборудования" (Москва, ИМАШ АН СССР, 1986—1991 гг.).
Материалы диссертации докладывались и получили одобрение на заседаниях департамента "Машиностроение и обработка на металлорежущих станках" Манчестерского технологического университета (UK, Manchester, UMIST, 1990 г.), кафедры металлорежущих станков Шэньянского политехнического
института (КНР, 1993 г.), кафедры резания Высшей инженерной школы г. Ополе ( Польша, 1997 г.), технического совета СКТБ с опытным производством ИСМ АНУ(Киев, 1993), кафедры технологии приборостроения КПИ (Киев, 1997 г.), кафедры резания ХПИ (Харьков, 1997,1999 гг.), кафедр металлорежущих станков и начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики ОГПУ (Одесса, 1997,1999 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 73 научных работах, среди которых 1 монография, 25 статей в научных периодических изданиях, 1 авторское свидетельство, 39 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.
Структура п объем работы. Диссертация состоит id введения, семи разделов с выводами в конце каждого раздела, общих выводов, списка использованных источников, содержащего 267 наименований, и 9 приложений. Общий объем диссертации составляет 392 страницы, включая 120 рисунков, 12 таблиц и приложений на 48 страницах.