Введение к работе
Актуальность работы. Современное металлообрабатывающее производство требует совершенствования подходов к проблеме оптимизации режимов резания, обеспечивающих при создании продукции заданного качества минимум приведенных затрат.
Сверление является широкораспространенной
металлообрабатывающей операцией, в которой существующие методики расчета и нормирования режимов обработки отверстий, а таюке известные способы контроля основных параметров процесса резания не обеспечивают оптимальную эксплуатацию сверла, а соответственно и минимум производственных затрат. Связано это с тем, что предлагаемые стратегии выбора технологических режимов сверления не учитывают нелинейный характер интенсивности изнашивания инструмента на протяжении его рабочего пути, а имеющиеся средства контроля текущих механико-физических параметров резания (износ и температура режущей части сверла) являются косвенными и не обладают достаточной точностью измерений. В связи с вышеуказанным актуальными являются две проблемы, представляющие научный и практический интерес.
Первая - разработка и создание методики расчета оптимальных траекторий скоростей обработки (резания и подачи) на рабочем пути сверления, приводящих к минимуму приведенных затрат. Вторая -разработка и создание автоматизированной системы управления сверлильным станком, реализующей расчетные оптимальные траектории скоростей обработки, корректируемые в режиме реального времени с р помощью результатов высокоточного мониторинга параметров процесса резания.
Целью работы является повышение эффективности процесса
сверления с помощью методических, программных и аппаратных
средств, обеспечивающих при заданном качестве изделий
оптимальные траектории изменений технологических режимов на пути обработки по критерию минимума приведенных затрат.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
1. Для функции приведенных затрат разработана математическая
модель эволюции интенсивности линейного изнашивания режущего инструмента (сверла) на его рабочем пути, в которой режимы
обработки представлены их траекториями, что позволяет учитывать влияние предыстории процесса износа на его текущее значение.
На основании результатов экспериментальных исследований идентифицированы значения параметров математической модели интенсивности линейного изнашивания режущего инструмента для заданных типов сверл и обрабатываемых материалов.
Предложены алгоритмы оптимизации процесса обработки по критерию минимума приведенных затрат, определяющие траектории технологических режимов на рабочем пути сверления с учетом эволюционных изменений интенсивности линейного изнашивания инструмента. ......
Представлена методика оценки режущей способности сверла, в которой при стабилизации усилия подачи на заданном уровне, уменьшение момента резания на пути обработки характеризует увеличение износа инструмента, разработана электротепловая динамическая модель сверла при обработке отверстий, созданы методические и технические средства мониторинга температурного режима в зоне резания, а также режущей способности сверла.
На базе программируемого контроллера, частотных преобразователей и средств активного мониторинга создана адаптивная система управления сверлильным станком по минимуму приведенных затрат, динамика функционирования которой представлена в диаграммах «GRAFCET» и трансформирована в формат «LADDER» .
6. Проведены сравнительные испытания экспериментального
Сверлильного станка для нормативных и расчетных режимов резания,
которые показали адекватность системы управления по минимуму
приведенных затрат разработанным теоретическим положениям.
Методы исследования. В работе использованы основные положения теории резания и динамики станков, теории интегральных уравнений, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники, численных методов, методов акустической диагностики, динамического программирования, вариационного исчисления и алгебры логики. Экспериментальные исследования выполнены на автоматизированном испытательном стенде кафедры «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета, предназначенном для сверления металлбв и в производственных условиях ОАО НПП КП
«КВАНТ». Все расчеты выполнены по самостоятельно разработанным программам.
Научная новизна работы состоит в выборе оптимальных режимов резания по минимуму приведенных затрат с учетом нелинейности изнашивания сверла на пути обработки, а также создании новых методик и средств активного мониторинга режущей способности и температуры инструмента.
Определим перечень положений, изложенных в диссертации, которые определяют значение данной работы для науки:
предложена математическая модель в форме интегрального оператора, описывающая интенсивность линейного изнашивания инструмента относительно траектории мощности необратимых преобразований по совершённой работе, позволяющая оптимизировать процесс сверления по минимуму приведенных затрат вдоль пути движения инструмента относительно заготовки;
разработана методика идентификации параметров и ядра интегрального оператора, что дает возможность установить зависимости между скоростями резания, величинами подачи и стоимостью приведенных затрат для любой точки рабочего пути инструмента;
предложен алгоритм нахождения величин подачи и скоростей резания, оптимизирующий функцию стоимости процесса сверления по минимуму приведенных затрат, который базируется на принципах динамического программирования;
предложена новая методика измерения степени износа рабочей части сверла по нисходящим значениям момента сопротивления резанию при постоянных усилиях подачи;
разработана электрическая модель и соответствующее математическое описание динамики теплообмена сверла с патроном станка, воздушной средой и обрабатываемой деталью;
предложена модель оптимального управления динамикой процесса сверления, которая представлена в диаграммах «GRAFCET» и обеспечивает минимум приведенных затрат при изготовлении отверстий.
Практическая ценность.
Практическое. значение предложенной работы заключается в следующем:
Разработана и апробирована система управления сверлильным станком на основе современных средств микроэлектроники и
вычислительной техники. Для создания командных сигналов, обеспечивающих заданный режим сверления, а также обработки информации датчиков используется программируемый контроллер, реализующий сложные алгоритмы управления в реальном масштабе времени.
Созданы программы, базирующиеся на математической модели процесса сверления, позволяющие рассчитать оптимальные значения скоростей резания и подачи, использование которых в совокупности с разработанной системой управления на базе программируемого контроллера, приводит к минимуму приведенных затрат при обработке партии деталей.
Разработаны новые схемотехнические решения активного мониторинга температурного режима и режущей способности сверла, что позволяет проводить текущую коррекцию заданного алгоритма управления, обеспечивая тем самым высокое качество обработки отверстия и своевременную замену выработавшего свой ресурс инструмента.
Реализация результатов работы.
Результаты данной работы приняты к внедрению на ОАО
НПП КП «КВАНТ», а также используются в научно-
исследовательской работе кафедры «Автоматизация
производственных процессов» ДГТУ.
Апробация результатов исследований.
Основные положения работы были доложены и обсуждены на следующих международных конференциях:
1. Международная научно-техническая конференция
«Современные проблемы машиноведения и высоких технологий»
Посвященная 75-летию ДГТУ. Ростов-на-Дону.:ДГТУ 2005
2. 5-я Международная научно-техническая конференция
«Обеспечение и повышение качества машин на этапе их жизненного
цикла» Брянск -2005
Между народная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» Воронеж.: ВГТА. 2006
8-я Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем Ростов-на-Дону.:ДГТУ 2007
5. Международная научно-техническая конференция
«Инновационные технологии в машиностроении» Ростов-на-Дону;
Росвертол -2008
Публикации.
По материалам диссертационного исследования опубликовано 11 печатных работ в центральной печати и научно-технических журналах, в том числе 4 работы во входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий, для публикации трудов соискателей ученых степеней.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, заключения и 5 приложений, содержит 181 страницу, 66 рисунков, 2 таблицы. Перечень литературы включает наименование 212 работ отечественных и зарубежных авторов.
