Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности обработки на металлорежущих станках характеризуют актуальную проблему, так как изготовление деталей в современном производстве, как правило, базируется на процессах обработки резанием. Современный металлорежущий станок представляет собой сложную управляемую от ЭВМ систему, включающую подсистемы управления исполнительными элементами, а также подсистемы инструмента и заготовки, взаимодействующими между собой через процесс резания. Динамическая связь, формируемая процессом резания, объединяет эти подсистемы в единую взаимосвязанную управляемую систему обработки, характеризующуюся нелинейностью, взаимосвязанностью и эволюционной изменчивостью. При изучении проблем управления этой системой требуется холистический (системный) подход в отлитие от редукционистского, принятого в настоящее время. Редукционистский подход, основанный на возможности изучения изолированных подсистем, не позволяет раскрыть все особенности динамической системы и возможности управления с целью изготовления деталей заданного качества при минимизации приведенных затрат. Холистический метод опирается на развитый И. Пригожиным, Г. Хакеным и А.А.Колесниковым в последние десятилетия синергетический подход к анализу и синтезу процессов и явлений в природе и технике. Однако выявление особенностей связей в рассматриваемой предметной области, их математическое описание, учет нелинейности и эволюционных свойств параметров и на этой основе разработка методов анализа и синтеза управления до настоящего времени не выполнено. Кроме этого при системном синтезе необходимо дополнительно обеспечивать выбор параметров и конструктивных элементов взаимодействующих подсистем исходя из цели управления. Поэтому синергетический системный подход к управлению процессами обработки на станках характеризует новый этап в совершенствовании управления в рассматриваемой объектной области, что определяет актуальность исследований для науки и практики.
Диссертационная работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 07-09-90000 вьет_а, 09-08-90300 вьет_а.
Степень разработанности проблемы. Рассматриваемая проблема связана с теорией управления движением, в решение которой внесли свой вклад такие выдающиеся ученые, как А.А.Андронов, Е.А. Барбашин, Н.Н.Красовский, А.А. Красовский, В.С Кулебакин, А.М.Ляпунов, А.М. Летов, Н.Н Моисеев, Л.С. Понтрягин, Б.Н. Петров, В.А.Трапезников, Я.З. Ципкин, и многие другие. Однако рассматриваемая предметная область характеризуется не анализируемыми ранее особенностями, заключающимися в том, что динамическая связь, формируемая процессом резания и влияющая на траектории формообразующих движений, сама зависит от траекторий исполнительных элементов станка, то есть является управляемой. К тому же спектральный состав движений инструмента относительно заготовки лежит в частотном диапазоне, существенно превышающим полосу пропускания управляемых траекторий исполнительных элементов станка. Поэтому имеется возможность управлять лишь свойствами подсистемы упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки. Кроме этого параметры ее математического описания являются нелинейными и эволюционно изменяющимися. Имеется много и других частных, не решенных или решенных частично, задач.
Затронутые вопросы относятся и к проблеме динамики металлорежущих станков, большой вклад в исследование которой внесли работы Б.М. Бржозовского, С.А.Васина, В.Л. Вейца, Ю.И. Городецкого, А.Н. Гуськова, В.А. И.Г. Жаркова, В.Л. Заковоротного, В.А. Кудинова, Остафьева, В.Н.Подураева, и др. Однако в этих работах используется скалярный подход к исследованию динамики процесса резания. Векторное представление о деформационных смещениях и силах позволяют не только уточнить условия устойчивости траекторий, но и раскрыть не изученные ранее механизмы ее потери и особенности формирования траекторий формообразующих движений инструмента относительно заготовки, удовлетворяющих требуемому качеству деталей. В этих работах не анализируются вопросы управления, самоорганизации и эволюции динамической системы в целом.
Построение систем управления процессами обработки рассмотрены в работах Б.М. Базрова, Б.С. Балакшина, Б.М. Бржозовского, В.Л. Сосонкина, Ю.М. Соломенцева, М.М. Тверского, А.К. Тугенгольда и др. Однако при построении систем управления в них не принимается во внимание динамическая связь, формируемая процессом резания, и законы образования сил резания, зависящих как от траекторий исполнительных элементов станка, так и от упругих его деформационных смещений. Не рассматриваются изменения свойств системы и законов управления за счет преобразования скалярного управления в векторное, а также за счет динамической перестройки системы, связанной с эволюционными преобразованиями связи, формируемой процессом обработки.
Целью диссертации является повышение эффективности металлорежущих станков за счет разработки методов анализа и синтеза управляемой динамической системы резания с учетом эволюции связей и процессов самоорганизации.
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи.
1. Разработать методы анализа и синтеза управления процессами обработки на металлорежущих станках на основе использования синергетической концепции согласования внешнего управления с внутренним, определяемым зависимостью сил резания от координат состояния системы. Управляемый объект рассматривается как единая система векторного управления, включающая управляемые приводы исполнительных элементов, динамическую связь, формируемую процессом резания, и характеризуемую как внутренний регулятор, а также упругие динамические подсистемы со стороны инструмента и заготовки.
2. Для целей анализа и синтеза предложить и обосновать обобщенную математическую модель управляемого процесса с учетом преобразования управления (например, программы ЧПУ) в траектории движений исполнительных элементов станка, а также в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки на примере станков токарной группы. На основе методов экспериментальной динамики предложить методику и выполнить идентификацию параметров динамической связи, формируемой процессом резания, и параметров динамических подсистем со стороны инструмента и обрабатываемой заготовки
3. На основе асимптотических методов нелинейной динамики предложить построение иерархии системы дифференциальных уравнений, учитывающих указанные в п.2 преобразования. Тем самым предложить выполнение анализа и синтеза на основе иерархии взаимосвязанных подсистем дифференциальных уравнений по уровню «медленности» времени.
4.Выполнить системное исследование преобразования управляемых траекторий на всех иерархических уровнях, включая анализ и обеспечение их устойчивости, формирование притягивающих многообразий в окрестностях стационарных траекторий (предельных циклов, инвариантных торов и хаотических аттракторов) и бифуркаций в параметрическом пространстве. Выявить не рассматриваемые ранее механизмы потери устойчивости, а также пути обеспечения устойчивости на основе выбора управления, параметров и конструктивных элементов взаимодействующих подсистем.
5. Разработать теорию анализа эволюционной перестройки системы на основе использования функциональных интегро-дифференциальных уравнений, параметры динамической связи в которых представляются в виде модифицированного интегрального оператора Вольтера второго рода относительно фазовой траектории мощности необратимых преобразований в зоне резания по совершенной работе. Предложить асимптотический метод анализа эволюционного уравнения и привести примеры динамической самоорганизации системы в ходе ее эволюции.
6. Предложить синергетические методы системного синтеза управления процессом резания, включающие:
- определение желаемого многообразия траекторий формообразующих движений инструмента относительно заготовки и определения на этом многообразии траектории, минимизирующей приведенные затраты на изготовление партии деталей, а также пересчет на основе разработанных алгоритмов желаемой траектории к управлению (программе ЧПУ станка);
- коррекцию управления на основе использования рабочей информации о состоянии процесса резания и текущих показателях качества с помощью анализа отображений параметров состояния процесса резания и показателей качества в доступных измерению координатах динамической системы;
-подстройку управления на основе оценивания эволюционных изменений параметров динамической связи, формируемой процессом резания, а также идентификации в реальном времени вариаций их динамических свойств.
7. При реализации синергетической концепции системного синтеза необходимо кроме выбора функции управления обеспечивать выбор параметров и конструктивных элементов станка, обеспечивающих устойчивость желаемой траектории формообразующих движений в требуемой области притяжения и ее принципиальную достижимость, так как все управляемые траектории являются возмущенными и эволюционно изменяющимися.
Объектом исследования является сложная многосвязанная, эволюционирующая динамическая система резания, представляющая совокупность приводов исполнительных элементов станка и взаимодействующих подсистем со стороны инструмента и заготовки через динамическую связь, формируемую процессом резания.
Предметом исследования являются методы анализа и синтеза управляемой динамической системы резания с учетом эволюции связей и процессов самоорганизаций.
Методы исследования. Теоретические исследования базировались на основных положениях синергетической теории управления, теории резания металлов, нелинейной динамике систем с конечным числом степеней свободы, теории самоорганизации и бифуркаций, теории дифференциальных, интегральных и интегро-дифференциальных уравнений, а также на математическом моделировании на ЭВМ. Экспериментальные исследования базировались на современных методах экспериментальной динамики, и проводились в лабораториях ДГТУ с использованием программ и алгоритмов, разработанных автором и сотрудниками на кафедре «Автоматизация производственных процессов».
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1. Отличие развиваемого подхода заключается в том, что анализ и синтез осуществляется для системы в целом с учетом динамической связи, формируемой процессом резания, и объединяющей взаимодействующие подсистемы. Изолированное рассмотрение подсистем, во-первых, не позволяет учитывать их внутренние взаимодействия, во-вторых, раскрыть все возможности управления. Концепция системного управления основана на согласовании внешнего управления с действием сил, формируемых процессом резания в координатах управляемых движений, что не только позволяет повысить эффективность традиционных систем управления, но и создать новые системные принципы, не реализуемые на основе традиционного подхода (стр. 37-42, 97-101, 270-277).
2. Предложена и обоснована обобщенная полная нелинейная математическая модель управляемой системы в векторной постановке с учетом преобразования управления в траектории движений исполнительных элементов станка, а также траекторий движений исполнительных элементов в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки на примере токарного станка. В математических моделях учитываются эволюционные преобразования параметров динамической связи, формируемой процессом резания, что позволяет выполнять математическое моделирование управляемых систем с учетом эволюции параметров связей. Кроме того, использование математических моделей с учетом эволюционных изменений параметров связей позволяет на стадии проектирования технологических процессов прогнозировать изменение показателей точности и качества изготовления деталей, а также параметров состояния процесса резания(например, развития износа инструмента) (стр.45, 93, 95-98, 226).
3.Раскрыты особенности преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки что позволило определить возможности управления формообразующими движениями вершины инструмента относительно заготовки с помощью внешних управлений. В частности, показано, что существует множество частот, на которых управление с помощью управляемых приводов продольных перемещений представляется невозможным (стр. 107-109, 113-114, 119-123, 126-127).
4. На основе векторного представления раскрыты не известные ранее свойства системы. В частности, показано, что один из механизмов потери устойчивости связан с формированием циркуляционных сил. Второй обусловлен преобразованием симметричной составляющей матрицы скоростных коэффициентов из положительно определенной в отрицательно определенную, что обобщает известные скалярные представления. Третий связан с параметрическим возбуждением колебаний. Выполненное исследование определило не рассматриваемые ранее пути обеспечения устойчивости траекторий формообразующих движений на основе выбора управления, параметров геометрии инструмента и конструктивных элементов взаимодействующих подсистем, что позволяет повысить эффективность процесса резания (стр. 150-156, 160-166, 169-174, 324-338).
5. Выполнено системное исследование бифуркаций в параметрическом пространстве и условий формирования различных притягивающих многообразий, а также областей их притяжений, в окрестности равновесия (точки равновесия и ее ветвлений, предельных циклов, инвариантных торов и хаотических аттракторов). Все эти многообразия имеют практическое подтверждение, экспериментально полученное нами и другими исследователями. Изучение инвариантных многообразий открывает возможности управлять ими с помощью рационального выбора параметров подсистем, а также внешних управлений по критерию обеспечения заданного качества изготовления деталей. (стр. 178-180, 185-193, 198-209, 215-218).
6. Сформулированы принципы моделирования эволюционных изменений системы на основе функциональных интегро-дифференциальных уравнений, а также методы и алгоритмы их анализа. Раскрыты особенности эволюционной перестройки динамической системы резания. В частности, выяснено влияние эволюции системы на асимптотическую устойчивость равновесия, а также на изменения притягивающих многообразий в окрестности стационарных траекторий, то есть на самоорганизацию системы в ходе эволюции, и следовательно характеристики геометрической точности и параметры качества обрабатываемой детали. Это позволило предложить методы динамического мониторинга состояния процесса обработки и качества изготовления деталей, а также методы новые методы управления точностью обработки, в том числе, построения управляющих программ. (стр. 225-229, 231-235, 241-242, 249-250, 260-263, 288-295, 300-308, 309-323, 345-347).
7. Обоснован метод выбора из многообразия траекторий формообразующих движений, обеспечивающих заданное качество изготовления деталей, оптимальной траекторий, при которой обеспечивается минимум затрат на изготовление партии деталей. В отличие от существующих методов, в диссертации в качестве терминального состояния рассматривалось не критическое значение износа инструмента, а достижение терминального множества, учитывающего износ, потерю устойчивости, потерю качества и пр., что обобщило и уточнило известные принципы оптимизации управляемого процесса (стр. 356-360).
Значение исследований для теории.
1. Предложенные методы анализа и синтеза управления движением сложной взаимосвязанной через процесс резания нелинейной системы, динамические связи в которой обладают свойством эволюционной изменчивости, имеют общее значение для теории управления движением. Их можно распространить на объекты другого класса, отдельные координаты в которых взаимодействуют с различными средами: трибологическими, гидродинамическими и пр.
2. Методы математического моделирования эволюции, а также разработанные методы анализа эволюционных уравнений, позволяют определять изменение во времени свойств системы в координатах состояния. Тем самым открывается возможность определения отказов системы не во времени, а с учетом внутренней структуры объекта, внешних возмущений и условий функционирования, что фактически определяет новое направление не только в теории управления движением, но и в теории надежности.
3. Выполненные исследования позволили раскрыть не анализируемые ранее свойства объекта, позволяющие не только расширить возможности построения систем управления (например, на основе построения авторезонансных систем вибрационного управления), но и выбирать параметры и конструктивные элементы подсистем по критериям, например, точности обработки.
4. Предложенные методы определения отображений координат состояния процесса резания и показателей качества в динамических свойствах управляемой системы, основанные на раскрытии и анализе внутренней структуры объекта, открывают новое направление динамического мониторинга сложных механических систем, взаимодействующих со средами.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
1.Сама постановка и решение задачи анализа и синтеза синергетического управления процессом обработки на металлорежущих станках с учетом эволюции и самоорганизации направлена на повышение эффективности существующих станков, а также при создании нового оборудования для обработки деталей в машиностроении. В этом главное практическое значение работы.
2. Предложены новые методы построения управляющих программ для станков с ЧПУ, основанные не на геометрическом образе детали и принципе подчинения всех управляемых координат этому образу, а на многообразии желаемых траекторий формообразующих движений, учитывающем согласованность программы ЧПУ с внутренним управлением, что позволяет повысить качество систем управления и точность изготовления деталей. Использование разработанных методов особенно эффективно при изготовлении деталей сложной геометрической формы, а также деталей, матрицы жесткости которых меняются вдоль траектории движения.
3. Предложены методы коррекции управления в зависимости от рабочей информации о состоянии процесса обработки и параметрах текущего качества изготовления деталей, получаемой на основе анализа отображений состояния процесса и качества деталей в доступных измерению координатах состояния динамической системы. Они фактически определяют новый класс систем, направленный на повышение эффективности обработки на станках.
4. Сформулированные методы динамического мониторинга позволяют решить ряд важных локальных проблем машиностроительного производства, в частности, создать системы динамического мониторинга износа инструмента, интенсивности его изнашивания, поломки, параметров качества изготовления деталей и пр. по наблюдаемым динамическим характеристикам системы, что позволяет обеспечить надежность системы управления.
5. Раскрытые особенности потери устойчивости траекторий формообразующих движений позволяют определить новые пути повышения устойчивости на основе выбора технологических режимов, геометрии инструмента, конструктивных особенностей станка и геометрии инструмента.
6. Приложенная методика выбора из многообразия траекторий, удовлетворяющих заданному качеству деталей, оптимальной траекторий, при которой обеспечивается минимум затрат на изготовление деталей, учитывает не только износ инструмента и интенсивность его изнашивания, но и другие возможные отказы системы в ходе ее эволюции.
Реализация результатов работы. Разработанные методы построения управляющих программ для станков с ЧПУ, а также некоторые локальные системы управления, и технологические, технические методы повышения эффективности процесса резания нашли внедрение в машиностроительных предприятиях. Кроме того, результаты диссертационной работы применены в учебном процессе по дисциплинам «Автоматизация и управление производственными технологическими процессами», «Основы нелинейной динамики управляемых систем».
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация посвящена решению крупной научной проблемы, заключающейся в разработке методов системного анализа и синтеза управления сложными многосвязанными нелинейными, эволюционирующими объектами на примере обработки резанием на металлорежущем станке. Поэтому содержание диссертации соответствует специальности 05.13.01 – «Системный синтез, управление и обработка информации». Области исследования соответствуют следующим пунктам паспорта специальности: п.1, п.п. 4.-7; п.11.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-технических конференциях и сипмозиумах:«Современные проблемы машиностроения и высоких технологий»( Ростов на Дону, 2005 г.); «Проблемы трибоэлектрохимии», (Новочеркасск, 2006 г).; «Металлургия, машиностроение и станкоинструмент», (Ростов на Дону, 2006 г).; «Динамика технологических систем» (Ростов на Дону, 2006 г.); Международная –VIII всевьетнамская конференция по механике, Ханой, 2007 г.; «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008).; Международная научная практическая конференция в рамках промышленного конгресса юга России (Ростов на Дону, ИУИАП, 2009 г).; «Машиностроение и технология машин» (Ханой, 2009 г.); «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» (Ростов на Дону, 2010 г); «Современные проблемы информатизации СПИ-2011» (Воронеж, 2011 г.); «Механика и трибология транспортных систем» (Ростов на Дону, 2011 г.); «5th Chaotic Vodeling and Simulation International Conference» (12-15 June, Greece); «Математическая физика и её приложения» (г.Пятигорск, 2012г.); Х международная Четаевская конференция «Аналитическая механика, устойчивость и управление», (г. Казань, 2012 г); Х международный научно-технический форум «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии»(Ростов-на-Дону, 2012 г.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, в том числе 1 монография, 20 статьей в рецензируемых российских изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Результаты исследований представлены на 405 страницах основного текста, включающего 251 рисунок, 27 таблиц, библиографию из 361 наименований. Содержание приложений изложено на 180 страницах в отдельном томе.
