На правах рукописи.

Назаренко Дмитрий Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.03.01. Процессы механической и физико – технической обработки, станки и инструмент.

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

1998

Работа выполнена на кафедре “Автоматизация производственных процессов” Донского государственного технического университета.

Защита состоится “ 28 ” декабря 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д.063.27.03 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд.252.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать в диссертационный Совет по указанному адресу.

Автореферат разослан “ 26 “ ноября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф. Чукарин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Вопросы повышения производительности, точности и надежности процесса обработки всегда были и остаются актуальными для станковедения. Одной из насущных задач, стоящих перед промышленным производством, является его интенсификация на основе создания автоматизированных станочных систем, управляемых от индустриальных ЭВМ и микроконтроллеров.

Процесс сверления глубоких отверстий малого диаметра является типично нестационарным процессом, обеспечение которого требует создания различного класса систем управления. Такие системы были созданы в отечественной и зарубежной практике, однако, до настоящего времени, не было постановки задачи синтеза системы управления с учетом многообразных и изменяющихся ограничений на координаты пространства состояния процесса обработки. Раскрытие этих ограничений во взаимосвязи с механикой процесса глубокого сверления, их отображением в фазовое пространство координат формообразующих движений станочного оборудования, а также определение функции управления, минимизирующей приведенные затраты, до настоящего времени не решены. Именно этим определяется актуальность темы работы, в которой решается вопрос синтеза оптимального управления для сверления глубоких отверстий малого диаметра с учетом ограничений на вектор управления и фазовые траектории формообразующих движений и вспомогательных перемещений при функционировании оборудования для рассматриваемого технологического процесса.

Работа ориентирована на создание оборудования для обработки глубоких отверстий в условиях крупносерийного и массового производства, например, при сверлении топливоподводящих отверстий в корпусах и штуцерах форсунок дизельных двигателей, при обработке маслоподводящих отверстий в автомобилестроении и др.

Работа выполнена по общероссийским программам "Конверсия и высокие технологии", "Механика, машиноведение и процессы управления".

Цель работы. Повышение производительности автома-тизированного оборудования для сверления глубоких отверстий малого диаметра при фиксированной надежности выполнения процесса сверления путем отыскания оптимальной функции управления.

Методы и приемы исследования. Решение поставленной задачи осуществлялось на базе классического подхода к решению задач оптимизации. Повышение производительности и надежности процесса сверления достигается путем отыскания и использования более точных моделей описания процессов, протекающих при сверлении, и использовании их при определении функции управления, а также путем уменьшения общего количества допущений и приближений, которые являются неизбежными при создании реальных устройств.

Основные результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований. В теоретических исследованиях использовались положения теории автоматического управления, теории резания (сверления), теории автоматизированного электропривода, цифровых методов обработки сигналов и цифровой фильтрации, теории случайных процессов. Экспериментальные результаты получены на оригинальном оборудовании, снаряженном измерительными системами, часть из которых разработана и изготовлена автором.

Оборудование работает под управлением ПЭВМ типа IBM PC 486. Для управления процессом сверления использовалось оригинальное программное обеспечение, разработанное автором для проведения измерений и экспериментов по сверлению. Кроме того, предлагаемое программное обеспечение позволяет моделировать различные алгоритмы управления. Все вычисления и обработка результатов измерений проводились по разработанным автором алгоритмам. Алгоритмы управления сверлильным оборудованием и вычислений, в зависимости от их специфики и предъявляемых требований, были реализованы на языках Ассемблер и Паскаль, часть вычислений проводилась с применением математического пакета MATLAB.

Научная новизна работы. В диссертации рассмотрены и решены задачи, представляющие интерес для станковедения.

1. Изучены закономерности изменения сил, действующих на сверло при обработке глубоких отверстий.

2. Изучены статистические характеристики силовых параметров.

3. Определены отображения пространства состояния процесса сверления в пространство состояния управляемой системы при глубоком сверлении.

4. Определены и формализованы ограничения пространства состояния процесса сверления и их отображения в фазовом пространстве управляемой системы.

5. Определены оптимальные фазовые траектории перемещения пиноли сверла при рабочих заглублениях и вспомогательных перемещениях.

6. Определена функция управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра, оптимизированная по производительности.

Практическая ценность работы.

1. Получены алгоритмы управления процессом глубокого сверления, ориентированные на использование в современных вычислительных системах, в совокупности с которыми и был получен значительный положительный эффект, выражающийся в повышении производительности системы и надежности процесса сверления.

2. Разработана система управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра, позволяющая в значительной степени повысить производительность и надежность процесса сверления. Это достигается путем:

а) использования более совершенных моделей самого процесса сверления;

б) использования более точной и полной информации о протекании процесса обработки, что достигается путем применения дополнительных датчиков, позволяющих выполнять измерения с необходимой точностью;

в) использования принципиально новых методов анализа данных измерений текущих значений силовых параметров, действующих на инструмент;

г) учета изменений условий обработки в ходе выполнения самого процесса обработки, развития износа инструмента и накопления скрытых дефектов инструмента, снижающих его прочность в процессе эксплуатации;

д) применения микроконтроллеров в цепях управления, позволяющих реализовать полученную в данной работе функцию управления процессом сверления.

3. Приведены алгоритмы и программы для реализации управления процессом глубокого сверления, обеспечивающих максимально допустимую производительность обработки.

Реализация результатов работы. Промышленные испытания системы сверления проведены на предприятиях: ОАО "Роствертол", ПО "Азовский оптико-механический завод" и Ростовский электровозоремонтный завод имени В.И.Ленина. Экспериментальный стенд, разработанное программное обеспечение и результаты исследований используются в учебном процессе кафедры "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на:

- Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления. Таганрог. 1997г.

- 5-й Международной научной конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону. 1997г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 234 страницах, содержит 78 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 183 источников, 14 приложений.

Во введении содержится обоснование актуальности работы, основные научные положения, составляющие предмет работы.

Первая глава посвящена анализу проблем создания автоматизированного оборудования для сверления глубоких отверстий малого диаметра, а также рассмотрены особенности процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра. Указаны пути совершенствования оборудования для реализации процесса сверления, среди которых выделены следующие направления:

- создание условий, при которых влияние стружки на процесс сверления отсутствует;

- совершенствование конструкции и геометрии инструмента;

- совершенствование систем управления процессом сверления с периодическим выводом инструмента.

Последнее направление рассматривается как наиболее перспективное. При этом процесс сверления выполняется с периодическими выводами инструмента, необходимыми для отвода стружки, охлаждения и ввода СОЖ для выполнения очередного заглубления, которое в дальнейшем будем называть единичным. Приводится обзор существующих законов управления переключением циклов заглублений и их сравнительная характеристика. На основе изложенного формулируются цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена изучению механики глубокого сверления. В этой главе параллельно описываются теоретические и экспериментальные исследования.

В начале главы приводится подробное описание экспериментального стенда, основой которого является силовая сверлильная головка. Для проведения исследований головка оборудована датчиками и работает под управлением персональной ЭВМ IBM PC 486. Для выполнения необходимых измерений были использованы оригинальные технические решения по созданию измерительных средств и методике проведения исследований, предложенные автором. Для реализации экспериментальных исследований было написано необходимое программное обеспечение.

Анализ механики сверления выполняется на основе классического подхода – рассмотрения процесса резания. На базе анализа специфики процесса глубокого сверления были записаны соотношения для сил в системе "режущий клин - деталь" для случая несвободного вывода стружки. На основании этих теоретических выводов, а также экспериментальных данных, были получены эволюционные зависимости механического момента сверла и осевого усилия от координаты. Эксперименты показали существенную нестационарность изменения силовых параметров при сверлении. По данным выполненного статистического анализа были построены математические модели, описывающие изменение силовых параметров от координаты в пределах единичного заглубления. Исследования эволюции силовых параметров выполнялось как с СОЖ, так и без СОЖ.

Выполнен анализ нагруженности отдельных частей режущих кромок сверла, в результате чего было выяснено, что осевое усилие формируется, в основном, в центральной части сверла – в области перемычки, а крутящий момент определяется процессами на периферии режущих лезвий. Установлена приближенная зависимость этой нагруженности от радиуса сверла. Рассмотрена эволюция изменения силовых параметров по мере износа; в частности, установлено, что, по мере изнашивания сверла осевое усилие в области перемычки возрастает интенсивнее.

Выполнены исследования силовых параметров при обработке неоднородных материалов и их взаимосвязь с процессами разнообрабатываемости. Изучена взаимосвязь циклически повторяющейся составляющей силовых параметров, синхронизированных с частотой вращения сверла, с процессами развития увода инструмента. Предложена методика синхронного усреднения (усреднение силовых параметров в пределах нескольких оборотов сверла для фиксированных значений угла поворота сверла), на основе которой выявляется зависимость изменения силовых параметров от угла поворота. По величине колебаний силовых параметров в пределах оборота сверла делается вывод о предыстории развития увода инструмента.

Кроме того, выполняется автокорреляционный и спектральный анализ силовых параметров с целью выявления взаимосвязи спектральных характеристик силовых параметров по мере каждого единичного заглубления с целью определения изменений циклических составляющих параметров. По этим данным выполняется оценка эволюции накопления скрытых дефектов в материале инструмента, обусловленных усталостными факторами.

Рассмотрены факторы нестационарности изменения силовых параметров, вызванных несовершенством конструкции силовых сверлильных головок. Среди них выделены факторы, связанные с неоднозначностью фазовых траекторий движения пиноли и факторы, вызванные конечной жесткостью системы.

В третьей главе поставлена и решена общая задача управления станочной системой для сверления глубоких отверстий малого диаметра. Уравнение системы рассматривается в виде:

,

где - вектор состояния управляемой системы, - вектор внешних возмущений, - вектор управления, a, b, c - положительноопределенные матрицы с постоянными коэффициентами. Таким образом, задача оптимального управления решается для класса линейных систем с постоянными параметрами.

В качестве критерия оптимизации выбирается критерий минимума приведенных затрат на производство партии деталей. В диссертационной работе показано, что указанный критерий фактически сводится к критерию максимальной производительности.

Оптимизация рабочих заглублений и вспомогательных перемещений в работе рассматривается отдельно.

При оптимизации рабочих заглублений выбираются следующие ограничения пространства состояния процесса сверления Y:

1. Ограничения на величину интегральной – y₁ и циклической – y₂ составляющих крутящего момента с учетом усталостных факторов;

2. Ограничение на величину осевого усилия – y₃, зависящего от текущей координаты заглубления, исходя из соображений осевой устойчивости инструмента;

3. Ограничение на величину износа инструмента – y₄;

4. Ограничение, характеризующее качество обработки – y₅.

Ограничения на вектор состояния процесса обработки имеют вид:

где y_oi - критическое значение i-той координаты; n – количество деталей, обработанных данным инструментом.

Таким образом, задача оптимального управления рабочими заглублениями решается для случая, когда пространство фазовых координат движения системы является ограниченным, и эти ограничения определяются отображениями в фазовом пространстве на указанные выше ограничения на координаты состояния процесса сверления.

Ограничения на пространство состояния процесса сверления являются размытыми, размытыми являются и ограничения на фазовые координаты движения системы. Если обеспечить их кусочнолинейную аппроксимацию при 95% вероятности сверления без поломок инструмента, то оптимальная траектория движения будет соответствовать траектории, обозначенной на рис. 1 стрелками.

Рис. 1. Линеаризованные ограничения в фазовом пространстве управляемой системы.

Закон управления, обеспечивающий движение по оптимальной траектории имеет вид:

Где C_e, C_m, R, L – постоянные двигателя привода пиноли; k, k₁, k₂, k₁^*, k₂^* - постоянные коэффициенты, определяемые аппроксимирующей функцией ограничений; t - время.

При оптимизации вспомогательных перемещений введены ограничения на величину напряжения и тока якоря двигателя привода пиноли сверла:

В этом случае оптимальная фазовая траектория имеет вид (рис. 2.).

Рис. 2. Фазовая траектория движения системы при вспомогательных перемещениях.

Рассмотрен участок фазовой траектории EFGA, соответствующий переходу от скорости вспомогательных перемещений к скорости рабочих перемещений. Анализируется случайный процесс, связанный с неоднозначностью координаты завершения перехода, и предлагается методика определения координаты точки предварительного переключения в каждом цикле заглубления.

В четвертой главе на основании обзора развития микропроцессорной техники и микроконтроллеров сделан обоснованный вывод о перспективности их использования в отдельных узлах силовой сверлильной головки. Для эффективного использования микроконтроллеров в отдельных измерительных и силовых узлах разработана система команд управления и обмена данными. Предлагаемая система команд позволяет унифицировать процедуру управления отдельными узлами оборудования и обеспечивает их замену при реконструкции. Команды формируются центральным контроллером и передаются к узлам управления и измерения. Для оборудования, используемого в предлагаемой работе, были использованы следующие группы команд:

При создании процедур, реализующих выполнение команд, были использованы оригинальные алгоритмы, оптимизирующие процессы измерения и вычисления. В частности, алгоритм обработки сигналов, поступающих от датчика линейного перемещения сверла, в качестве которого используется круговой фотоэлектрический датчик ВЕ178А5, выполняется с одновременной диагностикой характерных отказов датчиков такого типа. Диагностика в этом случае имеет важное значение, так как сбои в работе датчика линейного перемещения пиноли в большинстве случаев приводят к потере координат движения, и, как следствие, к повреждению оборудования, режущего инструмента и заготовки.

Использован оригинальный алгоритм измерения механического момента сверла по мощности асинхронного трехфазного двигателя вращения сверла. Для его реализации выполнялось измерение величин напряжения и тока всех трех фаз двигателя и вычисления текущей мощности численно с последующей цифровой фильтрацией. Данный способ измерения позволил повысить точность измерения, а также расширить полосу пропускания системы измерения механического момента сверла, которая в этом случае определяется инерционными свойствами двигателя и составляет 0 - 100 Гц.

Приводится подробное описание универсальной процедуры, базирующейся на выполнении описанных выше команд и реализующей процесс сверления. При ее выполнении осуществляется инициализация оборудования, и реализуется основной программный цикл, реализующий функцию управления рабочими заглублениями и функцию управления вспомогательными перемещениями.

Приводится структурная схема системы управления, показывающая основные функциональные связи между ее основными узлами.

Выполнен сравнительный анализ производительности сверления на основании сопоставления математической модели сверления с постоянной скоростью подачи сверла и моделью, реализующей выполнение описанного в работе алгоритма сверления. Оценка проводилась в предположении того, что обработка проводилась на постоянной скорости подачи с переключением циклов вывода инструмента по жестко заданным координатам и по сигналу критического значения механического момента сверла от датчика крутящего момента сверла. Повышение производительности для случая рассматриваемых моделей составило 30%.

Проведенные опытно-промышленные испытания показали повышение производительности предлагаемого оборудования по сравнению с существующим в 1,5 - 2 раза.

Выполнен анализ и предложена методика выбора оптимального значения процента допустимого брака, которая значительно снижается при использовании предлагаемой системы. Опытно-промышленные испытания показали снижение брака в среднем с 25-28% до 5-7% при указанном повышении производительности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке автоматизированной системы управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра. В работе поставлена и решена задача синтеза системы управления процессом обработки, характеризующейся нестационарностью изменения силовых параметров на основе принципов оптимального управления. Это, в конечном счете, позволило повысить производительность и надежность процесса сверления, о чем свидетельствуют результаты промышленных испытаний. Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Изучена механика процесса сверления при обработке глубоких отверстий малого диаметра удлиненными спиральными сверлами. Рассмотрены закономерности изменения силовых параметров от координат состояния управляемой системы.

2. Изучены эволюционные закономерности изменения величины крутящего момента и осевого усилия от координаты единичного заглубления. Установлены статистические закономерности эволюции изменения силовых параметров, по которым построены модели их априорного предсказания. Исследованы эволюционные изменения АКФ и автоспектра указанных силовых параметров от координаты единичного заглубления при постоянных режимах обработки.

3. Исследована циклически повторяющаяся, синхрони-зированная с частотой вращения сверла относительно детали, составляющая изменения силовых параметров. Обоснован вывод о взаимосвязи этих циклических составляющих сил и процессов разнообрабатываемости. Исследованы возможности использования результатов анализа этих составляющих для идентификации развития увода инструмента в процессе выполнения сверления.

4. Формализовано множество существования процесса сверления, как совокупность координат, определяющих сам процесс сверления. Выявлены ограничения на эти координаты, а также раскрыто отображение множества состояния процесса сверления в фазовое пространство управляемой системы.

5. Изучена возможность применения законов оптимального управления к решению задачи оптимизации процесса сверления. Формализована взаимосвязь координат состояния управляемой системы с внешними возмущениями и управляющими воздействиями. Описаны и формализованы ограничения, присущие системам глубокого сверления. Сформулирован критерий оптимизации, и на основе этого найдена искомая функция управления процессом сверления. Рассмотрены вопросы оптимизации как рабочих заглублений, так и вспомогательных перемещений.

При рассмотрении ограничений на силовые параметры учтена их трансформация по мере увеличения глубины просверленного отверстия, развития износа и накопления скрытых дефектов инструмента, обусловленных усталостными факторами, в процессе обработки.

Синтез оптимальной траектории осуществлен не только на основе ограничений на силовые параметры, учитывались также факторы разнообрабатываемости, которые являются предысторией увода инструмента.

Синтез управления осуществлялся как на основе учета ограничений на силовые параметры, так и на основе учета факторов разнообрабатываемости для выявления и предотвращения увода инструмента.

6. Установлено, что априорный закон управления рабочими заглублениями, соответствующий оптимальному, на конечном числе участков приближается к экспоненциальному во временной области и линейному в фазовом пространстве перемещения пиноли.

7. Для реализации полученных законов управления выбрано построение оборудования на базе микроконтроллеров, как наиболее перспективное на данном этапе развития систем управления.

8. Для проведения экспериментальных исследований создан автоматизированный информационно-измерительный стенд на базе силовой сверлильной головки управляемой ПЭВМ IBM PC 486. На стенде выполнены все описанные в работе измерения, изучены закономерности изменения силовых параметров в ходе выполнения сверления на разных режимах, опробована оригинальная система определения механического момента сверла по мощности потребления асинхронного двигателя привода вращения сверла, и реализован алгоритм управления процессом сверления по найденным законам управления.

9. Разработано программное обеспечение, реализующее управление процессом глубокого сверления в соответствии с найденными законами управления. Предлагаемое программное обеспечение подробно описано и является практическим примером, реализующим функции обработки данных, поступающих от датчиков обратной связи, их анализа, функции управления приводами сверлильного оборудования, а также функции управления.

10. Предложен практический образец оборудования, реализующий процесс сверления глубоких отверстий. Управление сверлением выполняется по законам, в основе которых лежат принципы оптимального управления. Оборудование работает под управление ПЭВМ IBM PC 486.

11. Предложенные алгоритмы управления процессом сверления глубоких отверстий показали высокую эффективность и надежность в промышленных условиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Назаренко Д.В. Система управления процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра. Тез. докл. Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления. Таганрог. 1997г. Том 2, 102-104с.

2. Назаренко Д.В. Оптимальное управление процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра. Тез. докл. 5-й Международной научной конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону. 1997г. Том 2, 102-104с.

3. Назаренко Д.В., Эльхамрауи А., Зимовнов О.В. Экспериментальное исследование зависимости механического момента сверла от координаты при глубоком сверлении. Сборник научных статей "Диагностика и управление в технических системах". Ростов-на-Дону. 1998г. 122-124с.

4. Заковоротный В.Л., Эльхамрауи А., Назаренко Д.В. Исследование влияния процесса резания на коэффициент затухания собственных движений режущего инструмента. Сборник научных статей "Диагностика и управление в технических системах". Ростов-на-Дону. 1997г. 185-191с.

5. Эльхамрауи А., Назаренко Д.В. К вопросу повышения устойчивости процесса резания металлорежущих станков. Сборник научных статей "Диагностика и управление в технических системах". Ростов-на-Дону. 1997г. 174-177с.

ЛР № 020639 от 26.04.96 г. В набор 14.11.98. В печать 19.11.98.

Объем 0,6 усл. п. л.0,5 уч. –изд.п. Офсет. Формат 60х84/16

Бумага тип №3. Заказ №452 Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.