автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмы логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности

На правах рукописи

ЗАРИПОВ Альберт Рифович

АЛГОРИТМЫ ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ ПРОЦЕССА МЕХАНООБРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О5 ЕЕ«»

Уфа 2008

003454426

Работа выполнена на кафедре автоматизации технологических процессов Уфимского государственного авиационного технического университета

Научный руководитель

д-р техн. наук, проф. Зориктуев Вячеслав Цыденович

Официальные оппоненты

д-р. техн. наук, проф. Всревкин Александр Павлович канд. техн. наук, доц. Ганцев Рустем Халимович

Ведущая организация

ОАО «Институт технологии и организации производства», г. Уфа

Защита состоится 16 декабря 2008 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.03 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » ноября 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

В. В. Миронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность работы современного машиностроительного производства во многом определяется достигнутым уровнем его автоматизации. Основные задачи, стоящие перед станкостроением, сводятся к повышению производительности, точности обработки и надежности металлорежущих станков. В настоящее время требования к повышению эффективности машиностроительного производства решаются за счет создания станочных модулей с новыми показателями, позволяющими повысить точность обработки деталей, быстродействие управления, уменьшить перерегулирование, добиться оптимальных режимов обработки.

Известно, что эксплуатационные свойства деталей определяются темпе-ратурно-силовьши режимами обработки. Вопросы, связанные с формированием алгоритма автоматического управления температурно-силовыми режимами резания, не получили пока достаточного развития и не могут обеспечить необходимого быстродействия управления и, как следствие, качества и точности обработки деталей.

• Следовательно, возникает необходимость создания систем управления с требуемыми показателями по точности, качеству обработки деталей и быстродействию управления. Особое внимание следует обратить на обрабатывающий инструмент, который в процессе резания подвергается существенным нагрузкам. Инструмент, являясь основным звеном в процессе резания, одновременно претерпевая его воздействия, является наиболее уязвимым элементом всей станочной системы. Решением этой проблемы является разработка новых или совершенствование существующих систем управления (СУ), которые позволят осуществить, в условиях малолюдной технологии и многономенклатурного производства, автоматическое определение и управление требуемых темпера-турно-силовых режимов обработки резанием для получения заданных параметров качества обработанной поверхности детали.

Анализ технологических особенностей управления процессом резания (ПР) позволил установить, что существующие методы управления не удовлетворяют современным требованиям, обеспечивающим необходимое качество и точность обрабатываемой поверхности, а также быстродействие управления.

Помимо этого следует отметить необходимость создания быстродействующих алгоритмов, позволяющих осуществить взаимосвязанное управление по каналам температуры и силы резания в условиях нестационарности процесса резания. Несмотря на продолжительные исследования, проводимые в указанном направлении во многих научных и производственных коллективах нашей страны и за рубежом, проблема создания оперативной системы управления остается нерешенной. Создание методики синтеза алгоритма управления режимами процесса механообработки позволит решить актуальную задачу автоматического управления элементами режима резания.

Решаемые в диссертации вопросы являются составной частью исследований, проводимых кафедрой автоматизации технологических процессов (АТП)

Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках проекта РФФИ № АТ-ТС-13-08ГФ.

Целью работы является разработка алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности, обеспечивающих, в реальном масштабе времени, управление, для формирования требуемых эксплуатационных свойств обрабатываемых поверхностей.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику синтеза алгоритмов логического управления процесса механообработки при обработке деталей в условиях неопределенности.

2. Разработать модели и алгоритмы управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки при раздельном и взаимосвязанном управлении в классе логических алгоритмов управления.

3. Оценить эффективность работы разработанных алгоритмов логического управления температурно-силовым режимом процесса механообработки на основе математического моделирования.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории автоматического управления, дискретной математики, теории резания, теории конечных автоматов.

На защиту выносятся:

1. Методика синтеза алгоритмов логического управления, в основу которого заложены элементы теории конечных автоматов, реализующие разработанный алгоритм взаимодействия различных управляющих и управляемых параметров.

2. Модели и алгоритмы взаимосвязанного логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности.

3. Анализ результатов (математического моделирования) работы алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки и рекомендации по их использованию.

Научная новизна работы

1. Новизна методики синтеза алгоритмов управления процессом механообработки заключается в представлении технологических параметров в интервальных шкалах, что позволяет описать технологический процесс резания через конечно-автоматные модели, обеспечивающий управление режимами работы станочной системы в реальном масштабе времени.

2. Новизна разработанных моделей систем логического управления по температуре и силе резания заключается в использовании ситуационного управления, оперирующего понятием «состояние» и возможностью формирования управляющего воздействия, позволяющего в условиях неопределенности процесса резания, связанных с изменением во времени физико-химических

свойств материала детали и инструмента, обеспечить требуемое качество и точность обрабатываемой поверхности.

3. Новизна алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки заключается в идентификации его текущего состояния и оперативного управления этим процессом, позволяющего обеспечить требуемое качество обрабатываемой поверхности изготавливаемых деталей.

Практическая ценность получепных результатов

• Разработанная методика синтеза алгоритмов логического управления позволит обеспечить формирование требуемого температурно-силового режима, влияющего на качество обработанной поверхности изготавливаемых деталей.

• Предложенные алгоритмы автоматического управления позволят обеспечить требуемое быстродействие системы управления многосвязным объектом по каналу температуры и силы резания, отражающееся на качестве и точности обработки.

• Результаты моделирования, в ходе которого определены области и условия эффективного применения алгоритмов логического управления в процессе механообработки в металлорежущих станочных системах.

Апробация работы

• Международная научно-техническая конференция «10th International Students Olympiad on Automatic Control» (Baltic Olympiad). Санкт-Петербург, 2004.

• Международная научно-техническая конференция «Мехатроника, автоматизация, управление». Москва, 2005.

• Международная научно-техническая конференция «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль». Тольятти, 2006.

• Научно-техническая конференция, посвященная 50-летию кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». Пермь, 2006.

• Школа-семинар молодых ученых и аспирантов. Уфа, 2007.

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты

изложены в 1 статье рецензируемом журнале из списка ВАК, рекомендованном ВАК, в 4 статьях в журналах и сборниках научных трудов, 1 материалах конференций докладов.

Внедрение результатов работы

Алгоритм управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности, рассмотрены и приняты к внедрению в ОАО «УМПО», г. Уфа.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 151 страницу машинописного текста и список литературы из 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выполненной научной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научные положения, выносимые на защиту, отмечена практическая значимость и научная ценность работы.

В первой главе решается задача исследования и анализа современного состояния автоматического управления процессом резания. Обоснована необходимость создания алгоритма взаимосвязанного управления температурными и силовыми параметрами обработки деталей на металлорежущих станках.

В результате исследований было выявлено что, управление только температурным или силовым параметрами процесса обработки (рис. 1) снижает технические возможности станочной системы, что приводит к недоиспользованию ее ресурсов.

Рисунок 1 - Функциональная схема САУ ПР

Также, анализ результатов эксплуатации разработанных систем управления показал недостаточную их гибкость, связанную с ограничениями технологического процесса и области их применения. Основным недостатком систем управления процессом резания была элементная база, которая не позволяла с необходимой точностью и быстродействием осуществить управление, вследствие чего время переходного процесса и перерегулирование были большие.

В системах автоматического управления (САУ) ПР с непрерывной системой управления силой Рг, где отсутствует дискретная часть, не обеспечивается надежная защита инструмента от перегрузок на различных этапах процесса резания: момент врезания и приработки, при ступенчатом приращении припуска, при обработке деталей со сложными поверхностями (обработки с эксцентриситетом) и т.д. (рис. 2-3) Интегрирование релейной схемы управления для снятия возникающих нагрузок, обеспечивает снижение величины перерегулирования, что позволяет повысить защиту инструмента. Даже при таком управлении величина перерегулирования остается порядка 10-15%. Регуляторы с постоянными параметрами не могут обеспечить высокие статические и динамические свойства системы при управлении такого стохастического и нестабильного процесса, как резание.

~7 Х^ГЗ Г^р Т~

*

~~з ? г у «-/¿^ Рисунок 2 - Изменеше силы Рг в иа-прерывной САУ без самонастройки и релейном управлении переходного процесса при ступенчатом приращении припуска на обработку

Рисунок 3 - Изменение силы Рг в САУ с самонастройкой и релейном управлении переходного процесса при ступенчатом приращении припуска на обработку

Поэтому с целью повышения эффективности управления техническими объектами необходимо решить две глобальные проблемы управления:

- снизить (или компенсировать) априорную неопределенность об объекте за счет использования текущей информации;

- сформировать алгоритм управления, обеспечивающий устойчивость и заданные показатели качества управления.

Обработка деталей требует создание быстродействующих алгоритмов и СУ, в которых остро встает проблема согласования сигналов с различных иерархических уровней управления.

Для обеспечения необходимого функционирования системы управления необходимо наличие датчиков удовлетворяющих таким критериям как точность измерения, помехозащищенность, быстродействие и т.д. Значительным фактором нестационарности процесса резания являются возмущающие воздействия, возникающие при точении прерывистых поверхностей с пазами и отверстиями, при точении деталей с эксцентриситетом, в период врезания, приработки инструмента и т.д. требуют обоснованного выбора датчиков информации, которые позволят идентифицировать текущее состояние и осуществить обработку. Таким требованиям к датчикам технологического процесса резания в настоящее время удовлетворяет естественная термопара «инструмент-деталь».

Идентификация температуры резания осуществляется при помощи термо-ЭДС, а идентификация силы резания - электропроводимостью контакта «инструмент-деталь» (ЭП КИД). Применение датчиков позволит осуществить поддержание требуемого уровня температуры и силы резания изменением скорости резания и скорости движения инструмента (подача) соответственно.

Также необходимо отметить что в настоящее время управляющая программа, в которой жестко заданы технологические параметры ПР ограничивает возможности станочной системы. Неопределенности, связанные с дефицитом информации о возможных колебаниях припуска заготовки, о величине износа

режущей кромки инструмента и его геометрии, приводят к тому, что режимы механообработки назначают исходя из наиболее нагруженных условий обработки.

При программировании режимов резания не учитываются особенности обработки конкретной детали. Кроме того, в «жесткой» системе не учитывается влияние непрерывно изменяющихся внешних воздействий и параметров станочной системы, определяющих в большой степени производительность и точность обработки. Недостатки существующих систем управления режимами резания для микропроцессорных систем ЧПУ является отсутствие необходимого алгоритма управления.

Вследствие проведенного анализа был предложен алгоритм управления режимами резания, основой которого было объединение каналов управления температурой и силой резания (рис. 4).

Рисунок 4 - Функциональная схема САУ ПР с применение алгоритма логического управления

Разработка алгоритмов логического управления режимами резания, позволит обеспечить необходимое быстродействие управления, точность обработки, эффективную работу в соответствии с заданным алгоритмом функционирования, являющейся одной из важнейших задач автоматизации производственных процессов.

Задача разработки алгоритма управления заключается в выполнении следующих этапов: анализ технологического процесса резания; определение математических зависимостей; представление технологических параметров в виде логические переменным; определение взаимосвязи, условий взаимодействия и разработка алгоритма управления.

Вторая глава посвящена разработке методики синтеза алгоритма логического управления. В главе рассмотрены вопросы описания двумерной модели автоматической системы регулирования и стратегии построения алгоритмов ситуационного управления температурно-силовыми режимами резания, относящихся к классу логических алгоритмов управления.

Двумерная структура модели объекта управления (ОУ) обосновывается наличием двух основных контуров в системе управления температурно-силовым режимом процесса резания (рис. 4), для которых необходимо определить условия функционирования и взаимодействия.

Разработка алгоритма логического управления состоит из нескольких этапов:

— на первом этапе определяется закономерность взаимодействия компонентов станочной системы, на основе которых определены параметры процесса резания;

— на втором этапе определяется модель ОУ, переменные которого описываются в интервальных шкалах;

— на третьем этапе разрабатывается алгоритм логического управления, в основе которого лежит, конечно-автоматная модель.

При разработке алгоритма управления для САУ ПР необходимо, для каждого канала управления, решить три задачи: определение технологических параметров процесса резания, представление технологических параметров в виде логических переменных, преобразование логического сигнала в управляющее воздействие. Отдельной задачей является анализ условий взаимодействия каналов температуры и силы резания и синтез алгоритма управления с учетом взаимодействия.

Модуль, реализующий алгоритм логического управления, по одному из каналов, состоит из двух блоков - логического и параметрического (рис. 5).

Рисунок 5 — Модуль канала управления

Логический блок (рис. 5) осуществляет определение текущего состояния, управляющих параметров резания, в котором должна находиться система (разгон, поддержание постоянной скорости, торможение и т.д.) и значений физических параметров с датчиков обратной связи. Эффективными для этих целей по комплексу требований (точность, быстродействие, надежность и др.) являются методы контроля по электрическим параметрам процесса резания (тсрмо-ЭДС и электропроводимость контакта «инструмент-деталь» (ЭП КИД)). Параметрический блок осуществляет подачу необходимого управляющего напряжения.

Функционирование блока логического управления можно описать соотношением (1) для каждого канала к, (рис. 5), которое описывается в конъюнктивной форме. Обозначения переменных, принятые в соотношении (1), соответствуют параметрам технологического процесса (Е - термо-ЭДС, V ~ скорость резания, (7 - ЭП КИД, подача).

21 (1) Для каждого канала управления к, в логическом блоке определены условия, при которых он становится «истинным». Например, в системе управления

есть три канала, соответствующие определенному состоянию: разгон (ускорение), поддержание постоянной скорости, торможение, которые описываются в алгоритме.

Для каждого канала осуществлена дискретизация сигнала, взятого на начальном этапе, из характеристик, полученных экспериментально (рис. 6-8).

Рисунок 6 - Зависимость Рисунок 7 - Зависимость Рисунок 8 - Зависимость температуры резания 0 между термо-ЭДС ЭП-КИД в от подачи 5 от скорости резания V. и температурой

резания 0

Конъюнктивное соотношение (1) работает с логическими переменными, которым в соответствии поставили дискретизированные параметры, вносимые в базу знаний, представленной в виде таблицы данных (таблица 1).

Таблица 1. Таблица данных_

Е V с 5

1

2 Е2={е2..е3}

3 Ез={е3..е4}

4 Е4={е4..е5} ШШтв II

... ...

/ Ек={еп..ет} ШШШШ

Например, в процессе обработки необходимо выдержать выделенные в таблице 1 интервальные значения параметров процесса резания. Соотношение (1) примет вид:

г = (Е1л¥2лС2лБ3)

приЕеф,.^], Кб[уг..у3], <?е[г2.*3], 5е[53.л«].

Таким образом, данная методика позволит получить структуру алгоритма управления режимами резания, реализующую логику управления, которая представлена в виде блок-схемы (рис. 9).

( Начало )

/ Ввод данных / I-^-

Г 3 'I

| Торможение | Ускорение 1

Да Нет 1 - ■ ■ «¿^Условие-Г>> —1

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма управления

Для улучшения качества управления ПР в диссертационной работе решается вторая задача обеспечения взаимосвязанного управления. Разрабатываемый алгоритм логического управления позволит осуществить согласование контуров силы и температуры резания. Технологическая система управления режимами резания представляет собой совокупность подсистем управления температурой и силой резания с обратными связями и иерархической структурой, для которых необходимо определить условия взаимодействия т.к. контуры управления силой и температурой резания, функционально разделены между собой. В качестве решения поставленной задачи предлагается функциональная схема управления (рис. 10).

СЛУ

■ ¿у

н

НС

оу ПР

1

Рисунок 10 - Функциональная схема взаимосвязанного управления

На рисунке 10: ТБ - технологический блок, в котором осуществляется выбор режимов обработки (черновой, чистовой, получистовой); БН - блок настройки коэффициентов системы и параметров обработки; БС — блок согласования взаимодействия подсистем на основе логического управления, в котором через обратную связь, обеспечиваемую датчиками, определяются текущее состояние, значения физических параметров (ЭП КПД и термо-ЭДС), значения параметров резания и т.д.; СЛУ - система логического управления по темпера-

туре и силе резания; ОУ - объект управления, которым является процесс резания. В БС (рис.10) алгоритм логического управления осуществляет управление по одному или двум каналам, в зависимости от условий обработки.

При управлении по каналу силы резания соотношение (1) примет вид: Р2 =(5/\в) при Се^^.С?^] 5«ф^,^].

При управлении по каналу температуры резания соотношение 2 примет вид: гв =(£лК) при Ее[Еип{,Ешх\ У

При взаимодействии каналов управления по силе и температуре резания соотношение примет вид: 2 = (£Л7Л(?Л5)

ЩМЕь\Ет!>ЕмАх\ у*\Ум1Ч^МАХ] 5б

Блок-схема, реализующая схему взаимосвязанного управления, представлена на рисунке 11.

(Начало)

(Начало")

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма взаимосвязанного управления

Принципы раздельного и взаимосвязанного управления разрабатывались для токарных операций при обработке деталей типа вал, для обеспечения качества и точности обрабатываемой поверхности и быстродействия управления. Помимо этого аналогичный подход может найти применение при фрезеровании, где количество взаимодействующих контуров может доходить до пяти при обработке сложнопрофильных деталей.

В третьей главе осуществлен синтез алгоритма логического управления температурно-силовым режимом процесса резания. Для каждого контура был разработан модуль управления, который состоит из логического и параметрического блока (рис. 5).

Для логического блока получена диаграмма переходов, которая визуально отображает взаимосвязь, и взаимодействие состояний, для подсистемы по температуре резания 0 (рис. 12).

Рисунок 12 - Диаграмма переходов логического блока управления по температуре резания

Аналогичная диаграмма переходов получена в программе Ма11аЬ зтиНпк пакет 81а1еАо\у (рис. 13).

[(0<101*02|0=101*0г)& (00 99*0210=0 99*Ог)]

(0>0 99*02)0—0 99*02)]

[0=0]

К0<1-01*0гю==1 01*02)& (0>0 99*02|0=0.99*02)1

10--0] РГФгНпал впву Цпгдоп^О ЦсопвН) 1№нтп=0 иы1*о

ТогтвпЬу: Цгагдо1у*0 иеопсДО июпп>1 иьдо

Рисунок 13 - Модель логического управления температурой резания.

Аналогичный подход синтеза алгоритма логического управления применяется и для канала управления по силе резания, для которого, также, определены основные состояния, составлена диаграмма и функции-переходов.

Вторая задача - обеспечение взаимодействия каналов управления температурой и силой резания решается следующим образом.

Наличие контуров управления по термо-ЭДС и ЭП КИД позволяет решить задачу назначения рациональных режимов обработки. При работе с постоянной подачей целесообразно обработку осуществлять при У> Уо ■

В моменты, когда известна минимальная и допустимая величина износа, то при определенных условиях обработку можно осуществить, увеличив скорость резания, находясь в диапазоне допустимой температуры резания. Диапа-

зон изменения скорости и температуры резания от величины износа определяется характеристикой для конкретной пары инструмент-деталь (рис. 14).

Рисунок 14 - Характерная зависимость износа резца коз °т скорости и температуры резания

Таким образом, в качестве условий, при работе с постоянной подачей, выступает оценка состояния износа резца, скорости резания. Условие подключения контура управления скоростью резания: при условии (Ьоз <ЬТСК< Ьдоп), можно изменять скорость резания Ууаг. Исследование и анализ характера протекания процесса резания, позволил определить условия взаимодействия каналов температуры и силы резания:

1. В режиме черновой обработки, при котором ведущим каналом является канал управления по силе резания приняты следующие условия:

- при врезании можно осуществить согласованное управление:

если ((©тек<0зад) и (Рг^Рг^У) ^(0™=®^) или (Рг^Рг^)), тоГУЙГ(ув.);

- при действии возмущений, согласование управления осуществляется аналогичным образом:

если ((0ик<0эд) и (Рг^Рг^ ))+((0тек=0зад) или (Рг^Рг^)), то Руйг(ув.),

если ((©те^взад) и (Ргиек>/,7м(,))+((0та=0мд) или (Ргтек=Ргзад)), то Угаг(ум.).

2. В режиме чистовой обработки, при котором ведущим каналом является канал управления по температуре резания приняты следующие условия:

- при врезании можно осуществить согласованное управление:

если ((0тек<0зад) и (Р2тек<Р2зад)Уг({&-К^(д^ или (Рг^Рг^)), то 5уаг(ув.);

- при действии возмущений, согласование управления осуществляется аналогичным образом:

если ((0тек<©зад) И (Р2тг<-Ргш ))+((0те„ =©зад ) ИЛИ {Рг^Рх^)), ТО ДуДуВ.),

если ((0тек>0зэд) и {Рг^Рг^ь) ЖСЭтек^мя) или (Рх^Рх^)), то 5уш<ум.).

3. В режиме получистовой обработки:

- аналогично режиму получистового точения.

Дополнительными параметрами-ограничениями к полученным условиям являются: поддержание необходимой шероховатости В^, учет величины износа К и др.

Полученные условия для каналов температуры и силы резания позволят осуществить взаимосвязанное управление температурой и силой резания.

В четвертой главе осуществлено моделирование, анализ и оценка эффективности работы алгоритмов логического управления температурно-силовым режимом процесса резания в Ма^аЬ Бшийтк (рис.15).

ЕН-Ь ЕМ

Рисунок 15 - Структурная схема системы логического управления в программе \latlab

С целью сравнения работы САУ ПР на основе релейно-непрерывной элементной базы и проверки теоретических положений работы алгоритмов логического управления моделирование проводилось для подсистемы управления температурой резания.

Результаты моделирования для двух систем представлены на рисунках 16-17 (А - на основе релейно-непрерывной схемы; Б - с использованием блока логического управления).

2ЁЙ

13 14 1.« 1« 17 1,в 19 гл 2.1 12 t,ct^^

Рисунок 16 - Переходный процесс Рисунок 17 - Переходный процесс из-

изменения температуры резания.

менения температуры резания при действии возмущения.

Сравнительный анализ показал, что быстродействие системы с блоком логического управления выше на 15%, перерегулирование ниже на 6,5%, что говорит о преимуществе логического управления.

При действии возмущений быстродействие с блоком логического управления выше на 20%, позволяющее сделать вывод о быстродействии алгоритмов логического управления.

С целью проверки эффективности и адекватности работы алгоритмов логического управления проведено численное моделирование начальных исходных данных: диаметр детали й = 50 мм; ХН77ТЮР - ВК6М; При этом оптимальная температура составляет ©0 = 687°С. Обработка производится при следующих элементах режима резания: глубина резания t = \ мм, подача 5 = 0,21 мм/об., скорость резания V = 20 м/мин. Приводе главного движения - электродвигатель 4А160Б4УЗ мощностью 15 кВт, привод подачи - электродвигатель 4А13284УЗ мощностью 7,5 кВт.

В ходе численного моделирования были получены графики переходных процессов для типовых видов сигналов, отражающие технологический процесс резания и адекватность работы алгоритмов логического управления по температуре резания (табл. 2).

_Таблица 2.

Вид сигнала Переходной процесс температуры резания Параметры

е *с а=0,5% 2гш=0,003 с.

М- ! ...... . _ ].

Ш - 4 — ► Г — -

Ич МР ТТРТ ШР! мпт 'г агента . - Г

сопротивления. ' , " -4 ■} - г -1

-! - 7-Ь.

в,'С ст=0,8-1,2% Гпп=0,001 с.

тг у

г

Изменение момента -.....'---- ) 1

при обработке детали с эксцентриситетом Ошу_ _

I

------- ---------------т-_

им ил ик ив ии 1м

а'с а<2,5% Гпп=0,003 с.

V - — — _

~ т

Изменение момента при прерывистом резании Мм ф - Ж

Лп 9 ШМ-• о! ф :ф —

"И л |Г..

» а к и а |,в

Аналогичный комплекс графиков переходных процессов получен для канала управления по силе резания.

Графики переходного процесса, при взаимосвязанном управлении, имитирующие обработку детали с пазами или отверстиями, соответствующие режиму при прерывистом резании (рис. 18).

Р».«] - I -1-г--1-1-

ж> - •>

ГО -

7ЭО - -

вал ~

№ -

-

ПО -

Рисунок 18 - Графики переходных процессов при согласованном управлении каналов температуры и силы резания (по каналу силы резания 74),002-0,003 е., о<1~4%, по каналу температуры резания Г=0,001-0,002 е., ст<2%).

Графики переходных процессов (табл. 2) позволяют оценить работу алгоритмов логического управления, которые обладают высоким быстродействием. Время реакции при отклонении системы от заданного значения Т= 0,001-0,005 с.

Следовательно, основное требование, предъявляемое к датчикам и каналам передачи данных - быстродействие Г<0,005 е., таким требованиям соответствуют датчики термо-ЭДС и электропроводимости. Выбор датчиков термо-ЭДС и ЭП КИД, характеризующих технологический процесс резания, обусловлен их практической безынерционностью (время реакции 7Ю,001-0,005 с.) в процессе механообработки.

Дальнейшее развитие алгоритмов логического управления, основанный на ситуационном управлении, позволит их применить в сложных системах, для которых основным видом механообработки является фрезерование, где процесс имеет еще большую неопределенность и нестационарность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена методика синтеза алгоритмов управления режимами резания, позволяющая описать технологический процесс резания через конечно-автоматные модели путем представления технологических параметров в интервальных шкалах и осуществить взаимосвязанное управление несколькими каналами в условиях неопределенности.

2, Осуществлен синтез алгоритмов логического управления основных подсистем, для которых определены структура модуля управления. Определены основные состояния и логика переходов, отображаемые диаграммой переходов. Решена задача взаимосвязанного управления для технологического процесса механообработки.

ходов. Решена задача взаимосвязанного управления для технологического процесса механообработки.

3. Проведены численные эксперименты. Результаты разработанных алгоритмов управления в сравнении с существующими САУ ПР оказались лучше: по быстродействию на 10-15%, по перерегулированию на 5-6%. Эти результаты показывают преимущество разработанных алгоритмов и позволяют сделать заключение об эффективности предложенной методики при управлении темпе-ратурно-силовыми режимами процесса механообработки.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Логико-программное управление температурно-силовым режимом процесса резания/ В. Ц. Зориктуев, А. Р. Зарипов II Вестник УГАТУ: науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. 2006. Т. 8, №1 (17). С. 78-82.

В других изданиях:

2. Алгоритм логического управления контурной скоростью в системах ЧПУ класса СМС / А. Р. Зарипов // Автоматическое управление : тр. 10-й Меж-дунар. конф. по автоматическому управлению. Спб. : ИТМО, 2004. С. 79-85. (статья на англ. яз.).

3. Блок логического управления температурно-силовым режимом процесса резания на мехатронных станках / А. Р. Зарипов // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль : тр. Междунар. конф. по автоматизации технологических процессов и производственному контролю. Тольятти : ТГУ, 2006. С. 68-72.

4. Логическое управление температурно-силовым режимом процесса резания на мехатронных станках / А. Р. Зарипов // Мехатроника, робототехника, автоматизация: сб. науч. тр. М.: МГУПИ, 2006. С. 77-82.

5. Логическое управление температурно-силовым режимом процесса резания/ А. Р. Зарипов // Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством : матер.док. Пермь : 111 ТУ, 2006. С. 36-39.

6. Логико-программное управление температурно-силовыми режимами процесса резания / А. Р. Зарипов // Интеллектуальные системы обработки информации и управления, зимн. шк.-сем. молодых ученых : сб. тр. Уфа: УГАТУ, 2007. С. 273-278.

Диссертант

А. Р. Зарипов

ЗАРИПОВ Альберт Рифович

АЛГОРИТМЫ ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕР АТУРНО-СИЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ ПРОЦЕССА МЕХАНООБРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 13.11.2008. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 525.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

Список основных сокращений.

Введение.:.

1. Современное состояние автоматического управления процессом механообработки деталей.

1.1. Особенности и задачи управления процессом механообработки.

1.2. Особенности нестационарности и неопределенности процесса резания.

1.3. Параметры качества управления процессом резания.

1.3.1. Особенности управления силой резания.

1.3.2. Особенности управления температурой резания.

1.3.3. Требования к датчикам информационно-измерительной системы технологического процесса.

1.4. Анализ методов управления процессом резания.

1.5. Концепция применения логического управления режимами резания.

1.6. Выводы и результаты по главе.

2. Методика синтеза алгоритмов управления режимами процесса механообработки.

2.1. Основные принципы перехода к логическому управлению.

2.2. Методика синтеза алгоритма управления режимами резания.

2.3. Задача взаимодействия контуров управления силой и температурой резания.

2.4. Представление алгоритма ситуационного управления моделями теории конечных автоматов.

2.5. Выводы и результаты по главе.

3. Синтез алгоритмов логического управления температурносиловыми режимами процесса механообработкн.

3.1. Синтез алгоритма управления температурой резания.

3.1.1. Логический блок управления.

3.1.2. Параметрический блок управления.

3.1.3. Диаграмма переходов для блока логического управления по температуре резания.

3.2. Синтез алгоритма логического управления силой резания.

3.2.1. Логический блок управления.

3.2.2. Параметрический блок управления.

3.2.3. Диаграмма переходов для блока логического управления по силе резания.

3.3. Задача двухпараметрического управления.

3.4. Выводы и результаты по главе.

4. Численное моделирование работы алгоритмов логического управления.

4.1. Система логического управления температурно-силовым режимом процесса резания и основные его подсистемы. *

4.1.1. Синтез подсистемы управления температурой резания.

4.1.2. Синтез подсистемы управления силой резания.

4.2. Сравнительный анализ работы систем управления.

4.3. Результаты численного моделирования.

4.3.1. Моделирование при ступенчатом возмущении.

4.3.2. Моделирование нарастающего возмущения.

4.3.3. Моделирование режима прерывистого резания.

4.4. Выводы и результаты по главе.

Эффективность работы современного машиностроительного производства во многом определяется достигнутым уровнем его автоматизации. Основные задачи, стоящие перед станкостроением, сводятся к повышению производительности, точности обработки и надежности металлорежущих станков. Увеличение выпуска мехатронных станков и преимущественное оснащение ими машиностроительной отрасли требует решения вопроса максимального и надежного использования этого технически сложного оборудования для получения экономического и технического эффекта [1, 3, 18, 30]. В свою очередь, высокие требования к качеству изделий предъявляют еще более жесткие условия и ограничения к самому исполнительному оборудованию станочной системы.

Наиболее полно использовать эти возможности позволяют средства автоматизации технологических процессов (ТП) - системы автоматического управления (САУ). Они помогают уменьшить влияние возмущающих факторов в ходе выполнения ТП: разброс припусков, твердости и структуры материала заготовки, изменение режущих свойств инструмента и упругих деформаций в станочной системе. Наиболее актуален этот вопрос в задачах автоматизации металлообрабатывающего оборудования, представляющего собой САУ с многоконтурной обратной связью по идентифицируемым параметрам ТП, образованной техническими средствами информационно-измерительной системы (ИИС).

В настоящее время требования к повышению эффективности машиностроительного производства решаются за счет создания станочных модулей с новыми показателями, позволяющими повысить точность обработки деталей, быстродействие управления, уменьшить перерегулирование, добиться оптимальных режимов обработки.

Установлено [19, 30, 50, 54], что качество обрабатываемой поверхности и, в конечном счете, эксплуатационные свойства деталей определяются, прежде всего, температурно-силовым режимом обработки. Существующие технические решения и программные средства позволяют проектировать системы управления режимами резания, а именно, системы управления силой и температурой резания, физические параметры которых являются наиболее информативными величинами процесса резания (ПР), позволяющие обеспечить и осуществить максимальное использование функциональных возможностей станка и инструмента. Также следует отметить, что качество обработанной поверхности выпускаемой продукции механообрабатывающих производств зависит от точности определения оптимальных температурно-силовых условий обработки, от быстроты выхода на необходимый режим в реальном масштабе времени.

Вопросы, связанные с формированием программы и алгоритма управления температурой и силой резания на оптимальном уровне в оперативном режиме (в процессе обработки) в условиях неопределенности ПР, не получили пока достаточного развития. Это связано с отсутствием или неадекватностью моделей управляемых процессов и процедур их идентификации, ограничениями на количество используемых средств измерения в производственных условиях, косвенным измерением информативных физических величин и значительной их зашумленностью.

Проблема создания САУ ПР обусловлены сложностью технологического процесса резания как объекта управления - его стохастичностью, нелинейностью, нестационарностью, наличием малого объема априорной информации о форме и степени взаимосвязи между входными и выходными параметрами.

Существующие САУ ПР являются преимущественно системами статической оптимизации. Однако в условиях существенной нестационарности и неопределенности ПР только статическая оптимизация уже не обеспечивает требуемого по точности, быстродействию и технико-экономическим показателям качества. Это ведет к снижению эффективности применения САУ для управления процессом резания, так как процессы механической обработки характеризуются не всегда относительно постоянными режимами обработки или их изменением по жесткой программе, что ограничивает возможность достижения требуемых показателей качества деталей.

Большой вклад в решение этих задач внесли труды: Б. С. Балакшина, А. А Барзова., В. Ф. Безъязычного, В. JL Заковоротного, В. Ц. Зориктуева, А. Д. Макарова, В. Г. Митрофанова, В. Н. Михелькевича, С. С. Силина, Ю. М. Соломенцева, В. В. Трусова и др. Значительная работа по практической реализации таких систем была выполнена коллективом Московского станкостроительного института, Самарского государственного технического университета, Уфимского государственного авиационного технического университета, Рыбинской государственной авиационной технической академии и ряда других предприятий и вузов Российской Федерации. За рубежом разработкой САУ, использующих информацию о температурных и силовых режимах ПР, занимаются ведущие станкостроительные фирмы ФРГ, Японии, США и других стран.

Особенностью существующих станочных систем является реализация управления по физическим параметрам процесса контактного взаимодействия (температуре, силовым нагрузкам, электромагнитным параметрам и т.д.), причем стабилизация этих параметров происходит за счет изменения технологических параметров (скорости, подачи или глубины резания). В условиях неопределенности ПР существующие системы управления режимами резания, в которых управление осуществляется только по одному каналу — по температуре ©, за счет изменения скорости резания, или по силе Pz, за счет изменения подачи, не могут обеспечить необходимого быстродействия управления и, как следствие, качества и точности обработки деталей.

Эта проблема особенно актуальна для автоматизированного производства [1, 5], где оперативное вмешательство человека в процесс обработки затруднено или невозможно, поэтому обычно на практике устойчивая работа системы обеспечивается экспериментально в период наладки оборудования и пробных обработок деталей. Следовательно, возникает необходимость создания алгоритмов автоматического управления с требуемыми показателями по точности, качеству обработки деталей и быстродействию управления. Также следует отметить необходимость обеспечения станочной системы точными и быстродействующими датчиками технологических параметров ПР. Особое внимание еледует обратить на обрабатывающий инструмент, который в процессе резания подвергается многочисленным нагрузкам, через который определяются основные физические параметры процесса резания. Инструмент, являясь основным звеном в процессе резания, одновременно претерпевая его воздействия, становится особенно уязвимым элементом всей системы. Решением этой проблемы является разработка новых или совершенствование существующих систем управления (СУ), которые позволят осуществить в условиях малолюдной технологии, автоматическое определение и поддержание требуемых температур-но-силовых режимов обработки резанием для получения заданных параметров качества обработанной поверхности детали.

В рамках исследований, проводимых кафедрой автоматизированных технологических систем Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ), разработаны САУ ПР по температуре и силе резания, реализованные программпо-аппаратным способом и прошедшие практическую апробацию. Использование разработанных методик синтеза и алгоритмов управления позволило обеспечить выполнение комплекса требований к качеству управления ПР в различных режимах, улучшить технические характеристики САУ. Использование САУ ПР в производственных условиях позволило повысить производительность обработки (на 15 - 25%), снизить ее себестоимость за счет уменьшения расхода инструмента и процента брака изготовляемых деталей. Таким образом, решение вопросов динамической оптимизации и адаптации систем нижнего уровня создает благоприятные условия для решения задач управления технологическим процессом на более высоких уровнях.

Анализ результатов проведенных исследований [28, 30, 41] выявил, что в процессе резания интегрирование релейной схемы управления для снятия возникающих нагрузок обеспечивает снижение величины перерегулирования, что позволяет повысить защиту инструмента. Однако, даже при таком управлении величина перерегулирования остается порядка 10 — 15%, что является недопустимым значением. Существующие методы и технические устройства не могут обеспечить поддержание необходимых параметров по точности, качеству и быстродействию управления. Это связано с отсутствием необходимой модели, оперативного управления ПР, работающих в реальном масштабе времени. Для этого требуется определение необходимой структуры модели и условий решения данной проблемы [57, 62, 65]. Поэтому в процессе механообработки возникает необходимость создания новых алгоритмов управления, которые позволят решить вышеописанные проблемы и добиться обеспечения оптимального значения температурно-силового режима, влияющего на эксплуатационные характеристики обработанных деталей.

Помимо этого, следует отметить необходимость создания полностью автоматических систем, предполагающих переход и применение безлюдных технологий, возможность функционирования в условиях изменяющейся номенклатуры изделий, которая требует быстрой и эффективной перенастройки, возможность быстрой обработки и выдачи управляющих сигналов через каналы ИИС в реальном масштабе времени.

В настоящее время все большую популярность приобретает техника с цифровыми системами управления. Переход техники управления на цифровую базу позволяет реализовать сложные алгоритмы управления, основанные на достижениях современной теории управления. Применение современных технологических компонентов цифровой обработки сигналов открывает новые возможности для проектирования быстродействующих станочных систем, способных обеспечить прием и обработку сигналов в реальном масштабе времени. Применение цифровой технологии в системах управления позволит создать быстродействующие алгоритмы с возможностью многопараметрического управления несколькими каналами, реализуемые программным путем.

Использовать возможности цифровых технологий позволяют алгоритмы, в основе которых заложены законы алгебры логики. Таким образом, предлагается концепция логического управления температурно-силовыми режимами ПР для достижения оптимальных условий обработки в условиях неопределенности ПР. Преимущества логических алгоритмов управления объясняются возможностью создания многоуровневых, параллельно работающих СУ, для которых можно задать «единое время», обеспечиваемое промышленным компьютером или промышленным логическим контроллером (ПЛК) с малым значением тай-мерного интервала. Для этого достаточно обеспечить функционирование алгоритма в общем дискретном времени. Единое дискретное время позволит резко упростить процедуру обмена информацией между вычислительными процессами различных каналов управления. Протоколы данных, использующие единое время, могут в несколько раз увеличить скорость работы системы.

Исследования динамической устойчивости процесса резания, связанного с рассмотрением взаимосвязи силы, температуры резания и движения режущих инструментов относительно обрабатываемой детали, являются важной задачей. Влияние динамики процесса резания в настоящее время характеризуется устойчивостью станочной системы, которая определяет возможность использования тех или иных алгоритмов управления. Также необходимо отметить, что тай-мерные интервалы обработки информации с датчиков в системах ЧПУ класса NC (numerical control) и CNC (computer numerical control) составляли примерно 20 - 25 мс., а иногда даже и 100 - 150 мс. [54, 63]. Следовательно, такой период времени обработки сигнала датчика обратной связи в процессе резания в настоящее время является большим, так как в условиях неопределенности ПР за это время возникает вероятность воздействия и влияния различных параметров. Алгоритмы логического управления в совокупности с техническими возможностями промышленного компьютера позволят системе работать с единой частотой дискретизации, достигающей значения 1 мс.

В рамках разрабатываемого алгоритма логического управления в основу закладываются полученные результаты исследований о силе и температуре резания, математические зависимости, способы и динамические характеристики физических параметров, условия оптимального режима обработки и т.д. В качестве базовых моделей используются зависимости (1 - 4), которые позволят оценить характер и особенности технологического процесса резания и на их основе осуществить синтез алгоритмов логического управления.

P;=f(S, О P;=f(hJ e=f(K t)

1) (2)

3)

4)

Огромные усилия, затраченные учеными всего мира на рубеже 70-90 годов XX столетия [49, 78, 82], не привели к созданию, на основе алгебры Буля, приемлемой методики синтеза логических систем автоматического управления (САУ) технологическими установками (ТУ). Отсутствие приемлемой методики синтеза систем логического управления ПР не позволяют решить задачу управления элементами режима резания, несмотря на широкое применение подобных систем в других областях и их достоинства. Следовательно, задача разработки методики синтеза алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности является актуальной и наукоемкой.

Решение этой научно-технической задачи позволит разрабатывать с помощью современных инструментальных средств быстродействующие многосвязные системы управления режимами резания в реальном масштабе времени. Основным инструментом разрабатываемой методики синтеза является теория конечных автоматов, как средство представления работы дискретных устройств, как средство, позволяющее осуществить описание в доступной графически-визуальной форме с дальнейшей реализацией в виде программы.

Таким образом, разработка методики синтеза алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности позволит решить актуальную проблему, имеющую важнейшее научное как теоретическое, так и практическое значение, позволяющее перейти на новый принципиальный уровень управления ПР.

Решаемые в диссертации вопросы являются составной частью исследований, проводимых кафедрой автоматизации технологических процессов (АТП) Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках проекта РФФИ № АТ-ТС-13-08ГФ.

Целью работы является разработка алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности, обеспечивающих в реальном масштабе времени управление для формирования требуемых эксплуатационных свойств обрабатываемых поверхностей.

Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать методику синтеза алгоритмов логического управления процесса механообработки при обработке деталей в условиях неопределенности.

2. Разработать модели и алгоритмы управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки при раздельном и взаимосвязанном управлении в классе логических алгоритмов управления.

3. Оценить эффективность работы разработанных алгоритмов логического управления температурно-силовым режимом процесса механообработки на основе математического моделирования.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории автоматического управления, дискретной математики, теории резания, теории конечных автоматов.

На защиту выносятся:

1. Методика синтеза алгоритмов логического управления, в основу которого заложены элементы теории конечных автоматов, реализующие разработанный алгоритм взаимодействия различных управляющих и управляемых параметров.

2. Модели и алгоритмы взаимосвязанного логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности.

3. Анализ результатов математического моделирования работы алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки и рекомендации по их использованию.

Научная новизна работы

1. Новизна методики синтеза алгоритмов управления процессом механообработки заключается в представлении технологических параметров в интервальных шкалах, что позволяет описать технологический процесс резания через конечно-автоматные модели, обеспечивающий управление режимами работы станочной системы в реальном масштабе времени.

2. Новизна разработанных моделей систем логического управления по температуре и силе резания заключается в использовании ситуационного управления, оперирующего понятием «состояние» и возможностью формирования управляющего воздействия, позволяющего в условиях неопределенности процесса резания, связанных с изменением во времени физико-химических свойств материала детали и инструмента, обеспечить требуемое качество и точность обрабатываемой поверхности.

3. Новизна алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки заключается в идентификации его текущего состояния и оперативного управления этим процессом, позволяющего обеспечить требуемое качество обрабатываемой поверхности изготавливаемых деталей.

Практическая ценность полученных результатов

• Разработанная методика синтеза алгоритмов логического управления позволит обеспечить формирование требуемого тсмпературно-силового режима, влияющего на качество обработанной поверхности изготавливаемых деталей.

• Предложенные алгоритмы автоматического управления позволят обеспечить требуемое быстродействие системы управления многосвязным объектом по каналу температуры и силы резания, отражающееся на качестве и точности обработки.

• Результаты моделирования, в ходе которого определены области и условия эффективного применения алгоритмов логического управления в процессе механообработки в металлорежущих станочных системах.

Апробация работы

• Международная научно-техническая конференция «10th International Students Olympiad on Automatic Control» (Baltic Olympiad). Санкт-Петербург, 2004.

• Международная научно-техническая конференция «Мехатроника, робототехника, автоматизация». Москва, 2006.

• Международная научно-техническая конференция «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль». Тольятти, 2006.

• Научно-техническая конференция, посвященная 50-летию кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». Пермь, 2006.

• Школа-семинар молодых ученых и аспирантов. Уфа, 2007. Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты изложены в 1 статье, опубликованной в рецензируемом журнале из списка ВАК, в 4 статьях в журналах и сборниках научных трудов, а также в 1 статье, опубликованной в материалах конференций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполнения диссертационной работы:

1. Предложена методика синтеза алгоритмов логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки, основанная на управлении по ситуации, относящаяся к классу логических алгоритмов управления, использующая элементы теории конечных автоматов, позволяющая осуществить взаимосвязанное управление несколькими каналами в условиях неопределенности.

2. Осуществлен синтез алгоритмов логического управления основных подсистем, для которых определены: структура модуля управления, основные состояния, условия переходов, условия взаимодействия, представленные в виде диаграммы переходов. Решена задача взаимосвязанного управления для технологического процесса механообработки.

3. Проведены численные эксперименты. Результаты разработанных алгоритмов управления, по сравнению с существующими САУ ПР, оказались лучше: по быстродействию на 10 — 15%, по перерегулированию на 5 - 6%. Эти результаты показывают и подтверждают преимущество разработанных алгоритмов и позволяют сделать заключение о повышении эффективности работы станочной системы вследствие применения предложенной методики при управлении температурно-силовыми режимами процесса механообработки.

132

Заключение

В диссертации решена важная научно-техническая задача разработки алгоритмов логического управления. Актуальность работы обусловлена необходимостью автоматического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности, обеспечивающих требуемые эксплуатационные свойства ответственных деталей изделий машиностроения.

В результате выполненного анализа САУ ПР выявлен недостаток существующих систем управления режимами резания, обусловленного неопределенностью ПР, вследствие которого существующие системы автоматического управления не могут обеспечить устойчивую работу станочной системы. Следовательно, необходима разработка алгоритмов управления, позволяющих обеспечить максимальное быстродействие, точность и качество управления.

Предложена методика синтеза алгоритмов управления режимами резания, основанная на таких понятиях, как: «состояние» и «событие». Методика синтеза алгоритмов управления процессом механообработки основана на представлении технологических параметров в интервальных шкалах, что позволяет описать технологический процесс резания через конечно-автоматные модели, обеспечивающий управление режимами работы станочной системы при помощи алгоритмов логического управления.

Осуществлен синтез алгоритмов логического управления для подсистем управления температурой и силой резания, в ходе которого определена структура логического блока управления и функции переходов, структура параметрического блока управления, формирующего управляющее напряжение. Определены основные состояния, в которых может находиться каждая подсистема, и их взаимодействие через функции переходов, которые описываются в графической форме в виде диаграммы переходов.

Проведенное численное моделирование выявило, что разработанные алгоритмы обладают высоким быстродействием 7пп==0,002 с и низким значением перерегулирования а<5%.

1. Абчук, В. А. Управление в гибком производстве / В. А. Абчук, Ю. С. Карпенко. М.: Радио и связь, 1990. — 128 с.

2. Авдонин, Г. Т., Самохвалов, В. Н. Геометрия режущего инструмента и параметры резания: методические указания к лабораторным работам. — Самара: СамГАПС, 2002. 27 с.

3. Аверьянов, Г. С. Управление в технических системах: учеб. пособие / Г.С. Аверьянов, А. Г. Туровец, А. Б. Яковлев. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. - 80 с.

4. Алгоритм логического управления контурной скоростью в системах ЧПУ класса CNC / А. Р. Зарипов // Автоматическое управление: тр. 10-й Между-нар. конф. по автоматическому управлению. СПб.: ИТМО, 2004. С. 7985. (статья на англ. яз.).

5. Алиев, Р. А., Абднкеев, Н. М., Шахназаров, М. М. Производственные системы с искусственным интеллектом. — М.: Радио и связь, 1990. — 264 с.

6. Аккуратов, Г. В., Березнев, В. А., Брежнева О. А. О методе решения уравнения с булевыми переменными // Принятие решений в условиях неопределенности. Межвузовский научный сборник. Уфа: УАИ, 1990. С. 145 — 154.

7. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учеб. для студентов вузов /Б. Н. Ар-замасов и др.- 3-е изд. перераб. и доп. М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.-734 С.

8. Базров, Б. М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001. 368 с.

9. Блюмин, С. JL, Корнеев, А. М. Дискретное моделирование систем автоматизации и управления. Липецк: ЛЭГИ, 2005. — 124 с.

10. Богомолов, А. М., Салий, В. Н. Алгебраические основы теории дискретных систем. М.: Наука, 1997. - 367 с.

11. Ванин, В. А., Колодин, А. Н., Кулешов, Ю. В., Никитина, Л. X. Расчет динамических характеристик металлорежущих станков: учебное пособие. — Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2007. 120 с.

12. Васин, С. А., Верещака, А. С., Кушнер, В. С. Резание материалов: Термо-механпческий подход к системе взаимосвязей при резании: учеб. для техн. вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 448 с.

13. Ветошкин, А. Г., Марунин, В. И. Надежность и безопасность технических систем: Учебное пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. — 129 с.

14. Вивденко, Ю. Н. Технологические системы производства деталей наукоемкой техники: учеб. пособие для вузов по специальности "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств". — Омск: 2006.-558 с.

15. Веревкин, А. П., Кирюшин, О. В. Автоматизация технологических процессов и производств в нефтепереработки и нефтехимии: Учебное пособие. — Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005 170с.

16. Веревкин, А. П., Динкель В. Г. Технические средства автоматизации химико-технологических процессов: Учебное пособие. — Уфа: Изд-во Уфимского нефтяного института 1989. — 75с.

17. Грубый, С. В. Повышение эффективности аппроксимации многофакторных зависимостей резания металлов// Вестник МГТУ. — Машиностроение. -2000, №3.-С. 55-66.

18. Грубый, С. В. Рациональный выбор режимных параметров на токарных операциях// Технология металлов. 2001, №8. — С. 25-32.

19. Грубый, С. В. Оптимальное управление скоростью резания при одноинст-рументной токарной обработке// Технология металлов. 2002, №1. — С. 17— 24.

20. Грубый, С. В. Оптимизация режимных параметров на операциях механической обработки// Технология металлов. 2002, №11. - С. 33-37.

21. Грубый, С. В. Обеспечение качества поверхностного слоя с учетом особенностей изнашивания инструмента// Материалы Росс. НТК. Рыбинск: РГАТА, 2003. - С. 174-176.

22. Грубый, С. В. Моделирование процесса изнашивания твердосплавных резцов// Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение.: Сб. трудов между нар. НТК/ под общ. ред. А.Г. Суслова. — Брянск: БГТУ, 2003.-С. 53-56.

23. Грубый, С. В. Расчетная методика по исследованиям обрабатываемости конструкционных сталей и сплавов// Технология металлов. — 2003, №8. — С. 22-28.

24. Заковоротыый, В. JL, Борачев, Е. В. Информационное обеспечение системы динамической диагностики износа режущего инструмента на примере токарной обработки // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 1995, №3. — С.118-133.

25. Заковоротный, В. JL, Лукьянов, А. Д., Волошин, Д. А., Флек, М. Б. Моделирование процесса изнашивания инструмента с помощью интегральных операторов//СТИН. 2004. №3. С.9-14.

26. Зориктуев, В. Ц. Идентификация и автоматическое управление технологическими процессами в станочных системах: учебное пособие. — Уфа: УАИ, 1992.-118 с.

27. Зориктуев, В. Ц. Основы автоматизации и управление технологическими процессами в машиностроении: учеб. пособие для студентов технических вузов/ В. Ц. Зориктуев, Н. С. Буткин, А. Г. Схиртладзе Уфа: УГАТУ, 2000.-406 с.

28. Зориктуев, В. Ц., Хузин, И. С. Электропроводимость контакта "инструмент-деталь" физический и информационный параметр в станочных системах. -М.: Машиностроение, 1998. — 176 с.

29. Иглин, С. П. Математические расчеты на базе MATLAB.-СПб.: БХВ -Петербург, 2005. 640 с.

30. Кижаев, С. А. Методы аналитического синтеза систем автоматического управления / С. А. Кижаев. Самара.: Изд.-во «Самарский научно-технический центр», 2006. - 97 с.

31. Кижаев, С. А. Синтез регуляторов каналов для многомерной САУ бумаго-массного агрегата /С. А. Кижаев //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика-2005 -№ 11- С. 16-18.t

32. Кретинин, О. В., Кудрявцев, С. А. О возможном подходе к оценке контактных явлений при граничном трении. Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении /Сб. науч. Трудов. — Уфа: УГАТУ, 1997. - С.152-159.

33. Кондратьев, А.С., Ляпцев, А.В. Математическое моделирование: аналитические и вычислительные методы // Компьютерные инструменты в образовании. СПб.: Изд-во ЦПО "Информатизация образования", 2007, №5, С. 20-24.

34. Кудрявцев, С. А., Кретииин, О. В. О возможном подходе к оценке контактных явлений при граничном трении. — Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении /Сб. науч. трудов, Уфа: УГАТУ, 1997. С. 152-159.

35. Крушель, Е. Г., Степанченко, О. В. Информационное запаздывание в цифровых системах управления. Волгоград: ВолгГТУ, 2004. - 125 с.

36. Крыжановская, Ю. А. Основы Matlab: учебно-методическое пособие. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. - 42 с.

37. Крыжановская, Ю.А. Matlab для дискретных систем управления: учебно-методическое пособие. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. — 27 с.

38. Кушнер, В. С., Анализ и синтез механических систем: сб. науч. тр. / Ом-ГТУ, 2005.- 176 с.

39. Кушнер, B.C. Изнашивание режущих инструментов и рациональные режимы резания: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. — 138 с.

40. Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учеб. для студентов вузов. /Ю, М. Лах-тин, В. П. Леонтьева. 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990.-528 с.

41. Логико-программное управление температурно-силовым режимом процесса резания/ В. Ц. Зориктуев, А. Р. Зарипов // Вестник УГАТУ: науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. 2006. Т. 8, №1 (17). С. 78-82.

42. Логико-программное управление температурно-силовыми режимами процесса резания / А. Р. Зарипов // Интеллектуальные системы обработки информации и управления, зимн. шк.-сем. молодых ученых: сб. тр. Уфа: УГАТУ, 2007. С. 273-278.

43. Логическое управление температурно-силовым режимом процесса резания на мехатронных станках / А. Р. Зарипов // Мехатроника, робототехника, автоматизация: сб. науч. тр. М.: МГУПИ, 2006. С. 77-82.

44. Логическое управление температурно-силовым режимом процесса резания/ А. Р. Зарипов // Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством: матер.док. Пермь: ПГТУ, 2006. С. 36-39.

45. Лупал, А. М. Теория автоматов: Учебное пособие. — СПб.: ГУАП, 2000. — 119 с.

46. Лютов, А. Г. Синтез адаптивных систем оптимального управления меха-тронными станочными модулями. Дисс. д-ра техн. наук. — Уфа, 2005. — 410 с.

47. Методы классической и современной теории автоматического управления; учебник в 3-х т. Т.З: Синтез регуляторов систем автоматического управления / под ред. К. А. Пупкова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004614 с.

48. Мироновский, Л. А., Петрова, К.Ю. Введение в MATLAB: Учебное пособие. СПб.: ГУАП, 2006. - 164 с.

49. Митрофанов, В. Г., Калачев, О. Н., Схиртладзе, А. Г. и др. САПР в технологии машиностроения: Учебное пособие. Ярославль: Яросл. гос. техн. ун-т, 1995.-298 с.

50. Неумоина, Н. Г., Белов, А. В. Тепловые процессы в технологической системе резания: Учебное пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 2006. - 84 с.

51. Никитин, А. В., Шишлаков, В. Ф. Параметрический синтез нелинейных систем автоматического управления: Монография. СПб.: ГУАП, 2003. -280 с.

52. Никитин, Ю. А. Диагностика мехатронных систем // Интеллектуальные мехатронные системы/ Сб. науч. трудов. Уфа, 2003. — С.49-53.

53. Норенков, И. П., Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. -260 с.

54. Овсянников, Б. Л. Изучение устройства и работы системы 411У для вырезного электроэрозионного станка: методические указания к лабораторным работам по курсу "Технология и оборудование электрофизических методов обработки". -М.: МИЭМ, 2007. 25 с.

55. Основы автоматизации производства: учебник для вузов по специальности "Технология машиностроения"/ Е. Р. Ковальчук, М. Г. Косов, В. Г. Митрофанов и др.; под общ. ред. Ю. М. Соломенцева. — М.: Машиностроение, 1995.-312 с.

56. Постнов В. В. Интенсификация нестационарного резания труднообрабатываемых материалов на основе оптимизации термодинамических условий изнашивания режущего инструмента. Дисс. д-ра техн. наук. Уфа, 2005. — 390 с.

57. Поршнев, С.В. MATLAB 7. Основы работы и программирования. Учебник. ISBN: 5-9518-0137-0. Издательство "Бином. Лаборатория знаний" 2006г. — 320 с.

58. Прохоров, С. А. Моделирование и анализ случайных процессов: Лабораторный практикум. 2-е изд., перераб. и доп. — Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2002. 278 с.

59. Режимы резания труднообрабатываемых материалов / Под ред. Я. Л. Гуре-вича. Справочник. — М.: Машиностроение, 1986. —240 с.

60. Савельев, IT. В., Коняхин, В. В. Функционально-логическое проектирование БИС. М.: Высшая школа, 1990, 156 с.

61. Сениченков, Ю. Б. Не научные проблемы моделирования сложных динамических систем // Компьютерные инструменты в образовании. СПб.: Изд-во ЦПО "Информатизация образования", 2007, №1, С. 39-41.

62. Сергиенко, А. Б., Цифровая обработка сигналов СПб.: Питер, 2003. -604 с.

63. Сосонкин, В. Л., Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для вузов по специальности "Автоматизация технологических процессов и производств". — М.: Машиностроение, 1991. — 512 с.

64. Сосонкин, В. Л., Системы числового программного управления: Учеб. пособие./ В. Л. Сосонкин, Г. М. Мартынов М.: Логос, 2005. - 296 с.

65. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1 / под ред. А. М. Дальского. М.: Машиностроение, 2001. 912 с.

66. Степанов, Б. М. Организация вычислительных процессов. Конспект лекций по дисциплине "Системы реального времени". — Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2001. 41 с.

67. Терёхин, В. В. Моделирование в системе MATLAB. Часть 1. Основы работы в MATLAB: практическое пособие, Новокузнецк: Кузбассвузиздат, 2004. - 242 с.

68. Терёхин, В. В. Основы моделирования в MATLAB. Часть 2. Simulink: Учебное пособие. Новокузнецк: РИО НФИ КемГУ, 2004. - 304 с.

69. Управление динамическими системами в условиях неопределенности / Ку-симов С. Т., Ильясов Б. Г., Васильев В. И. и др. М.:Наука, 1998. - 452 с.

70. Федотов, А. В., К вопросу управления точностью обработки на обрабатывающих центрах // Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. научн. тр. / Тула: Тульский политехн.и-т,1991. С. 20-28.

71. Фрайден Дж., Современные датчики. Справочник./ Дж. Фрайден М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

72. Черных, И В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. 2007. 150 с.

73. Шалыто, А. А. Автоматное проектирование программ. Алгоритмизация и программирование задач логического управления // Известия Академии наук. Теория и системы управления. № 6. Ноябрь-Декабрь 2000. С. 63-81.

74. Шалыто, А. А. Логическое управление. Методы аппаратной и программной реализации. СПб.: Наука, 2000. - 780 с.

75. Шалыто, А. А. SWITCH-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления./ А. А. Шалыто — Спб.: Наука, 1998. — 628 с.

76. Шалыто, А. А. Использование граф схем алгоритмов и графов переходов при программной реализации алгоритмов логического управления // Автоматика и телемеханика, 1996. № 6, 7.

77. Штовба, С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB. Издательство: Горячая Линия Телеком, 2007. - 288 с.

78. Юдицкий, С. А., Мачергут, В. 3. Логическое управление дискретными процессами. М.: Машиностроение, 1992. — 160 с.

79. Янбухтин, Р. М., Интенсификация токарной обработки труднообрабатываемых материалов с учетом вибрационных явлений, Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении // Сб. науч. трудов. Уфа: УГАТУ, 1997. - 140 с.

80. Ящирицын, П. И, Еременко, М. Л., Фельдштейн, Е. Э. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: учеб. для вузов Мн. высш. шк., 1990. 512 с.

81. Dimla D.E. Sr. a, P.M. Lister b. On-line metal cutting tool condition monitoring. I: force and vibration analyses, International Journal of Machine Tools & Manufacture 40 (2000)

82. Ghasempoor A., Moore T. N. and Jeswiet J. 1998 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers B, Vol. 212, 105-112. On-line wear estimation using neural networks.

83. Kantz H., Schreiber T. Nonlinear time series analysis. Cambridge University Press, Cambridge, 1997.

84. Kugiumtzis D., Lingjaerde O.C., Christophersen N. Regularized local linear prediction of chaotic time series // Physica D. 1998. V. 112. P. 344-360.

85. Kuljanic E., Sortino M. TWEM, a method based on cutting forces—monitoring tool wear in face milling. Department of Electrical, Management and Mechanical Engineering—DIEGM, University of Udine, Udine, Italy, June 2004

86. Manning C. D., Schutze H. Foundations of Statistical Natural Language Processing. MIT Press, 1999, 680 p.

87. Maydl W. and Sick B. 2000 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN 2000), Vol. 6, Como, 73-78. Recurrent and non-recurrent dynamic network paradigms: A case study.

88. Quan Y., Zhou M. and Luo Z. 1998 Engineering Applications of Arti,cial Intelligence 11, 717-722. On-line robust identification of tool-wear via ultisensor neural network fusion.

89. Scheffer С. a, H. Kratz b, P.S. Heyns a, F. Klocke b. Development of a tool wear monitoring system for hard turning // International Journal of Machine Tools & Manufacture 43 (2003)

90. Silva R. G., Baker K. J., Wilcox S. J. and Reuben R. L. 2000 Mechanical Systems and Signal Processing 14, 287-298. The adaptability of a tool wear monitoring system under changing cutting conditions.

91. Steven Y.Liang, Rogelio L. Hecker, Robert G. Machining Process Monitoring and Control: The State-of-the-Art. Landers Journal of Manufacturing Science and Engineering, MAY 2004, Vol. 126/297

92. Shao H., Wang H.L., Zhao X.M. A cutting power model for tool wear monitoring in milling. International Journal of Machine Tools & Manufacture 44 (2004), February 2004

93. Wilkinston A.J. Constriction resistance concept applied to wear measurement of metal-cutting tools. Proc. IEE. vol. 188. - №2. - 1971. - P. 381-386.