автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка системы числового программного управления для высокопроизводительного бездефектного равномерно-регулируемого пластичного микрошлифования оптических поверхностей

На правах рукописи

□034Э0483

Ньи Ньи Шейн

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО БЕЗДЕФЕКТНОГО РАВНОМЕРНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПЛАСТИЧНОГО МИКРОШЛИФОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность: 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ЯНВ 2010

Москва-2010 г.

003490489

Работа выполнена на кафедре «Систем автоматического управления и контроля» Московского государственного института электронной техники (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук,

А. В. Щагин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Гагарина Л.Г.

кандидат технических наук А. С. Дмитриев.

Ведущая организация: ОАО «НИИ точного машиностроения»,

г. Москва

Защита диссертации состоится « »_2010 года в

_:_ часов на заседании диссертационного совета Д212.134.04 при

Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498 Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «_»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Обработка материалов является одной из важнейших отраслей деятельности человека и лежит в основе различных отраслей промышленности. Наряду с металлами в настоящее время все большее применение находят минералы. Кроме традиционных сфер применения в строительстве и ювелирной промышленности, минералы, особенно в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение при производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий.

Однако поверхностная обработка минералов в отличие от металлов, имеет свои особенности, связанные с широким разбросом физических свойств минералов, их анизотропией, наличием включений и других особенностей их строения. В связи с этим при шлифовании минералов использование основных закономерностей шлифования металлов требует введения дополнительных эмпирических коэффициентов, учитывающих свойства минерала. В технологическом процессе формообразования поверхности при обработке минералов особое значение приобретает качество обработки поверхности с минимизацией отходов сырья для применения кристаллической формы минералов, в том числе алмаза и лейкосапфира, а в микроэлектронике при изготовлении подложек интегральных микросхем (ИМС).

При поверхностной обработке материалов на первый план выходит вопрос недопустимости возникновения сколов, трещин, микродефектов и дислокаций в основной массе материала. Требуется прецизионное удаление поверхностного слоя минерала с получением нанометрового рельефа поверхности с минимальным количеством дефектов, привнесенных процессом обработки. Одним из решений в данной ситуации является реализация способа размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых, хрупких, оптических и микроэлектронных материалов с помощью компьютерного средства числового программного управления.

Согласно существующей статистике, большинство шлифовальных станков нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. Модернизация средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей. Современные требования, предъявляемые к объектам управления, заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса.

В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную точность, заданные параметры и быстродействие технологических процессов на объектах управления.

Одним из решений в данной ситуации является модернизация устаревших систем управления с использованием современных (программируемых контроллеров) микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению приводами и механизмами. Использование микропроцессоров, а так же построение систем управления с применением распределенной архитектуры, обеспечивает надежность и эффективность системы управления. Добавление программируемого контроллера к числовой системе управления даёт ряд очень важных преимуществ. Применение контрольно-обрабатывающих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов позволяет оптимизировать работу оборудования в различных режимах и обеспечить эффективное и надежное функционирование основного технологического оборудования в целом.

Работа решает проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур, что позволяет отказаться от сложной технологии химико-механической полировки в агрессивных средах и существенно повысить выход годной продукции.

Применение в структуре многопроцессорной автоматической системы управления позволяет реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка многопроцессорной системы числового программного управления для высокопроизводительного бездефектного равномерно-регулируемого пластичного микрошлифования оптических поверхностей.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

• исследование объекта управления при разных способах

шлифования;

• разработка структурных и функциональных схем системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• разработка передаточных функций системы управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• построение архитектуры многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий;

• создание математических моделей системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;

• исследование качества функционирования системы управления в процессе микрошлифования поверхности изделий;

• оценка отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

• разработка резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;

• разработка способа интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

• исследование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования, методы проектирования систем управления, теория систем числового программного управления и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

• предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания, получение оперативной, достоверной и достаточной информации с

последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданных выходных параметров;

• предложены математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых хрупких материалов;

• разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У и г станка при плоском микрошлифовании изделий;

• разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У, Ъ, А и В станка при размерном микроишифовании изделий;

• созданы алгоритмы приводов перемещения и вращения приспособления для крепления режущего инструмента шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий;

• проведен анализ качества функционирования системы управления при вариации параметров управления процессом микрошлифования;

• предложен способ автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;

• разработаны структурные схемы многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией;

• исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

• предложен алгоритм управления резервной функцией;

• предложен алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

Практическая значимость работы заключается в следующих

результатах:

• разработанные способ и устройство для микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий обеспечивают получение высокого качества оптических характеристик поверхностей изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) с гарантированной суперпрецизионной точностью размеров заданной

формы;

на основе моделирования определены характеристики автоматических устройств управления процессом микрошлифования, а именно: оптимальная постоянная микронеровность поверхности изделия не больше, чем величина 0,05 мкм; наибольшая величина снимаемого припуска при дискретной врезной подаче 0,7(3) мкм/проход не превышает 160 мкм.

разработанная структурная схема многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией позволяет повысить вероятность безотказной работы системы управления;

результаты исследования отказоустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями, внедрены при оценке надежности микропроцессоров за требуемое время обработки; разработанный способ интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка используется в многопроцессорной системе при отказе любого привода;

результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» МИЭТ.

На защиту выносится:

архитектура системы числового программного управления процессами размерного микрошлифования сложно-профильных поверхностей одного изделия и группы изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов); структурные и функциональные схемы системы управления шлифовального станка с системой числового программного управления с использованием приводов перемещения вдоль координатных осей станка, датчиков силы резания и системы оперативного контроля;

математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов; анализ качества функционирования системы управления для получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;

• структурные схемы многопроцессорной системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности и сложно профильных поверхностей изделий;

• способ обеспечения отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями и резервной функцией управления;

• резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора и ее алгоритмы;

• способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

• алгоритмы работы приводов перемещения и вращения инструментов шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий.

Реализация результатов диссертационной работы

В качестве практического применения системы управления приведена реализация многопроцессорной системы числового программного управления с использованием современных микропроцессоров при решении проблемы автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:

1. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, Москва, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.

2. Конференция «Научная сессия МИФИ-2008, Сборник научных трудов, Том 13, Автоматизиронные системы обработки информации и управления», (МИФИ, Москва, 2008 г.).

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе две работы в журнале, входящем в список, утвержденный ВАК. Без соавторов опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 190 страниц основного текста, 70 рисунков и 9 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и приводится ее краткая характеристика. Формулируются цель работы, задачи исследования, и представляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ существующих автоматических систем управления процессами шлифования изделий. В качестве объектов системы управления рассматриваются приводы шлифовального станка и приспособления обрабатываемых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов). Рассмотрены различные способы шлифования изделий, проанализированы существующие системы автоматического управления процессами шлифования. Отмечаются особенности способов шлифования. Например, способ кругового шлифования связан с необходимостью охлаждения инструментов путём разбрызгивания жидкого охладителя во время удаления материала или какой-то другой обработки материала. Типичными примерами таких устройств являются плоские и круговые шлифовальные устройства. Недостатком выше указанных обычных шлифовальных устройств является то, что жидкий охладитель, который используется в больших количествах для предотвращения перегрева поверхности обрабатываемого изделия и шлифовального колеса, подается на горизонтальную верхнюю поверхность и таким образом сильно влияет на температуру определённой части станины, особенно в области, которая может повлиять на качество обрабатываемого изделия. Неоднородные изменения в температуре станины обратно пропорционально влияют на качество обработки, т.е. точность конечного изделия. В настоящее время появилась возможность оснащения шлифовального оборудования высоконадежными и быстродействующими системами автоматики, в основе которых используются последние достижения в области микроэлектроники и числового программного управления (ЧПУ) процессами. В работе проведен анализ наиболее известных систем числового программного управления шлифовальным оборудованием. Задача системы числового программного управления шлифовальным оборудованием - повысить производительность и надежность, способность осуществлять микрошлифование плоской и сложно-профильной формы изделий, получить гарантированную суперпрецизионную точность размеров

заданной формы. КПД шлифования в значительной мере зависит от качества процесса системы числового программного управления. В реальных условиях микрошлифование происходит посредством упругой обрабатывающей системы шлифовального станка с программным управлением инструментом, который имеет инструментальную поверхность со связанными режущими зернами.

Схема реализации системы числового программного управления при обработке плоской поверхности одного изделия приведена на рис. 1.

Приводы перемещения суппорта со столом по осям — X, У и Z станка

5 =

I 8

П.

I £

Блок!у111аь:!Ч1' | : ' двнглсдь

Клокуирааяеиия ^|"ма10кый диигате-и качения

Блокуправясйкя Шаговый двигатель}»- | Местном „—™ аийг-и&а

¡ения Н Шаговый двигатель}-»!;

Блок управлений ■ г ни1Гг-гаиха

привод вращения приспособления для крепления режущего инструмента

' ----1_И ) 1,1 | '>

'--1 'Л1Щ т-|усия^гепь- —

Рис . 1. Схема реализации способа микрошлифования при обработке плоской поверхности одного изделия.

В результате анализа и синтеза системы числового программного управления процессами, реализуемыми шлифовальным станком, предложены алгоритмы управления приводами перемещения по соответствующим координатам, выбраны и обоснованы элементы системы управления, определена функция взаимодействия приводов с системой числового программного управления шлифовальным оборудованием. Для оценки способов обеспечения заданного качества изделий при проведении процессов микрошлифования предложено разработать математическую модель процесса, оценить качество управления заданными и полученными параметрами при осуществлении технологического процесса шлифования. Во второй главе разработана модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в

себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрошлифования и получение оперативной информации с использованием этой информации для получения заданных выходных параметров, разработаны передаточные функции, функциональные и структурные схемы системы управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов), проведена разработка алгоритмов автоматической системы числового программного управления для размерного микрошлифования изделий. При размерно-регулируемом микрошлифовании изделий в режиме пластичности необходимо снять пластически с обрабатываемой поверхности единичную стружку с помощью каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности, то есть без потери упругости в обрабатывающей системе станка. Для этого необходимо ввести в программу предел упругости системы на сжатие и расчетные параметры интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия, а затем осуществить шлифование обрабатываемой поверхности заготовки изделия путем сложного движения. Во время осуществления микрошлифования в точке касания обрабатываемой поверхности с вершиной каждого режущего зерна, пьезоэлектрический датчик силы непрерывно измеряет величину статической и динамической составляющих силы резания. В этом режиме непрерывно осуществляется корректировка, по меньшей мере, одного из параметров интенсивности съема припуска так, чтобы в каждой точке касания величина динамической составляющей упругой деформации не превышала заданную высоту микронеровностей, а сумма величин статической и динамической составляющей упругой деформации не превышала заданного предела упругости на сжатие этой системы.

В одном варианте выполнения устройство может содержать приспособление для крепления одного обрабатываемого изделия. В другом варианте выполнения устройство может содержать приспособление для крепления группы обрабатываемых изделий, содержащих, по меньшей мере, два обрабатываемых изделия. Устройство для групповой обработки сложной пространственной формы изделий дополнительно снабжено подключенным через интерфейс связи к компьютеру средства числового программного управления многоканальным цифровым регистратором сигналов,

многоканальным цифровым пьезоэлектрическим приводом, приводом (5) поворота приспособления для крепления обрабатываемого изделия вокруг оси А, параллельной координатной оси X станка, и приводом (6) поворота этого приспособления с изделием вокруг оси В, пересекающей под прямым углом координатную ось А станка. Схема реализации системы ЧПУ при обработке сложно-профильных поверхностей групповых изделий из анизотропного материала показана на рис. 2.

11ривод (2) продольного перемещения стола по оси X станка Привод (3) продольного перемещения суппорта со столом по оси У станка •

Привод (4) перемещения суппорта со столом п оси £ станка

ё

И ||

Н

¡е^ЧТЖН-

<—с^+ШПК-

<—им: н-■*—<]<ПН0>

<—<Ни>

Блок управления Шаговый двигатель ^^ Блок управления Шаговый двигатель винт-гайка

Блок управления Шаговый двигатель «=

-#¿1 Блок управления Шаговый двигатель

Л а»™»«™ Й15^"."»»™-^ "Мех вщп*-"

^ | Блок управления Шаговый двигатель редуктор

Блок управления ПТаг.двигатсль [^►^дактор || ^^^

*( 1"т-™р 'Щ я.«™! / Д"

пособления для

шструиента Привод (9) вращения шпинделей

Привод (8) вращения приспособлений

■синя юделнй вокруг оси В силовая мет,'-

Рис. 2. Схема реализации способа при обработке сложно-профильных поверхностей групповых изделий из анизотропного материала.

Передаточная функция для приводов перемещения суппорта со столом по координатным осям X ,У и Ъ станка определяется выражением:

^(р)=(И^эю. Жуу. РГд.1Гв.^//+(1Гэем. И^. Жд.Жв.г.к), где 1¥Э(Ш - передаточная функция электронной вычислительной машины\\Vyy - передаточная функция устройства управления; \¥д -передаточная функция шагового двигателя; - передаточная

функция механизма типа винт-гайка качения.

Третья глава посвящена математическому описанию объекта управления (шлифовального станка) и интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия. Разработаны математические модели системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских поверхностей и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов), предложены и исследованы режимы автоматического поиска наилучшей постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования и качество функционирования системы (ЧПУ) при осуществлении процесса микрошлифования. Для исследования основных закономерностей, характеризующих процесс микрошлифования, используется метод автоматического поиска при наличии случайных возмущений.

При осуществлении процесса микрошлифования в точке касания обрабатываемой поверхности изделия с вершиной каждого режущего зерна вращающейся производящей инструментальной поверхности появляются следующие помехи: /; - случайное возмущение, вызывающее дрейф характеристики, с корреляционной функцией

Д/((т) = «,(<>)«"" (1)

Здесь ядо) - дисперсия дрейфа экстремума; а- статистическая характеристика дрейфа;- нестационарность режущих характеристик производящей инструментальной поверхности режущего инструмента, точность и жесткость расположения вращающейся производящей инструментальной поверхности относительно плоскости формообразования (соответственно в пределах 0,1 мкм по осевому и радиальному биению, а также по жесткости радиальных и осевых опор), которые влияют на точность глубины врезной подачи. Такая помеха /2 представляет собой высокочастотный белый шум со спектральной плотностью В0- при со>со1 и Б=0 при со < со2-

При этом обеспечивается возможность на несколько десятичных порядков увеличить диапазон дискретности перемещения исполнительных органов станка на каждую единицу управляющего импульса, а также повысить точность обработки любой величины дискретности в упомянутом диапазоне не грубее, чем величина микронеровности поверхности изделия е, например, равной 0,05 мкм. В непрерывных поисковых системах, в которых пробные движения

совпадают по времени с рабочими, но разнесены по частотам, для борьбы с помехами используются фильтрующие свойства синхронного детектора. Целью исследований систем при случайных возмущениях является определение наилучших параметров съема микронеровностей с поверхности изделия е. На рис.3 а) и б) приведены структурные схемы системы ЧПУ с синхронным детектором.

МП

V/

щ

X

ф

Хф)

1 . к

р 1+рТ

Щ

а) б)

Рис. 3. а) и б). Структурная схема системы ЧПУ с синхронным детектором.

Кроме подавления высших гармоник поискового сигнала фильтр снижает влияние помехи /2 на точность глубины врезной подачи: чем больше постоянная времени Т фильтра, тем лучше будет фильтроваться помеха и тем меньше величина составляющей от ^ в общей ошибке системы. С другой стороны, чем больше Т, тем медленнее следит система за дрейфом экстремума и тем больше величина составляющей от /у в общей ошибке системы. Таким образом, возникает задача о выборе оптимальной постоянной времени фильтра. Критерием оптимальности является при этом минимум общей ошибки системы, в качестве которой можно принять дисперсию отклонения от экстремума е = /1-х в процессе поиска.

На рис. 4. а) показана реализация математической модели выбора наилучшей постоянной величины микронеровности поверхности изделия г в программном пакете МАТЬАВ и б) показаны полученные результаты в процессе микрошлифования поверхности изделия при наличии случайных возмущений.

Анализируя полученные показатели качества САУ с синхронным детектором, отметим, что в процессе микрошлифования поверхности

Случайные возмущения Огттмальная величина высоты микронеровности_

а)

б)

Рис. 4.

20 40 60 80 100. 120

Вр»м» оСртботхшяроцяссш шпоерелтаЩе*к)

изделия при подавлении силы резания на поверхность изделия и при наличии нестационарности режущих характеристик производящей инструментальной поверхности режущего инструмента, биения и жесткости расположения вращающейся производящей инструментальной поверхности относительно плоскости формообразования выбирается оптимальная постоянная микронеровность поверхности изделия е не больше, чем величина 0,05 мкм.

Далее рассмотрено качество функционирования системы (ЧПУ) при осуществлении процесса микропшифования поверхностей изделий до достижения значений заданных параметров. На рис. 5. представлена функциональная схема и передаточная функция замкнутой системы автоматического управления (САУ) для осуществления процесса микропшифования поверхности изделия.

Заданные параметры интенсивности съема припуска

^эвм

** О'

Выходные параметры

интенсивности съема припуска

Рис. 5. Структурная схема замкнутой системы управления для осущесшления процесса микрошлифования поверхности изделия.

1¥(Р)=(1УЗЫ. ИЦ /1+ (1Уэвм. ^ . р¥ос) , где 1-Квм - передаточная функция электронной вычислительной машины; - передаточная функция процесса микрошлифования; Л2 -микронеровность поверхности изделия.

Скорость продольной подачи вдоль прямолинейной траектории по координатной оси X, равна 75 мм/сек. Заданная высота микронеровностей на обработанной поверхности готового изделия Яг определяется

. ©

2 /

С помощью математической модели, реализованной в программном пакете МАТЬАВ (рис. 6), исследовано качество функционирования системы ЧПУ и полученные результаты показаны на рис.7, а) и б).

-Кг-0.0005 т

100 Щ 200 Щ

Фактическая постоянная время переходных процессов резания (сек)

200 400 60Й 800

Фактическая постоянная время переходных процессов резания (сек)

а) б)

Рис .7. а) и б). Изменение фактической постоянной времени Тф переходных процессов резания при Я = 5*10"4 м; Д, = 5*10"5 м.

Рис. 6. Реализация математической модели устройства управления процессом микрошлифования поверхностей изделий до достижения значений заданных параметров.

Далее рассмотрим наибольшую величину снимаемого припуска Нг вдоль координатной оси Ъ, описанную по уравнению (3), равную +160 мкм.

Задается начальная скорость врезной подачи, равная 2 мкм/сек, или начальная величина ^дискретной врезной подачи = 0,7(3)

мкм/проход. Знаменатель д0 = 0,99541(6) убывающей (по закону геометрической прогрессии) дискретной врезной подачи от одного продольного прохода к другому определяется по мере постепенного удаления припуска с обрабатываемой поверхности изделия (яо= 1-0,7(3)/160) = 0,99541(6). С помощью программного пакета МАТЪАВ/ втшИпк исследована зависимость наибольшей величины снимаемого припуска Н2 от различных дискретных врезных подач при =

0,99541(6), показанная на рис. 8. Исследования показывают, что при увеличении величины наибольшая величина снимаемого припуска

Нг тоже увеличивается.

Рис. 8. Зависимость наибольшей величины снимаемого припуска Н2 от дискретной врезной подачи при 80г =0.53 мкм/проход; ¿; =0.63 мкм/проход; = 0.73 мкм/проход.

В четвертой главе разработана и предложена реализация многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией и интерактивным управлением задержкой

привода, а также исследована вероятность безотказной работы системы в зависимости от интенсивности отказов элементов системы. Наличие микропроцессора в каждом приводе управления позволяет использовать на практике более современную многопроцессорную систему управления, в которой каждый из контролируемых приводов в одной группе управляется отдельно от других контролируемых приводов в группе отдельным контроллером с замкнутым контуром. На рис. 9. представлена схема реализации способа микрошлифования при групповой обработке плоских поверхностей изделий из изотропных материалов с помощью многопроцессорной системы управления с резервной функцией. В каждом приводе устанавливается соответствующий микропроцессор, который подключен к центральному процессору через отдельную двунаправленную шину передачи. Все микропроцессоры играют роль не только главных, но и резервных. Каждый из всех приводов в штатном режиме управляется независимым микропроцессором, имеющим функцию мониторинга за работой, по крайней мере, еще одного микропроцессора через шины передачи сигналов.

Рис. 9. Схема реализации способа микрошлифования при групповой обработке плоских поверхностей изделий из анизотропных материалов

с помощью многопроцессорной системы управления с резервной функцией.

В случае если какой-то микропроцессор выходит из строя, система управления сразу же заменит этот микропроцессор другим микропроцессором, который продолжает выполнять функции вышедшего из строя микропроцессора. Более того, каждый привод имеет ключ, через который микропроцессоры разных приводов связываются между собой. Каждый привод, как правило, управляется одним микроконтроллером, но по команде управление может быть передано другому микроконтроллеру. Все операции каждого микроконтроллера исполняются в соответствии с программой, которая сохраняется в соответствующих ОЗУ. Резервное управление каждым микропроцессором осуществляется с помощью соответствующих ключей путем сигнализации. Если существуют два независимых контроллера, которые необходимо резервировать главным контроллером, выполнение резервной программы обеспечивается до полного парирования отказа. Кроме того, в каждом ключе устанавливается мажор для маскирования сбоев путем резервирования и определения наличия сбоев, идентификации и блокировки неисправных каналов, число которых на единицу больше кратности маскируемых сбоев, сигналы которых подают на общий выход, и по сигналам, полученным от детекторов сбоев, входящих в состав каждого канала, производят блокировку прохождения сигналов от каналов, в которых произошли сбои и пропускают на выход тот из сигналов от исправных каналов, который приходит первым по времени.

Многопроцессорные системы ЧПУ, наряду с высоким быстродействием, естественным образом обеспечивают высокую надежность и отказоустойчивость. Это достигается за счет многопроцессорности и способности к реконфигурации системы управления. В данной работе надежность и отказоустойчивость рассматриваются преимущественно в отношении оборудования, а не программного обеспечения.

Основным понятием теории надежности является отказ, под которым понимают случайное событие, нарушающее работоспособность изделия. Применительно к вычислительной технике различают два вида отказов: устойчивые (собственно отказы) и самоустраняющиеся (сбой, перемежающиеся отказы). Сбой возникает вследствие одновременного неблагоприятного изменения нескольких

параметров и существует кратковременно. Перемежающиеся отказы могут возникать, например, при плохом контакте в соединителе.

Как сказано выше, основными параметрами надежности для невосстанавливаемых изделий являются следующие параметры: -вероятность безотказной работы Р(0 по формуле (4);

= (4)

где Р,(0 - вероятность безотказной работы / - го элемента за время /; г - время работы элемента; Я,- - интенсивность отказов /-го элемента с учетом его коэффициента электрической нагрузки, температуры окружающей среды и т.п.

- интенсивность отказов X и среднее время безотказной работы Т. Они определяются по формулам

А=——' N■1

(5)

(6)

Здесь т - число изделий, отказавших за время I, а N - число исправных элементов на начало промежутка времени. Следовательно, X определяет долю (а не количество) изделий, отказавших в единицу времени, в качестве которой обычно принимают один час. Интенсивность принимается постоянной на этапе нормальной эксплуатации изделий.

Для микросхем обычно Я =10~6...10~8 1/час, поэтому среднее время безотказной работы большое: Т=1О6...103 часов. Но в систему управления обычно входят сотни элементов и функциональных узлов. Поскольку

л*с=^ ^

ы

и вероятность безотказной работы системы записывается в виде

Р (8)

* система \ / 5 4 у

где Хис, Я, - интенсивность отказов системы и микросхемы соответственно, а N - число микросхем в составе микропроцессорной системы (МС). Время безотказной работы МС может составлять всего десятки или сотни часов.

Рассмотрим показатели надежности МС, применяемых для систем управления в реальном времени. Как говорилось выше, наработка на

отказ МС невысока. Основной способ повысить ее - резервирование. Различают два вида резервирования: общее и поэлементное. При общем резервировании резервируются все микропроцессоры, т. е. в случае выхода из строя он заменяется таким же. При поэлементном резервировании резервируются отдельные части МС и в случае отказов они заменяются идентичными. Общее резервирование значительно повышает надежность системы, в частности для системы без восстановления вероятность безотказной работы Ррез(() равна:

= (9)

где Р(1) - вероятность безотказной работы одной МС, а т - число МС в системе. Так, еслиР(1) = 0,9, а/и = 2 (используется дублирование), то РрезО) = 0,99. Для восстанавливаемых систем и при т = 3...4 резервирование позволяет достичь высоких характеристик надежности. На рис.10 приведена вероятность безотказной работы Ррез(0 в зависимости от числа микропроцессоров при Р(0 = 0,9.

Вероятность бозотказной работы Рре 3(1) в зависимости от числа микропроцессоров

число микропроцессоров

Рис. 10. Характеристики вероятности безотказной работы Ррез(0 в зависимости от числа микропроцессоров.

При наличии двух микропроцессоров надежность системы составляет 0.99, при наличии трех - надежность системы заметно повышается и составляет 0.998. Однако резервирование неэкономично, так как объем оборудования возрастает в т раз, а производительность остается на уровне одной МС. Такую систему нельзя назвать и параллельной, поскольку в последней каждый МС выполняет независимую работу. Значительно эффективнее работает многопроцессорная система ЧПУ, реализующаяся с помощью способа, заключающегося в маскировании сбоев путем резервирования и включающем определение наличия сбоев, идентификацию и

блокировку неисправных каналов для маскирования сбоев. Например, микропроцессор состоит из общих элементов, таких как генератор импульсов (ГИ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), микроконтроллер (МК) и т. д. Кроме того, в каждом ключе устанавливается мажор для маскирования сбоев всех каналов, чтобы обеспечить отказоустойчивость системы. Вероятность безотказной работы P(t) такого состояния определяется по формуле:

Р(0 = [/,3+ЗР2(1-Р)] (Ю)

Используя условие (10), в качестве примера рассмотрим качество вероятности безотказной работы P(t) с использованием мажора при разных значениях вероятности Р. Примеры расчетных значений показаны в таблице (1), а на рис. 11. показан сравнительный анализ без и с использованием мажора.

Таблицаi

№. Эксперимент Вероятность безотказной работы Вероятность безотказной работы с использованием мажора

1 0.96 0.995328

2 0.97 0.997354

3 0.98 0.998816

4 0.985 0.99933175

5 0.99 0.999702

6 0.995 0.99992525

7 0.999 0.999997002

Сравнительный анализ

1.005

012345678

Рис. 11. Сравнительный анализ вероятности безотказной работы микроконтроллера с использованием мажора и без него.

Далее определяется вероятность безотказной работы P(t) микроконтроллера. Для этого необходимо определить интенсивность отказов л каждого элемента, находящегося в составе микроконтроллера. Затем, используя условие (7) и (8), рассчитаем суммарную интенсивность отказов Л всех элементов и вероятность безотказной работы микроконтроллера. С применением этих значений и условия (10) рассчитаем вероятность безотказной работы системы за двадцать пять тысяч часов при использовании мажора. В таблице (2) показаны расчетные результаты вероятности безотказной работы системы, а полученные показатели показаны на рис. 12.

Таблица (2)

Время обработки (час) ВБР без мажора Вероятность безотказной работы с помощью мажора

1 0.999998 1

2 0.999996 0.9103925

3 0.999993 0.99 8633

4 0.999991 0.9'7570

5 0.999989 0.9® 6203

24995 0.945313 0.9213552

24996 0.945311 0.9213545

24997 0.945309 0.9213539

24998 0.945307 0.9213532

24999 0.945305 0.9213526

25000 0.945303 0.9213519

Анализируя полученные показатели из графика видно, что использование мажора в системе обеспечивает более высокую вероятность безотказной работы, чем без использования мажора. В настоящей главе для повышения сбоеустойчивости данной системы рассматривается алгоритм резервной функции управления микроконтроллерами для организации процедур обмена данными, диагностирования и восстановления и др. В многопроцессорной системе числового программного управления (ЧПУ) с помощью резервной функции управления в случае отказа гостевого контроллера, каждый контроллер выполняет резервное управление отказавшим гостевым контроллером и управляет другим гостевым контроллером, который был под управлением отказавшего гостевого контроллера, используя шину передачи сигнала соответствующего контроллера. Показано, что для мониторинга и резервного управления возможно отслеживать и осуществлять резервное управление любого количества

гостевых контроллеров путем увеличения памяти для хранения необходимой информации и данных для гостевых контроллеров.

ваоннвЕсх.

г к ¡/^к й&гср ад««: ; ЙШ::;!' Ш =!;:! =:. ^ 1 :::; "! :: ;■ ; V: V:': 'Ж: *:

Рис.12. Полученные показатели ВБР многопроцессорной системы ЧПУ без мажора (а) и с использованием мажора (б).

Показано, что резервная функция управления микропроцессорами позволяет повысить сбоеустойчивость и отказоустойчивость системы числового программного управления (рис.12).

Кроме того, при осуществлении процесса микрошлифования в устройстве может появиться отказ любого привода. При обнаружении остановки любого привода система управления выполняет интерактивное управление задержкой привода станка, которое рассмотрено в настоящей главе. Проблема обнаружения остановки привода решается с помощью оператора и специалиста по алгоритму действия программы управления, выполненной микроконтроллером системы управления при остановке своего ассоциированного привода.

В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложениях представлены функциональная схема операционной программы для каждого микропроцессора при отказе любого микропроцессора и алгоритм действия образцовой программы управления, выполненный микроконтроллером для эффективности управления при остановке своего ассоциированного привода.

Основные результаты работы

В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы были получены следующие результаты: исследован объект управления при разных способах шлифования;

• разработана модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрошлифования и получение оперативной информации с использованием этой информации для получения заданных выходных параметров;

• разработаны передаточные функции, функциональные и структурные схемы системы управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• разработаны математические модели системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских поверхностей и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• предложена структура многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий;

• реализована многопроцессорная система числового программного управления с использованием современных микропроцессоров при решении проблемы автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых, хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур.

• предложена резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;

• разработан способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

• проведено математическое моделирование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами;

в работе получены характеристики многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов):

микронеровность обрабатываемой поверхности готового изделия равна ~ 0.05 мкм (50 нм).

при групповой обработке микрошлифования производительность увеличивается в количество раз, соответствующих числу обрабатываемых изделий.

обеспечена эффективность, сбоеустойчивость и отказоустойчивость системы управления благодаря применению способа маскирования сбоев в каналах системы, использованию резервной функции управления и интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Ньи Ньи Шейн. Система управления для размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых и хрупких материалов. Конференция «Мэ и Инф», МИЭТ, апр. 2007 г., с. 261.

2. Ньи Ньи Шейн. Многопроцессорная система управления с резервной функцией для размерного микрошлифования одного изделия и групповой обработки сложно-профильных поверхностей изделий. Конференция «Мэ и Инф», МИЭТ, апр. 2008 г., с. 206).

3. Ньи Ньи Шейн. Система управления для размерного микрошлифования одного изделия и групповой обработки сложно-профильных поверхностей изделий. (Конференция «Научная сессия МИФИ-2008, Сборник научных трудов, Том 13, Автоматизиронные системы обработки информации и управления», МИФИ, с.95,2008 г.).

4. Ньи Ньи Шейн. Следящая система солнечной батареи. (Сборник научных трудов / под ред. В.И. Каракеяна, с. 153,2006г., МИЭТ).

5. Ньи Ньи Шейн. Исследование и разработка источников энергия на основе аморфных солнечных батарей со следящей системой. Конференция «Мэ и Инф», МИЭТ, апр. 2006 г., с, 254.).

6. Щагин А. В., Ньи Ньи Шейн. Система управления для размерного микрошлифования изделий. (Сборник научных трудов / Под ред. В.А. Бархоткина, с. 143,2008г., МИЭТ.).

7. Ньи Ньи Шейн. Многопроцессорная система управления с резервной функцией для микрошлифования одного изделия и групповой обработки плоских поверхностей изделий. (Аспирант и соискатель № 1 (49)2009г., с. 105).

8. Ньи Ньи Шейн. Резервное управление при микрошлифовании изделий из сверхтвёрдых и хрупких материалов с помощью многопроцессорной системы числового программного управления (ЧПУ) (Аспирант и соискатель № 1 (49)2009г., с. 107).

9. Щагин А. В., Ньи Ньи Шейн. Математическое моделирование вариации параметров управления режущими инструментами (Журнал «Оборонный Комплекс» ISSN 1729-6552,2' 2009, с.33-38).

10. Ньи Ньи Шейн. Многопроцессорная система управления с интерактивным управлением задержкой привода станка для размерного микрошлифования сложно-профильных поверхностей изделий. Конференция «Мэ и Инф», МИЭТ, апр. 2009 г., с. 213).

11. Ньи Ньи Шейн. Исследование качества функционирования системы числового программного управления (ЧПУ) при осуществлении процесса микрошлифования плоских поверхностей изделий до достижения значений заданных параметров.//Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов/ Под ред. С.П. Тимошенкова. - М.: МИЭТ, 2009 г.

12. Ньи Ньи Шейн. Автоматический поиск оптимальной постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования в системе числового программного управления (ЧПУ). «Естественные и технические науки» №3, 2009 г., с. 228-230.

13. Ньи Ньи Шейн, Щагин А. В. Система числового программного управления для высокопроизводительного микрошлифования оптических поверхностей. «Естественные и технические науки» № 6, 2009 г. (в процессе публикации)

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. М Тираж № экз. Заказ.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ШЛИФОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ.

1.1. Способ плоского шлифования.

1.2. Способ аддитивно-адаптивного шлифования и устройство для его осуществления.

1.2.1. Анализ указанного способа шлифования.

1.2.2. Результаты анализа способа аддитивно-адаптивного шлифования

1.3. Круговое шлифовальное устройство.

1.3.1. Анализ кругового шлифовального устройства.

1.4. Способ управления процессом круглого шлифования.

1.4.1. Анализ способа управления процессом круглого шлифования

1.4.2. Результаты анализа способа управления процессом круглого шлифования.

1. 5. Способ размерного микрошлифования изделий, устройство для его осуществления и приспособление для крепления обрабатываемых изделий.

1.5.1. Сравнительный анализ способа размерного микрошлифования изделий с вышеуказанными способами шлифования.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗМЕРНОГО МИКРОШЛИФОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ.

2. 1. Анализ вариантов аппартно-программной реализации системы управления размерного микрошлифования.

2. 1. 1. Анализ требований предъявляемых к системе управления процессом микрошлифования плоских поверхностей изделий.

2. 1.2. Анализ требований предъявляемых к системе числового программного управления (ЧПУ) процессом микрошлифования сложно-профильных поверхностей изделий.

2.1.3. Разработка системы числового программного управления (ЧПУ) процессом микрошлифования плоских поверхностей изделий. 50 2. 1.4. Исследование процесса микрошлифования групповых изделий с помощью трех режущих инструментов.

2.2. Синтез алгоритмов работы для приводов перемещения по координатным осям станка.

2. 2. 1. Алгоритм работы приводов перемещения суппорта со столом по координатным осям X и У станка.

2. 2. 2. Алгоритм работы приводов перемещения суппорта со столом по координатной оси Ъ станка.

2. 2. 3. Алгоритм работы приводов поворота приспособления изделий вокруг оси А и В, и привода вращения шпинделя приспособления изделий при обработке сложно-профильных поверхностей.

2. 2. 4. Алгоритм работы, многоканального цифрового регистратора сигналов.

2. 2. 5. Алгоритм работы многоканального цифрового пьезоэлектри ческого привода.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗМЕРНОГО

МИКРОШЛИФОВАНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ ХРУПКИХ ИЗДЕЛИЙ.

3. 1. Вывод основных уравнений, описывающих способ микрошлифования при обработке плоской поверхности одного изделия. 80 3. 2. Разработка и исследование автоматического поиска оптимальной постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования.

3.2. 1. Общая характеристика оптимальных автоматических систем управления.

3. 2. 2. Математическая модель автоматического поиска оптимальной постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования.

3. 3. Исследование качества функционирования системы (ЧПУ) при осуществлении процесса микрошлифования плоских поверхностей изделий до достижения значений заданных параметров.

3. 4. Математическое моделирование при вариации параметров управления режущими инструментами.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. МНОГОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МИКРОШЛИФОВАНИЯ ПЛОСКИХ И СЛОЖНО-ПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С РЕЗЕРВНОЙ ФУНКЦИЕЙ.

4. 1. Общая характеристика многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий.

4.2. Построение и реализация архитехтуры многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий.

4. 3. Обеспечение отказоустойчивости многопроцессорной систем ЧПУ.

4.4. Принципы построения унифицированных отказоустойчивых микропроцессорных систем управления.

4. 4. 1. Способы построения отказоустойчивых систем автоматического управления.

4. 5. Метод оценки отказо-сбоеустойчивости вычислительной системы, резервированной по схеме голосования с многократными связями.

4. 6. Оценка надежности многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования поверхностей изделий.

4.7. Разработка алгоритма резервной функции управления микропроцессорами при отказе любого микропроцессора в системе управления.

4.8. Разработка алгоритма интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода.

Выводы по главе 4.

Обработка материалов является одной из важнейших отраслей деятельности человека и лежит в основе различных отраслей промышленности. Наряду с металлами в настоящее время все большее применение находят минералы. Кроме традиционных сфер применения в строительстве и ювелирной промышленности, минералы, особенно в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение при производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий.

Однако поверхностная обработка минералов в отличие, от металлов имеет свои особенности, связанные с широким разбросом физических свойств минералов, их анизотропией, наличием включений и других особенностей, их строения. В связи с этим при шлифовании минералов использование основных закономерностей шлифования металлов требует введения дополнительных эмпирических коэффициентов, учитывающих свойства минерала.

Расширение области применения минералов (в том числе кристаллов) ставит задачу их поверхностной обработки с заданными выходными параметрами для различных сфер применения. Технологический процесс формообразования поверхности при обработке минералов можно рассматривать как процесс удаления поверхностного слоя (ПС) минерала с формированием поверхности заданной шероховатости и неплоскостности. Особое значение приобретает качество обработки поверхности с минимизацией отходов сырья для применения кристаллической формы минералов, в том числе алмаза и лейкосапфира, например в микроэлектронике при изготовлении подложек интегральных микросхем (ИМС).

Подложка, изготовленная из кристаллов (кремния, лейкосапфира, алмаза и других твердых материалов), выполняет роль механического носителя и отводит тепло от микросхемы в процессе её работы. Поэтому для изготовления подложек применяются кристаллические минералы, обладающие большой твердостью и высокой теплопроводностью (лейкосапфир, алмаз).

При поверхностной обработке материалов на первый план выходит вопрос недопустимости возникновения сколов, трещин, микродефектов и дислокаций в основной массе материала. Требуется прецизионное удаление поверхностного слоя минерала с получением нанометрового рельефа поверхности с минимальным количеством дефектов, привнесенных процессом обработки. Одним из решений в данной ситуации является реализация способа размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых, хрупких, оптических и микроэлектронных материалов с помощью компьютерного средства числового программного управления (ЧПУ).

Устройство для осуществления выбранного способа содержит станок, а его упругая обрабатывающая система содержит закрепленное на станке приспособление для крепления режущего инструмента. Под этим приспособлением размещен суппорт, на котором установлен стол с приспособлением для крепления обрабатываемого изделия. При этом устройство имеет привод продольного перемещения стола в плоскости формообразования по координатной оси X станка, привод продольного перемещения суппорта со столом в плоскости формообразования по координатной оси У станка, привод перемещения суппорта со столом по координатной оси Ъ станка, а также привод вращения приспособления для крепления режущего инструмента. Кроме того, устройство содержит компьютерное средство числового программного управления (ЧПУ). Его управляющие выходы электрически связаны с соответствующими приводами вращения приспособления для крепления режущего инструмента и перемещения стола и приспособления для крепления обрабатываемого изделия по координатным осям X, У и Ъ станка.

Микрошлифование происходит посредством упругой обрабатывающей системы шлифовального станка с программным управлением инструментом, который имеет производящую инструментальную поверхность со связанными режущими зернами. При размерно-регулируемом микрошлифовании изделий в режиме пластичности необходимо снять пластически с обрабатываемой поверхности единичную стружку с помощью каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности, то есть без потери упругости в обрабатывающей системе станка. Для этого необходимо ввести в программу числового программного управления (ЧПУ) предел упругости системы на сжатие и расчетные параметры интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия, а затем осуществить шлифование обрабатываемой поверхности заготовки изделия путем сложного движения. Конструктивная особенность системы оперативного контроля и многоканального цифрового пьезоэлектрического привода состоит в том, что датчик является общим элементом. Датчик силы (пьезопреобразователь) обладает высоким быстродействием и чувствительностью, достаточной для регистрации динамики дискретного процесса периодического одновременного (синхронного) отделения множества единичных стружек.

Во время осуществления микрошлифования в точке касания обрабатываемой поверхности с вершиной каждого режущего зерна, пьезоэлектрический датчик силы непрерывно измеряет величину статической и динамической составляющих силы резания. В этом режиме непрерывно осуществляется корректировка, по меньшей мере, одного из параметров интенсивности съема припуска так, чтобы в каждой точке касания величина динамической составляющей упругой деформации не превышала заданную высоту микронеровностей, а сумма величин статической и динамической составляющей упругой деформации не превышала заданного предела упругости на сжатие этой системы. При данном способе, система числового программного управления позволяет обрабатывать изделия и детали сложной формы в режиме пластического микрошлифования с высокой точностью получения заданных размеров. Однако система управления обладает существенными недостатками и не может решить все многообразие задач, которые в настоящее время возникают в области современной распределенной системы управления.

Согласно существующей статистике, большинство шлифовальных станков нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. Модернизация средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей. Современные требования, предъявляемые к объектам управления^ заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса. В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную точность, заданные параметры и быстродействие технологических процессов на объектах управления.

Одним из решений в данной ситуации является модернизация устаревших систем управления с использованием современных (программируемых контроллеров) микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению приводами и механизмами. Использование микропроцессоров, а так же построение систем управления с применением распределенной архитектуры, обеспечивает надежность и эффективность системы управления. Добавление программируемого контроллера к числовой системе управления даёт ряд очень важных преимуществ. Первое, аппаратуру программируемого микроконтроллера не надо изменять при соединении многопроцессорной числовой системы управления с разными типами приводов. Вместо этого, программируемый микроконтроллер программируется так, чтобы позволить ему связаться с интерфейсом данного привода. Во вторых -хотя программные интерфейсы уже известны много лет в системах числового управления, основанного на миникомпьютерах, но программируемые микроконтроллеры легче использовать при программировании благодаря набору прилагаемых инструкций и способности редактировать. Применение контрольно-обрабатывающих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов, позволяет оптимизировать работу оборудования в различных режимах, и обеспечить эффективное и надежное функционирование основного технологического оборудования в целом. Работа решает проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур, что позволяет отказаться от сложной технологии химико-механической полировки в агрессивных средах и существенно повысить выход годной продукции.

Применение структуры многопроцессорной автоматической системы управления, позволяет реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики.

Вопросами теории и практики цифровой системы числового программного управления шлифовальным станком занимались такие отечественные и зарубежные ученые, как Коныпин A.C., Прилуцкий В.А., Степанов Ю.С., Афонасьев Б.И., Костин Н.В., Mine Н., Hatayama К., Hiroshi Kamimura., Jerry F. Mallard и другие.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка многопроцессорной системы числового программного управления для высокопроизводительного бездефектного равномерно-регулируемого пластичного микрошлифования оптических поверхностей.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач: исследование объекта управления при разных способах шлифования; разработка структурных и функциональных схем системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• разработка передаточных функций системы управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов); построение архитектуры многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий;

• создание математических моделей системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;

• исследование качества функционирования системы управления в процессе микрошлифования поверхности изделий.

• оценка отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

• разработка резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;

• разработка способа интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода; исследование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования, методы проектирования систем управления, теория систем числового программного управления, экстремальная система и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

• предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя"формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания, получение оперативной, достоверной и достаточной информации с последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданных выходных параметров; предложены математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых хрупких материалов;

• разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У и г станка при плоским микрошлифовании изделий; разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У, Ъ, А и В станка при размерном микрошлифовании изделий; созданы алгоритмы приводов перемещения и вращения шлифовального станка при плоским и размерном микрошлифовании изделий;

• проведен анализ качества функционирования системы управления при вариации параметров управления процессом микрошлифования; разработана автоматизация процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы; разработаны структурные схемы многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией;

• исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями; предложен алгоритм управления резервной функцией;

• предложен алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:

• разработанные способ и устройство для микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий обеспечивают получение высокого качества оптических характеристик поверхностей изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) с гарантированной суперпрецизионной точностью размеров заданной формы;

• на основе моделирования определены характеристики автоматических устройств управления процессом микрошлифования, а именно:

- оптимальная постоянная микронеровность поверхности изделия не больше, чем величина 0,05 мкм;

- наибольшая величина снимаемого припуска при дискретной врезной подачи 0,7(3) мкм/проход не превышает 160 мкм.

• разработанная структурная схема многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией позволяет повысить вероятность безотказной работы системы управления;

• результаты исследования отказоустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями, внедрены при оценке надежности микропроцессоров за требуемое время обработки;

• разработанный способ интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка используется в многопроцессорной системе при отказе любого привода;

• результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Система автоматического управления и контроля» МИЭТ и в учебно-методических разработках по курсу "Алгоритмические и технические средства обработки сигналов".

Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены соответствием свойств исходных данных решаемой задачи постановке научной задачи и используемым методам ее решения.

Достоверность результатов работы подтверждается также результатами вычислительных экспериментов и их сопоставлением с показателями частотных методов.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

• предложение модели, позволяющей реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания получение оперативной, достоверной и достаточной информации для получения заданных выходных параметров;

• разработка функциональной модели управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У и Z станка при плоским микрошлифовании изделий;

• разработка функциональной модели управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У, Ъ, А и В станка при размерном микрошлифовании изделий;

• алгоритмы приводов перемещения и вращения шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий;

• разработка автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;

• исследование качества функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами;

• разработка структурных схем многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией;

• исследование отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

• алгоритм управления резервной функцией управления;

• алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

Научные положения, выносимые на защиту

• архитектура системы числового программного управления процессами размерного микрошлифования сложно-профильных поверхностей изделий одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• структурные и функциональные схемы системы управления шлифовального станка с системой числового программного управления с использованием приводов перемещения вдоль координатных осей станка, датчиков силы резания и системы оперативного контроля;

• математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;

• анализ качества функционирования системы управления для получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;

• структурные схемы многопроцессорной системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности и сложно профильных поверхностей изделий;

• отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

• резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора и ее алгоритмы;

• способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;

• алгоритмы работы приводов перемещения и вращения инструментов шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2006» (Москва, 2006 г.);

• 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2007» (Москва, 2007 г.);

• 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2008» (Москва, 2008 г.).

• 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2009» (Москва, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двенадцати печатных работах, в их числе три статьи в научных журналах, три статьи в сборниках научных трудов, пять публикаций в тезисах докладов Всероссийских межвузовских научно-технических конференций, в том числе одна статья в журнале, входящем в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Выводы по главе 4

1. Предложена архитектура многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий.

2. Разработана многопроцессорная система числового программного управления с резервной функцией управления микроконтроллерами.

3. Выведено выражение, определяющее вероятность безотказной работы системы управления.

4. Исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями.

5. Разработан алгоритм управления резервной функцией управления микроконтроллерами.

6. Разработан алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее распространенным способом шлифования изделий является способ размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых, хрупких, оптических и микроэлектронных материалов был реализован с помощью компьютерного средства числового программного управления (ЧПУ), позволяет многократно повысить производительность за счет групповой обработки изделий независимо от сложности их формы и с учетом индивидуальных свойств материала каждого изделия с минимизацией их весовых потерь.

Благодаря развитию микроэлектроники, система ЧПУ процессом шлифования поверхностей изделий нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. В связи с этими средствами решается задача модернизации устаревших систем управления с использованием современных (программируемых микроконтроллеров) микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению приводами и механизмами и построения архитектуры многопроцессорной системы управления с резервной функцией. В результате этого многопроцессорная система ЧПУ позволяет повысить сбоеустойчивость и отказоустойчивость системы управления, обеспечивающей процесс микрошлифования изделий.

В заключении подводятся итоги проведенной работы. В ходе диссертационной работы:

• Проведен анализ существующих автоматических систем управления процессами шлифования изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);

• Разработана модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания и получение оперативной информации с использованием этой информации для достижения заданных выходных параметров;

• Разработаны передаточные функции, функциональные и структурные схемы системы управления процессом микрошлифования плоских и сложнопрофильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов); Разработаны математические описания системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских поверхностей и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов); Предложена архитектура многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и группы изделий;

Реализована многопроцессорная система числового программного управления с использованием современных микропроцессоров при решении проблемы автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур;

Рассмотрена общая характеристика оптимальных автоматических систем управления и синхронного детектирования для процессов шлифования; Разработана система ЧПУ с синхронным детектором, обеспечивающая оптимальную постоянную микронеровность поверхности изделия г не больше чем величина 0,05 мкм при подавлении силы резания на поверхность изделия и при наличии случайных возмущений;

Предложена резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;

Разработан способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода; Исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления за 25000 часов, резервированной по схеме голосования с многократными связями;

Проведено математическое моделирование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами;

• В работе получены характеристики многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов):

- микронеровность обрабатываемой поверхности готового изделия равна -0.05 мкм (50 нм).

- при групповой обработке микрошлифования производительность увеличивается в количество раз, соответствующих числу обрабатываемых изделий. предложен способ обеспечения сбоеустойчивости и отказоустойчивости системы управления методом резервирования по схеме голосования с многократными связями.

1. Блинов И. Г. и др. Оборудование полупроводникового производства. М.: Машиностроение, 1986, с. 109.

2. Патент Российской Федарации РФ №-2182069-С2. Способ плоского шлифования.

3. Костин Н.В., Костин А.Н. Автоматизированное обеспечение знакопеременных деформаций в срезаемом слое при шлифовании // Станки и инструменты. 1990. № 5.- С.19-20.

4. A.c. СССР № 1796414, МКИ В 24 В 1/00, Опуб.23.02.93.Бюл.№ 7- прототип.

5. Панфилов Ю.В. и др. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные работы. -М.: Радио и связь, 1988, с. 29-31.

6. Патент Российской Федарации РФ №-2118248-С1. Способ аддитивно-адаптивного шлифования и устройство для его осуществления.

7. Патент Российской Федарации РФ №-2173249-С2. Способ управления процессом круглого шлифования.

8. Коньшин А.С (RU), Сильченко О.Б. (RU). Патент Российской Федарации РФ №-2165837- С1- В 24 В 1/00, 5/00.

9. A.c. 1274906, БИ 15, 86; И. М. Буюкли.

10. A.c. 1389993, БИ 15, 88; В 24 В 1/00, А. В. Королев, А. Ф. Гущин, E.H. Гулецкий.

11. Щагин А. В., Ньи Ньи Шейн. Математическое моделирование вариации параметров управления режущими инструментами (Журнал «Оборонный Комплекс» ISSN 1729-6552, 2' 2009, с.33-38).

12. Способ кругового шлифования.

13. Патент Российской Федарации РФ №- 2123627.

14. Патент Российской Федарации РФ №- 2047473.

15. Патент Российской Федарации РФ №-2019384.

16. Патент Российской Федарации РФ №-2019386.

17. Патент Российской Федарации РФ №-779052.

18. К. Мицутани, Т. Кавако, И. Танака "Стол с пьезоэлектрическим приводом и его применение для микрошлифования керамических материалов". Прецмссион Инженеринг N 4, 1991 г., с. 219-226.

19. Патент Российской Федарации РФ №-1281385.

20. Патент Российской Федарации РФ №-878540.

21. Патент Российской Федарации РФ №-779052.

22. Патент Российской Федарации РФ №-722746.

23. Патент Российской Федарации РФ №-1302572.

24. Патент Российской Федарации РФ №-2162398.

25. Патент Российской Федарации РФ №-2168406.

26. Патент Российской Федарации РФ №-2155661.

27. Патент Российской Федарации РФ №-2183546.

28. Казакевич В. В., Родов А. К. Системы автоматического управления в нелинейных системах. М., 1973.

29. Ньи Ньи Шейн. Автоматический поиск оптимальной постоянной микронеровности поверхности изделия при наличии случайных возмущений в процессе микрошлифования в системе числового программного управления (ЧПУ). «Естественные и технические науки».

30. А. Е. Коваленко, В. В. Гула. Киев «Техника», 1986. Отказоустойчивые микропроцессорные системы.

31. Авижевис А. Отказоустойчивость свойство, обеспечивающее постоянную работоспособность цифровых систем.-Тр. Тр.ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, 1978, т.66, № 10, с 5 —15.

32. Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы М.: Радио и связь, 1982.—326 с.

33. Патент Российской Федарации РФ №-2047899.38i Отказоустойчивая вычислительная система с тремя вычислительными машинами. X. Ихара, К. Фукуока, Ю Кубо и др.—Тр.ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, 1978, с. 66, № 10, с. 68—89.

34. Пархоменко П. П. О технической диагностике.—М.: Знание, 1969.—64с.

35. Г.И. Шпаковский. Организация параллельных ЭВМ и суперскалярных процессоро.

36. Реннельс Д. А. Архитектура космических бортовых вычислительных систем, устойчивых к отказам.—Тр. по электротехнике и радиоэлектронике, 1978, с. 66, № 10, с. 186 — 205.

37. Справочник по цифровой вычислительной технике/Под ред. Б. Н. Малиновского.—К.: Техника, 1980.—320 с.

38. Makam С. К. Avizienis A. Modeling and analysis of periodically renewed closed fault—tolerant systems.—Proceedings of the FTCS—11, 1981, p.134—141.

39. Mine П., Hatayama K. Performance evaluation of fault tolerant computing system. Proceedings of the FTCS—9, 1979, p. 59—62.

40. Hiroshi Kamimura; Tetsuo Ito, both of Hitachi, Japan, United States Patent No. 4542479, Distributed Control System.

41. Черных И. В. SIMUL1NK: среда создания инженерных приложений / Под общ. ред. к.т.н. В. Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.-496 с.

42. Костин Н.В., Костин А.Н. Автоматизированное обеспечение знакопеременных деформаций в срезаемом слое при шлифовании // Станки и инструменты. 1990. - № 5. С. 19—20.

43. Патент Российской Федерации РФ №-1309444.

44. Щагин А. В., Ньи Ньи Шейн. Система управления для размерного микрошлифования изделий. (Сборник научных трудов / Под ред. В.А. Бархоткина, с. 143,2008г., МИЭТ.).

45. Ньи Ньи Шейн. Многопроцессорная система управления с резервной функцией для микрошлифования одного изделия и групповой обработки плоских поверхностей изделий. (Аспирант и соискатель № 1 (49)2009г., с. 105).

46. Ньи Ньи Шейн. Резервное управление при микрошлифовании изделий из сверхтвёрдых и хрупких материалов с помощью многопроцессорной системы числового программного управления (ЧПУ) (Аспирант и соискатель № 1 (49)2009г., с. 107).

47. Патент Российской Федерации РФ №-2173249.

48. Патент Российской Федерации РФ №-2162398.

49. Патент Российской Федерации РФ №-2168406.

50. Патент Российской Федерации РФ №-2155661.

51. Патент Российской Федерации РФ №-2183546.

52. Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем, М, Сов. Радио, 1978 г.

53. Широков A.M. Надежность радиоэлектронных устройств, М, Высшая школа, 1972 г.

54. Комиссия в следующем составе:

55. Председатель комиссии Щагин Анатолий Васильевич, д.т.н., зав. кафедрой САУиК1. Члены комиссии:

56. Николаев В.Т., к.т.н., проф. каф.САУиК;

57. Председатель комиссии: Члены комиссии:

58. Функциональная схема операционной программы для каждогомикроконтроллера.1. Начало ^13.

59. Выполнение резервной функцией управлениягостевым ко!ггроллером

60. В настоящем приложении приведен алгоритм действия образцовой программы управления, выполненный микроконтроллером для эффективности управления при остановке своего ассоциированного привода.1. Начало1

61. Описание некоторых из показателей качества функционирования системы приведено в таблице.