автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение качества процесса чистовой токарной обработки на основе стабилизации преобразующих свойств динамической системы станка

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

На правах рукописи

Карпов Александр Николаевич

Обеспечение качества процесса чистовой токарной обработки на основе стабилизации преобразующих свойств динамической системы станка

Специальности 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент и 05.13.07 -Автоматизация технологических процессов и производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор

Б.М.Бржозовский

Научный консультант: д.т.н., с.н.с. В.В.Мартынов

Саратов -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................8

1.1 Основные направления повышения точности механической обработки детали..........................................................................................8

1.2 Использование частотных методов в задачах повышения точности оборудования..............................................................................................24

1.3 Постановка задач исследования................................................................ 31

2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРЕОБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА..........................38

2.1 Нелинейная модель динамической системы токарного станка.............39

2.1.1 Исходные предпосылки к созданию модели....................................39

2.1.2 Структурно-функциональный анализ динамической системы токарного станка.................................................................................41

2.1.3 Идентификация типовых звеньев модели.........................................45

2.1.4 Типовое соединение динамической системы...................................48

2.2 Моделирование процессов в динамической системе.............................57

2.2.1 Результаты моделирования в линейном приближении....................58

2.2.2 Результаты нелинейного моделирования..........................................64

2.3 Сопоставительный анализ результатов моделирования.........................80

2.4 Обоснование требований к автоматизированной системе стабилизации процесса резания.................................................................91

2.5 Выводы......................................................................................................94

3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ .. 97

3.1 Аппаратная часть системы.......................................................................98

3.2 Программная поддержка системы.........................................................106

3.3 Результаты метрологической поверки системы....................................117

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ.......................124

4.1 Общая методика проведения исследований.........................................124

4.2 Результаты исследований по стабилизации преобразующих свойств. 126

4.3 Результаты исследований по мониторингу преобразующих свойств.. 132

4.4 Сопоставительный анализ результатов исследований.........................141

4.5 Алгоритмическое обеспечение системы...............................................156

4.6 Выводы....................................................................................................160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................,....163

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

С переходом к рыночной экономике российские машиностроительные предприятия столкнулись с проблемами ужесточения требований к качеству изделий и процессов их производства, а также необходимостью оперативного реагирования на изменение спроса на ту или иную продукцию. Однако, собственные финансовые ресурсы и ситуация, сложившаяся в российском машиностроительном комплексе, не могут в полной мере обеспечить решение этих проблем, в том числе и в связи с невозможностью приобретения предприятиями нового оборудования, в частности, станков и станочных комплексов. То же оборудование, которое имеется на предприятиях, уже не способно эффективно осуществлять процесс не только расширенного, но и простого воспроизводства. Это связано с тем, что длительная эксплуатация станков, даже в условиях наличия развитой системы технического обслуживания и профилактических ремонтов, приводит к постепенному изменению их свойств (в том числе, преобразующих), определяющих способность устойчиво противодействовать нагрузкам (в частности, колебаниям), возникающим в динамической системе при резании. В результате изменяются законы движения рабочих органов и, как следствие, усложняется процесс управления ими в рамках традиционных задач ЧПУ. Поэтому актуальными являются теоретические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование процесса формирования управляющих воздействий, в частности, на преобразующие свойства динамической системы станка по результатам автоматизированной оценки ее фактического состояния.

Цель работы: Обеспечение качества процесса чистовой токарной обработки на основе стабилизации преобразующих свойств динамической системы станка.

В процессе выполнения работы обоснована неоходимость учета влияния нелинейных элементов в задачах моделирования процессов, протекающих в динамических системах станков при резании. Разработана нелинейная модель динамической системы токарного станка и выполнено исследование ее типового соединения, по результатам которого обоснован показатель, позволяющий количественно оценивать эффект преобразования спектра колебаний динамической системы станка при резании и предложена стратегия стабилизации ее преобразующих свойств. Выполнено моделирование как нормального (стационарного) резания, так и процессов, вызванных изменениями по различным законам силы резания: вынужденных колебаний (периодическими), импульсного воздействия (мгновенными), наростообразования (скачкообразными) и износа режущего инструмента (плавными), по результатам которого предложена функциональная схема автоматизированной системы стабилизации процесса резания. Разработана аппаратная и программная поддержка системы, проведены ее экспериментальные и практические исследования на действующем технологическом оборудовании. Сформирован алгоритм стабилизации и мониторинга преобразующих свойств динамической системы станка в реальном времени.

Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязи между преобразующими свойствами динамической системы станка и характеристиками входящих в ее состав и определяющих фактическое состояние нелинейных элементов и обосновании возможностей стабилизации свойств по результатам оптимизации и мониторинга

состояния в автоматическом режиме.

Практическая ценность работы состоит в создании комплекса аппаратных и программных средств автоматизированной системы стабилизации процесса резания и мониторинга состояния станка в реальном времени.

Реализация работы была осуществлена в ЗАО «Саратовский авиационный завод» при чистовой токарной обработке деталей из стали ЗОХГСА и титанового сплава ОТ4 резцами из сплавов Т15К6 и ВК8 на автоматических станках 16А20ФЗ и позволила не только получить наилучшие значения параметров их качества (шероховатость, волнистость, некруглость), но и предотвратить аварийные ситуации, связанные с износом и поломкой режущего инструмента.

Апробация работы. Основные положения докладывались и обсуждались на: X юбилейной научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г.Гурзуф, 1998 г.), международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий» (г.Сочи, 1998 г.), международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем (TT и ТС-98)» (г.Пенза, 1998 г.), научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г.Пенза, 1998 г.), международной научно-технической конференции «Шлифабразив-98» (г.Волжский, 1998 г.), а также заседаниях кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» СГТУ в 1996-1998 гг.

В связи с этим основными результатами работы, выносимыми на ее защиту, являются:

1. Нелинейная модель и результаты моделирования процессов,

протекающих в динамической системе токарного станка при резании.

2. Коэффициент преобразования спектра колебаний и стратегия стабилизации и мониторинга преобразующих свойств динамической системы станка при резании.

3. Автоматизированная система стабилизации процесса резания.

4. Результаты экспериментальных и практических исследований по стабилизации процесса резания при токарной обработке.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные направления повышения точности механической обработки детали

Точность обработки - главный показатель качества технологической системы, основным компонентом которой является металлорежущий станок.

Решение проблемы достижения требуемой точности изготовления деталей на металлорежущих станках может быть достигнуто по различным направлениям, в частности средствами активного контроля. В работе [23] вводится понятие податливого контроля, т.е. контроля, при котором вся информация о ходе технологического процесса формируется на основе размерного контроля параметров изготовления деталей и поступает в управляющее устройство непрерывно (дискретно) как в период цикла обработки, так и после его завершения, обеспечивая заданные значения параметров. Кроме того, в этой работе вводятся два класса методов активного контроля точности:

• методы, предназначенные для удержания параметров технологического процесса внутри поля допуска. Эти методы могут быть названы методами управления с фиксированным предельным значением качества продукции. Сюда же может быть отнесен метод, при котором в качестве показателя точности используется критерий вероятности удержания заданного размера в пределах настроечных границ.

• методы, которые получены в результате решения задач по оптимизации точности изготовления деталей, поэтому их можно назвать методами оптимальными по точности введения технологического процесса. В этом случае можно добиться уменьшения поля допуска и повышения точности обработки.

Современное машиностроение предъявляет все более высокие требования к точности. При этом возникает необходимость как предварительной оценки пригодности выбранного оборудования для изготовления продукции заданной точности, так и определение режимов обработки, обеспечивающих регламентированную точность [53].

В работах [137,144] в качестве показателя оценки выходных параметров точности станка вводится геометрический образ обрабатываемой детали, который удобен для прогнозирования точности. Методика заключается в моделировании геометрического образа обрабатываемых поверхностей, отражающем точностные возможности оборудования при варьировании режимов обработки. В дальнейшем идеальный геометрический образ (при отсутствии погрешности обработки) сравнивается с реальным геометрическим образом (с учетом прогнозируемых погрешностей). После этого на вероятностной основе делается заключение либо о правильности выбранного режима, либо о необходимости его коррекции.

В последнее время для решения задач прогнозирования точности все чаще используются и разрабатываются разного рода системы автоматического проектирования (САПР) [79]. При этом учитываются не только жесткость и точность станка, но и условия обработки. Новая расчетная связь исключает субъективный традиционный выбор числа

рабочих ходов инструментов, подач и глубин резания, т.е. повышает точность проектирования операций.

Немаловажную роль при обеспечении точности обработки играет точность измерений. В работе [156] проведена оценка температурных и контактных деформаций при точных измерениях линейных размеров, разработан и исследован новый метод оценки температурных коэффициентов линейного расширения материала.

Множество факторов, влияющих на достижение точности обработки, нечеткость информации о них, стохастичность процесса резания, а также разнообразие методов получения заданной точности, определило перспективность направления исследований и реализации систем искусственного интеллекта для управления станками в условиях интегрированного компьютеризированного производства. Одна из таких систем представлена в работе [177]. Авторами этой работы сформулирована концептуальная основа системы интеллектуального прогностического управления технологическими движениями станка.

Наряду с вышеизложенными системами, которые для обеспечения заданной точности подразумевают измерение параметров качества деталей, существуют методы контроля технологических факторов, контроль которых является более предпочтительным по сравнению с измерением параметров качества деталей, поскольку точность обработки деталей должна обеспечиваться технологически. В работе [112] на основе исследования дискретных технологических процессов машиностроения предложены семантические модели (концептуальные модели технологической среды) и экспертные системы «Технология-Качество», выявляющие причинно-следственные связи между технологическими факторами и параметрами качества изготовления деталей.

К важнейшим типовым задачам точности, возникающим при проектировании, изготовлении и эксплуатации станков, относится установление норм точности на отклонение их геометрических характеристик, измерение и оценка точности, достижение и сохранение заданной точности и т.д. К этому обширному кругу вопросов принадлежат и задачи, связанные с обеспечением взаимозаменяемости и установлением связей между геометрическими характеристиками станка и его служебным назначением [18,192]. Для оценки ожидаемого качества станка используются разнообразные методики расчета различных показателей. В настоящее время, в связи с резким сокращением сроков проектирования и запуска станков в производство практически нет возможности внести изменения в решения, принятые на первом этапе проектирования (в частности, габаритные размеры основных узлов изменить практически невозможно). Указанные ограничения потребовали комплексного использования на различных этапах расчетов точных и приближенных методов с обеспечением преемственности получаемых на каждом этапе результатов [90].

Важным достижением в решении этих вопросов была разработка проф. Б.М.Базровым на основе теорий базирования и размерных цепей [21] метода координатных систем с деформирующимися связями [16,17,18,101 и др.]. Механизм образования погрешностей обработки представлялся при этом как пространственные относительные повороты и перемещения систем координат, построенных на основных и вспомогательных базах тех деталей технологической системы, размеры которых включаются в качестве составляющих звеньев в размерные цепи, определяющие относительное положение инструмента и заготовки. Пользуясь данным представлением о механизме образования погрешностей обработки, можно

отобразить технологическую систему эквивалентной схемой и с ее помощью выделить то главное, что раскрывает сущность этого механизма. Полученная таким образом математическая модель позволяет описать взаимосвязи между многочисленными переменными процесса образования погрешностей обработки.

Интересным и важным для решения проблем повышения точности металлорежущего оборудования является цикл работ [40,88, 92,131,132,133,148], в котором на базе взаимосвязанных математических моделей механики станков глубоко изучен процесс формообразования поверхностей на обрабатываемой детали и построена единая система расчетов характеристик структуры и качества функционирования станков, обладающая следующими свойствами:

- универсальностью, обеспечиваемой независимостью от типа рассчитываемого станка и вида обрабатываемой поверхности;

- гибкостью, обеспечиваемой унифицированными способами настройки на конкретный объект расчета;

- комплексностью, обеспечиваемой рассмотрением станка как формообразующей машины, как механической системы и как метрологического устройства.

Немаловажную роль в оптимизации конструкции станков играет их компоновка. Выбор компоновки включает решение ряда задач, наиболее важными из которых являются структурный и пространственный синтез. Задачи синтеза обычно считаются наиболее сложными с точки зрения возможностей их формализации. Пути их решения представлены в работах [182,186]. Вопросам компоновки посвящены и другие работы, например, [152], в которой рассматривается компоновка многокоординатного станка. Авторами разработана методика и алгоритм определения основных

характеристик, необходимых для проектирования станков нового поколения: диапазонов перемещения, скоростей и ускорений, а также требуемой точности движения исполн�