автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Обеспечение точности автоматизированной системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем повышения эффективности обратной связи

На правах рукописи

КРАВЧЕНКО Станислав Алексеевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

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

0=

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005544684

005544684

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бирюков Владимир Петрович

Официальные оппоненты: Кушников Вадим Алексеевич

доктор технических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., профессор кафедры «Прикладные информационные технологии»

Балакин Виктор Леонидович

доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (Национальный исследовательский университет), профессор кафедры космического машиностроения, заслуженный деятель науки и техники РФ

Ведущая организация: Институт проблем точной механики

и управления РАН (Саратов)

Защита состоится «20 » ноября 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая 77, СГТУ, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 18 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Перспективным направлением повышения эффективности металлообработки в машиностроении является создание автоматизированных систем управления процессами резания. Даже при использовании современных станков, позволяющих достигать точности позиционирования до единиц микрон, данный подход является единственным, обеспечивающим компенсацию влияния изменения силовых воздействий при колебаниях припуска, характеристик материала, износа инструмента и других неконтролируемых возмущающих воздействий. Особое значение автоматизированные системы управления имеют при обработке нежестких валов, компенсируя деформации смещения задней и передней бабок и изгиба заготовки и обеспечивая повышение точности обработки без снижения производительности.

Вопросами исследования процессов резания как объектов управления, созданием систем контроля и управления данными процессами занимались Ку-динов В.А., Попов В.И., Локтев В.И., Бармин Б.П., Жарков И.Г., Аршанский М.М., Кедров С.С., Балакшин Б.С., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г., Заково-ротный B.JI., Васин С.А., Подураев В.Н., Драчев О.И., Петраков Ю.В., Расторгуев Д.А., Невельсон М.С., Бржозовский Б.М. и другие ученые.

Однако сложность, нелинейность, изменение закономерностей процессов резания, характеристик упругих систем станков, взаимосвязанность управляемых параметров затрудняют создание эффективных систем управления непосредственно качественными показателями обрабатываемых изделий, обеспечивающих снижение их дисперсий до требуемых значений.

Это привело к решению большого количества задач косвенного управления качественными показателями путем создания систем стабилизации возмущающих воздействий, режнмных параметров, параметров базирования деталей и т.д. в процессе обработки. Но наличие других неконтролируемых возмущений не позволяет решить задачу управления качественными показателями таким путем. Поэтому остается актуальной задача создания эффективных систем управления качественными показателями по обратной связи, что позволило бы отрабатывать практически все неконтролируемые возмущающие воздействия.

Возможным направлением обеспечения эффективности

автоматизированных систем управления технологическими процессами резания по обратной связи может быть использование методологии расширенной задачи управления, разработанной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. по программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект №2.1.2/7193 «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими процессами с неконтролируемыми широкополосными статистическими возмущающими воздействиями» с дальнейшим расширением программы на процессы металлообработки (2011 год).

Данная методология управления основана на создании условий для эффективной работы обратной связи систем управления. Система с обратной связью эффективна, если возмущающие воздействия по спектру находятся в эффективной частотной зоне системы, в которой коэффициент передачи замкнутой системы по возмущающему воздействию меньше единицы. В противном случае влияние возмущающих воздействий системой увеличивается.

Именно нахождение возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы и не позволяет создать эффективные системы управления по типовой методике, включающей два основных этапа - построение математической модели объекта управления и синтез оптимального регулятора.

Для таких случаев методика предусматривает расширение задачи построения системы управления путем анализа уровня управляемости объекта управления и включения при необходимости в процедуру синтеза этапа корректировки исходных данных путем расширения и доработки объекта управления для обеспечения вхождения большей части спектра возмущающих воздействий в зону эффективной работы обратной связи.

Использование показателя достижимой точности управления при использовании типового регулятора как показателя управляемости объекта управления, частотных диапазонов эффективной и неэффективной работы обратной связи, разработка методики доработки объекта управления на основе анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущению и спектральной плотности возмущения, построенной на основе систематизации методов повышения эффективности систем управления различных исследователей, позволяют целенаправленно с количественным контролем на каждом шаге вести работу по повышению эффективности системы управления. Эффективность методологии делает актуальным исследование возможности и особенностей ее применения при построении систем управления процессами токарной обработки.

Целью диссертационной работы является повышение точности системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем формализованного создания условий эффективной работы обратной связи на основе расширенной задачи управления.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. На основании методологии расширенной задачи управления выявить пути доработки объекта управления и структуры системы для создания условий эффективной работы внешнего контура обратной связи.

2. Обеспечить повышение эффективности системы путем расширения частотной зоны эффективной работы обратной связи и снижения интенсивности возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы обратной связи.

3. Разработать структуру и математическую модель динамического компенсатора взаимосвязи тангенциальной силы резания и положения резца по поперечной оси процесса токарной обработки.

4. Разработать новую структуру и алгоритм системы, обеспечивающие повышение эффективности управления продольным профилем нежестких валов.

Объект исследования. Объектом исследования является автоматизированная система управления продольным профилем нежесткого вала в процессе токарной обработки с оптимальным стохастическим ЛКГ-регулятором.

Методы н средства исследований. Теоретические исследования выполнены на основе методов теории оптимального управления, анализа динамики станков, процессов резания и теории случайных процессов с использованием методологии расширенной задачи управления и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены на токарном станке с ЧПУ 16А20ФЗ с использо-

ванием компьютерных систем измерений, включающих метрологически обеспеченные элементы: датчик силы АС21, импульсный молоток А1Ю2, акселерометры АР2037, плату сбора данных ЛА2и8В-12.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов исследования, представительными выборками экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов, согласованностью построенных математических моделей с экспериментальными данными и результатами других авторов, использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, применением современного лицензионного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

1. На основе методологии расширенной задачи управления предложена методика последовательного синтеза систем управления процессами резания, заключающаяся в построении на первом этапе оптимальной системы управления по обратной связи, оценке достижимой точности управления для исходного объекта управления

и формализованной итеративной доработке объекта управления и структуры системы на следующих этапах синтеза по результатам анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия с целью снижения дисперсии регулируемых переменных.

2. Выявлено, что возмущения вследствие колебания силы резания находятся в неэффективной зоне контура управления продольным профилем по обратной связи и приводят к сужению частотной зоны эффективной работы системы, повышению коэффициента передачи по возмущающему воздействию на регулируемую переменную, снижению прироста эффективности от уменьшения транспортного запаздывания; показано, что компенсация данного возмущения и устранение данных последствий возможна путем ввода в систему контура стабилизации силы резания, для которого данные возмущения находятся в зоне эффективной работы.

3. Показано, что наличие взаимосвязи силы резания и положения резца по поперечной оси приводит к снижению коэффициента эффективности системы управления силой резания почти в 3 раза; развязка каналов управления путем введения в регулятор динамического компенсатора позволяет уменьшить взаимное влияние управляющих воздействий на данные параметры и восстановить эффективность системы стабилизации силы резания.

4. Предложены новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежестких валов, включающей более быстродействующую систему измерения диаметра обработанного вала в заданных точках, контур стабилизации силы резания для уменьшения среднечастотных возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи, динамический компенсатор для динамической развязки каналов управления тангенциальной силой резания и положением режущего инструмента по поперечной оси, что позволило расширить зону эффективной работы системы с 0,05 до 0,13 колебаний/период дискретизации, повысить эффективность отработки возмущений в данной зоне в 1,6 и более раз.

Практическая значимость. Использование полученных результатов позволяет путем уменьшения динамической ошибки обработки деталей производить токарную обработку на повышенных режимах резания или обрабатывать детали с более

жесткими требованиями по точности обработки без снижения производительности. Способ исследования эффективности системы управления путем анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия может быть применен для решения задач повышения эффективности других систем управления в металлообработке. Разработанная система позволяет уменьшить ошибку управления, что подтверждено опытной обработкой нежестких валов на станке 16К20ФЗ. Разработанные компьютерные системы измерения сил резания и исследования качественных показателей обработанных изделий, программа обработки экспериментальных данных используются при проведении научно-исследовательских работ, а также при проведении занятий по дисциплинам «Математическое моделирование процессов машиностроения», «Теория автоматического управления», «Адаптивные системы управления» на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления.

Разработанная система управления продольным профилем нежестких валов рекомендована к внедрению на предприятиях ОАО «Волгодизельмаш им. Маминых», ОАО «Волгодизельаппарат».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Направления доработки объекта управления и структуры системы управления, выявленные по результатам рассмотрения расширенной задачи управления и математического моделирования работы системы управления.

2. Полученные результаты зависимости эффективности системы от величины транспортного запаздывания объекта управления и интенсивности средне-частотных возмущающих воздействий.

3. Многосвязная система управления силой резания и положением резца по поперечной оси с динамическим компенсатором.

4. Новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежесткого вала, численное моделирование работы которой показало снижение ошибки управления внешнего контура более чем в 2 раза и позволило сделать вывод о достижении поставленной в работе цели.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009), П Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Саратов, 2010), Шестом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011), Международной конференции, посвященной 70-летию Самарского государственного аэрокосмического университета и 100-летию ОАО «Кузнецов» (Самара, СГАУ, 2012), 13 Международном форуме «Образовательная среда-2011» (Москва, ВДНХ, 2011), международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях 24, 25» (Саратов, 2011, 2012). Разработанная система в 2012 году стала победителем Всероссийского конкурса научных п инновационных проектов молодых ученых Минобрнауки РФ и рекомендована для внедрения на ОАО «КаМАЗ» и других предприятиях машиностроения.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 13 печатных работах, в числе которых 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в формулировании цели и постановке задач исследований, разработке методик, проведении теоретических и экспериментальных исследований, построении математических моделей, синтезе систем управления, компьютерном моделировании разработанных систем, создании программно-аппаратного обеспечения для проведения и обработки результатов экспериментов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 179 страницах, содержит 97 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы включает 128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены проблемы обработки нежестких валов и методы их решения, структурная схема процесса резания как объекта управления, проанализированы сложности применения методов управления для процессов металлообработки, представлена исходная система управления продольным профилем нежестких валов, для которой решается задача повышения эффективности обратной связи, определены направления диссертационного исследования.

Поставленная в работе цель достигается путем решения расширенной задачи управления для автоматизированной двушкальной каскадной системы управления продольным профилем нежесткого вала при токарной обработке, разработанной на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Исходная система является комбинированной, включает прямой канал управления и каскадную систему управления по обратной связи (рис. 1). Вычислительное устройство ВУ прямого канала управления формирует траекторию движения резца по поперечной оси у„„(х) в процессе резания, компенсирующую систематическую ошибку. Пятика-нальный стохастический линейно-квадратичный (ЛКГ) регулятор внешнего контура управления на основании дискретизации объекта по длине вала производит управление объектом с распределенном параметрами как объектом с сосредоточенными параметрами и отрабатывает неконтролируемые возмущения путем формирования поправок Ду(х) к траектории, заданной прямым каналом.

Рис. 1. Функциональная схема автоматизированной системы управления продольным профилем нежесткого вала в процессе токарной обработки,

1,2,3 - передняя, задняя бабка, суппорт, 4, 5 - резец, заготовка, ЛП - линейный привод, ВУ - вычислительное устройство, ЛКГ - ЛКГ-регулятор, Per - ПИД-регулятор, Д,, Ду - датчики диаметра, положения резца по осям х, у, Д( — система контроля

Использование ЛКГ-регулятора позволяет получить максимально возможную точность исходной системы управления. Путем отслеживания режущей кромкой резца деформаций отжима задней и передней бабок и деформации изгиба заготовки система обеспечивает уменьшение систематической составляющей погрешности обработки с ±0,05 мм до ±0,002 мм и уменьшает с ±0,03 мм до ±0,02 мм случайную составляющую погрешности обработки, являющуюся результатом влияния неконтролируемых возмущающих воздействий. В соответствии с поставленной целью работы путем доработки системы управления необходимо добиться дальнейшего снижения случайной погрешности обработки.

Во второй главе представлена расширенная задача управления, основанная на анализе взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию (АЧХГ) и спектральной плотности возмущающего воздействия и методике доработки объектов управления для создания их взаимного расположения, обеспечивающего заданную точность управления.

Суть расширенной задачи заключается в следующем. Дисперсия ошибки системы управления по обратной связи определяется известным выражением:

= ~ К (»1 (со) <1со, (1)

где сГ1т - дисперсия регулируемой переменной замкнутой системы управления, 5Дй>) - спектральная плотность неконтролируемого возмущения, Фг(^со) - амплитудная частотная характеристика замкнутой системы по возмущающему воздействию

Ф,исо) =-^----(2)

; 1 + КЛМ)Киа)

Для разомкнутой системы амплитудная частотная характеристика по возмущению для всех частот равна единице А ЧХ/т = 1 (рис. 2). Для замкнутой системы она приобретает вид А ЧХтш„ и имеет на низких частотах значения меньше единицы, а на более высоких частотах обязательно больше единицы. Это позволяет на АЧХг выделить три участка. Первый участок с частотами со < а, - это зона эффективной работы

обратной связи. Коэффициент передачи по возмущению в этой зоне меньше 1 и система уменьшает влияние \ компонент возмущающего воздействия с такими частотами. На среднечастотном участке й>, 5 со < коэффициент больше единицы и система увеличивает влияние компонент возмущения с такими частотами. На высокочастотном участке со > а>2 возмущение переходит на выход системы без изменений. При анализе приведенное к выходу объема управления неконтролируемое возмуще-

Рис. 2. АЧХ по возмущению разомкнутой и замкнутой систем управления и спектральные плотности типовых возмущающих воздействий

ние/ раскладывается по частоте на три составляющие / = /, + /2 + /,, называемые далее, соответственно, низкочастотной /,, среднечастотной /2 и высокочастотной f) .

От соотношения данных компонент в возмущении зависит эффективность работы обратной связи системы управления. Система эффективна, когда спектральная плотность возмущающего воздействия находится в зоне эффективного действия (5,(гу) на рис. 2). Наличие спектральной плотности возмущающего воздействия во второй зоне (52(й;) на рис. 2) и широкополосных возмущений (5,(со) на рис. 2) снижает управляемость процесса (возможность снижения дисперсии регулируемой переменной исследуемого объекта). В таких случаях повышение эффективности системы может быть достигнуто путем смещения спектральной плотности влево и (или) смещения АЧХ вправо по оси частот, что производится путем доработки объекта управления при решении расширенной задачи управления.

Анализ взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия исходной системы показал, что 47% интенсивности возмущающих воздействий находится в зоне неэффек-

тивной работы обратной связи (рис. 3), что говорит о возможности повышения эффективности управления.

В третьей главе решается задача повышения эффективности системы. На первом этапе исследоватось влияние на эффективность управления величины

транспортного запаздывания в канале измерения диаметров обработанных деталей. Для значений транспортного запаздывания г=4,3,2,1 периода дискретизации производился синтез ЛКГ- щ 0.02 1 ! '' г=4 :

0.05 0.1 0.15 0.2

колебаний/периад дискретизации

ГзсЬ = 0-0 04 кол. п.д.

Рис. 3. Взаимное расположение АЧХс()) и 8((со) (2, 3) для исходной системы управления

регуляторов и методом имитационного моделирования для каждой системы определялся коэффициент эффективности, в качестве которого использовалось отношение дисперсий выходной переменной для разомкнутой и замкнутой систем. Результаты показывают значительное повышение коэффициента эффективности системы от начального до зна-

50.01 | о 1-0.01

50

„ 100 150 200 Относительное время, п.д.

250

0.02 І 0.01 I о 1-0.01 1 -0.02

значения к,ф4= 2,25 чения Л- = 13,3

50 „ 100 150 200 Относительное время, п. д.

Рис. 4. Временные ряды выходной переменной для разомкнутой (1) и замкнутой (2) систем при значениях транспортного запаздывания г=4 и

при

г. пфнодоаднскпетнмцпн

Рис. 5. Зависимость коэффициента эффективности от транспортного запаздывания

уменьшении транспортного запаздывания от начального значения г=4 до конечного г=1 (рис. 4, 5). Здесь и далее весовые матрицы критерия ЛКГ-регулятора выбирались из условия получения допустимых диапазонов изменения управляющих воздействий, а корреляционные матрицы определялись дисперсиями генерируемых возмущающих воздействий и ошибок измерения.

Анализ взаимного расположения АЧХГ и 5г(а>) (рис. 3, 6) показал, что при уменьшении

транспортного запаздывания АЧХГ смещается вправо и расширяет зону эффективной работы обратной связи с<0,04 кол/п.д. для 2 = 4 (рис. 3) дои<0,13 кол/п.д. для г = 1 (рис. 6). Кроме того, снижается модуль АЧХГ в зоне эффективной работы системы, что говорит о повышении эффективности подавления возмущений в этой зоне. ............... 2 Однако исследование влияния интенсивности среднечас-тотных возмущений на эффективность системы показало, что снижение транспортного запаздывания не всегда позволяет получить повышение эффективности системы управления. Были синтезированы системы на основе ЛКГ-регуляторов для различных транспортных запаздываний и двух уровней интенсивности среднечастотных возмущений.

Анализ результатов моделирования показал, что незначительное увеличение интенсивности среднечастотного возмущения (рис. 7) приводит к значительному снижению эффективности системы при г = \ от значения /^,,,1 = 13,3 до значения 1,7 (рис. 8, 9).

Уменьшение интенсивности среднечастотного возмущения привело к изменению матрицы регулятора и АЧХГ замкнутой системы. Область эффективной работы регулятора расширилась с 0</„м <0,03 до 0< <0,05 кол. /пер. дискр. (рис. 10).

г> па ................. - -.........................'., .' .......

л

0 0.05 0.1 0.15

^колебаний/период дискретизации

Ьф = 0-0.13 КО.ТП.Д. Рис. 6. Взаимное расположение АЧХГ(1) и спектральных плотностей возмущающего воздействия (2) и выхода системы управления (3) при транспортном запаздывании 1 = 1

а | с ое я 10 .0 .1 !

О 0.05 0.1 0.15 0.2

Г.кол'лериод дискретизации

Рис. 7. Спектральные плотности возмущающих воздействий: 1 - исходная; 2-е увеличенной интенсивностью

1.....

I, периодов дискретизации

Рис. 8. Зависимость эффективности системы от транспортного запаздывания для исходной (1) и увеличенной интенсивности возмущения (2)

0.02 5 0.01 1 о 1-0.01 -1^0.02 5-0.03

0 50. 100 150 200 250

Относительное воемя. п.л.

_ 0.02 ¿0.01 I 0 §-0.01 1=0.02 5-0.03

"" 0 50 100 150 200 250

Относительное Еремя, П-Д-

Рис. 9. Временные ряды выходной переменной для разомкнутой (1) и замкнутой (2) систем при значениях транспортного запаздывания т=4 и 2=1 с увеличенной интенсивностью среднечастотного возмущения

Кроме того, уменьшился модуль АЧХгв области эффективной работы системы, что говорит об усилении эффекта подавления влияния возмущений.

Следовательно, снижение интенсивности возмущения в среднечастотной области позволяет повысить эффективность вследствие как непосредственно уменьшения возмущения, так и расширения по частоте эффективной зоны системы и снижения коэффициента передачи по возмущению в области эффективной работы. В результате система будет более эффективно отрабатывать и низкочастотные возмущения. Кроме того, снижение интенсивности среднечастотного возмущения позволяет получить повышение эффективности при снижении транспортного запаздывания объекта управления (рис. 8).

Поэтому дальнейшим шагом повышения эффективности системы управления являлись поиск и устранение причин возникновения среднечастотных возмущений в главном контуре управления. В качестве возможных причин рассматривались изменения припуска и характеристик материала в процессе обработки, которые отображаются в нестабильности силы резания. Было проведено исследование связи между колебаниями диаметра обработанных нежестких валов и переменной составляющей силы резания. Для этого в процессе обработки вала производилась запись тангенциальной силы резания. Затем с помощью профилографа снимался продольный профиль обработанной поверхности. Вре-

¡. кол период днскртпиции Рис.10. Анализ механизма влияния интенсивности среднечастотного возмущения. 1,2 - спектральные плотности исходного возмущения и с увеличенной интенсивностью; 3,4 — АЧХг исходной системы и с увеличенной интенсивностью возмущения при г=4

менные ряды силы резания и профиля поверхности приводились к одному временному масштабу (рис. 11).

о 5 10 15 20 25 30

Длина заготовки, мм Профиль, мш "-Сила резания, Н Рис. 11. Графики силы резания и профиля образца

Для линеаризованной зависимости диаметра обработанной поверхности от силы резания получена оценка коэффициента регрессии Ь = 0Л мкм/Н при 1?=0,41-Данная оценка Р? является заниженной вследствие наличия высокочастотной составляющей во временном ряду силы резания при ее отсутствии во временном ряду профиля. Таким образом, экспериментальные данные подтверждают, что среднечастот-ные погрешности обработки исследуемых изделий взаимосвязаны с колебаниями силы резания. Оценка времени затухания автокорреляционной функции силы резания равна тзат=3,5с. За это время при точении анализируемого нежесткого вала длиной 325 мм на скорости 500 об/мин с подачей 0,2 мм/об будет обработано 5,83 мм.

Таким образом, составляющие погрешности обработки, определяемые изменением силы резания, будут коррелированны только при выборке по длине заготовки с шагом менее 5,83 мм. Следовательно, при длине заготовки 325 мм (что эквивалентно периодичности выборки 325 мм) погрешность, взаимосвязанная с изменением силы резания в точках вала, используемых для управления, будет случайным процессом типа «белый шум» и возмущения по силе

резания не могут быть отработаны каналом обратной связи внешнего контура системы управления. Но при данном времени корреляции спектр возмущений по силе резания может оказаться в зоне эффективной работы системы стабилизации силы резания. Поэтому следующим этапом работы являлась разработка контура обратной связи для стабилизации силы резания в процессе точения.

У

Per

ff

Рис. 12. Функциональная схема системы управления тангенциальной составляющей силы резания при токарной обработке нежесткого вала Д|> - датчик тангенциальной силы резания Pz; Per - регулятор; У - усилитель; Ред - реду ктор; ЭД - электродви гател ь

Функциональная, структурная схемы контура стабилизации силы резания представлены на рис. 12, 13. Тангенциальная составляющая силы резания измеряется тензодатчиком, сигнал с которого поступает на регулятор. Управляющее воздействие с регулятора через усилитель поступает на двигатель привода продольной подачи.

Идентификация моделей усилителя, электродвигателя, редуктора станка и датчика силы проводилась на основе литературных и паспортных данных (табл. 1).

УУ - управляющее устройство, У - усилитель, ЭД - электродвигатель, ЭДн - влияние момента нагрузки на скорость двигателя, Ред- механизмы привода продольной подачи, ПР — процесс резания (ПР1, ПР2 - влияние подачи, глубины резания на силу резания),УС — упругая система станка (УС1, УС2 — влияние силы резания на подачу, глубину резания), Д - датчик силы резания

Таблица 1

Передаточные функции элементов системы_

Элемент Усилитель Электродвигатель Влияние момента нагрузки на скорость двигателя Редуктор Датчик силы резания

Передаточная функция 50 1 0.4 0.01 1

0.03/)+1 0.03/)+ 1 0.011р + 1

Идентификация модели объекта управления по каналу продольная подача — сила резания выполнялась на основе активного эксперимента. Производилось врезание резца в цилиндрическую заготовку с последующим продольным точением.

Параметры точения: материал заготовки сталь 45, диаметр заготовки 26 мм, подача 0,1-0,3 мм/об, скорость резания 44,9 м/мин, глубина резания 0,3 мм, материал режущей пластины Т15К6, сечение резца 25*25 мм, главный угол в плане <р=95°, вспомогательный угол в плане ф]=50, главный задний угол а=7°, главный передний угол у=0 , без использования СОЖ. Сила резания фиксировалась с помощью компьютерной системы измерения. Экспериментальные данные приведены в приложении к диссертации. Эксперимент проводился для различных значений подачи (рис. 14). Аппроксимация переходных процессов методом нелинейного программирования по квадратичному критерию классической моделью, включающей в прямом канале звено первого порядка и в канале обратной связи колебательное звено, позволила выявить возможный диапазон изменения параметров объекта управления (табл. 2).

Аналогичным образом проводилась идентификация модели по каналу глубина резания - сила резания, для чего производилось продольное точение заготовки с пазами, в результате чего получалось ступенчатое изменение глубины резания.

Идентификация модели упругой системы станка производилась с помощью разработанной компьютерной системы исследования частотных характеристик методом импульсного воздействия. По временным рядам импульсного входного сигнала силового воздействия и выходного сигналов колебания элементов упругой

№ п.п. Апернод. звено Колебательное звено

К, Т, К: а р ^ Ч!

1 2424.6 0.63 0.00001 2.19 0.014 0.98

2 1993.53 0.51 0.00011 2.50 0.022 0.99

3 1846.15 0.47 0.0001 2.01 0.027 0.97

4 1649.84 0.39 0.00005 3.27 0.026 0.97

5 1531.53 0.28 0.00005 2.26 0.026 0.96

1С(р)=

7.85-1С'

З.810~3/г +5-10~|р+|

Рис. 14. Переходные характеристики силы резания для разных значений подачи (0.1 (1); 0.15 (2); 0.2 (3) 0.25 (4); 0.3 (5) мм/об)

системы определялась АЧХ, которая аппроксимировалась колебательными звеньями путем решения задачи нелинейного программирования по квадратичному критерию приближения расчетной АЧХ Таблица 2 ~ / , т-»

Параметры моделей к экспериментальной (рис. 15). Вы-

бор одного, двух, трех звеньев для описания АЧХ не играет роли, т.к. собственные частоты находятся за пределами эффективной зоны системы. Коэффициент передачи и коэффициент демпфирования моделей ЭУС в разных точках заготовки и различных силовых воздействиях изменяются в пределах 100%, а собственная частота колебаний в пределах 200%. Полученные диапазоны изменения параметров объекта управления использовались для исследования грубости разрабатываемой системы управления. Следует отметить, что полученная оценка коэффициента передачи АЧХ согласуется с оценкой коэффициента передачи нестабильности силы резания на профиль обработанной детали.

Модель формирующего фильтра получена путем аппроксимации спектральной плотности временного ряда силы резания в процессе точения дробно-рациональной функцией с четными степенями частоты с дальнейшей ее факторизацией: )у =___

' 0,0005 ■ р~ +0.5- р+\

По структурной схеме объекта управления с формирующим фильтром в ЗтиПпк Ма11аЬ получена расширенная модель объекта управления: Ык + \) = Ах{к) + Ви{к)

\у(к) = Сх(к) + Ви(к) + п(к)' (3)

где хд - вектор параметров состояния; и? - вектор входных воздействий, включающий управляющее воздействие щ и возмущающее воздействие - вектор

Рис.15. АЧХ упругой системы

управляемых переменных; и, - белый шум ошибки измерения управляемых переменных, - матрица состояния, В9х2 - матрица управления, С м- матрица выхода, 01,2 - проходная матрица. Матрицы модели состояния приведены в диссертации.

Линейно-квадратичный стохастический регулятор включает две составляющие:

- оптимальный фильтр, вычисляющий оценку состояния объекта управления в виде условного среднего при заданных значениях управляющих воздействий и наблюдений выходного сигнала;

- оптимальный детерминированный регулятор, определяющий линейную обратную связь относительно оцениваемого состояния объекта.

Синтез ЛКГ-регулятора выхода и наблюдателя произведен в системе МаИ^аЬ. Матрица регулятора К,х9 имеет вид

К = [175.7 23426 6837 4817 689600 2.73 -2.21 -0.019 -2.57].

На рис. 16 приведены результаты имитационного моделирования функционирования системы управления в МаиаЬ ЗтиНпк при подаче сгенерированных возмущающих воздействий.

Рис. 16. а) Временные ряды возмущения по силе резания (1) и выхода системы (2); б) временной ряд изменения подачи в процессе работы системы

Дисперсия силы резания разомкнутой системы управления равна •V™ =37,7Я", дисперсия для замкнутой системы управления =1,32 Я". Коэффициент эффективности системы равен к = 28,6. Моделирование работы системы при изменении параметров объекта управления в выявленных диапазонах показало практическое совпадение результатов, т.е. система управления силой резания по продольной подаче является грубой. Построенная система путем стабилизации силы резания компенсирует влияние возмущающих воздействий в среднечастот-ной области системы управления продольным профилем нежесткого вала.

Однако наличие взаимосвязи между контурами управления силой резания и положением инструмента по поперечной оси и генерация взаимных возмущений могут существенно снизить эффективность системы регулирования силы резания и свести на нет полученный эффект снижения интенсивности широкополосного возмущающего воздействия на внешний контур системы и уменьшения т.

В четвертой главе решалась задача компенсации взаимосвязи силы резания и положения резца по поперечной оси через объект управления. Для этого была построена многосвязная система управления данными параметрами на основе ЛКГ-регулятора и исследовалась ее эффективность.

На рис. 17 показана структурная схема системы управления силой резания и положением резца по поперечной оси с учетом их взаимосвязи через объект управления. В табл. 1,4 сведены передаточные функции элементов системы.

Таблица 4

Передаточные функции элементов системы

Элемент ЛП Влияние момента нагрузки на скорость двигателя Редуктор Датчик положения инструмента.

Передаточная функция 2 0.0004 0.01 0.05

0.015^ + 1 0.015/; + ! 0.007/>+1

Для системы, представленной на рис. 17, в системе БипиНпк Ма11аЬ получена исходная и расширенная модель в пространстве состояний с матрицами состояния Ацуц, управления В15х4, выхода С2хц, проходная В2х4, произведен синтеза ЛКГ-регулятора с весовыми матрицами Л^хг и Я2 2х2 и получена матрица регулятора:

К->-1К = | 5.394 -ШШШ 18+9.509 831-901 173.553 83871757 0.003 0.£36 0339 0.910 -0 754 0.005 -0.005 -0.030 -0.847! л | 0001 0001 1164 -0.038 0.365 37 939 0.018 0036 0.064 0 005 -0.010 0,013 -0019 С.000 0.001 [

Методом имитационного моделирования функционирования системы получены временные ряды силы резания и положения резца по поперечной оси для разомкнутой и замкнутой системы управления (рис. 18) и соответствующие им управляющие воздействия.

I—оЬЕ

Ч^ХдьЧ

Рис. 17. Структурная схема системы управления У - усилитель, ЭД - электродвигатель, ЭДн - влияние момента нагрузки на скорость двигателя, ЛП - линейный привод, Реді - передаточные механизмы продольного привода, Ред2 - передаточные механизмы поперечного привода, ПРI — влияние подачи на силу резания, ПР2 - влияние глубины резания на силу резания, УС — упругая система станка, Дг,—датчик силы, Ду - датчик положения резца по оси у, УУ - управляющее устройство на основе ЛКГ-регулятора

/1

^Сы

Рис. 18. Временные ряды силы резания и положения резца по поперечной оси для разомкнутой (1) и замкнутой (2) системы управления

Для канала стабилизации положения резца по поперечной оси дисперсия разомкнутой системы ^„=4,3-10''мм2, замкнутой = 1 • 1СГ1 мм2, коэффициент эффективности к2 = 42,5. Для канала стабилизации силы резания дисперсия разомкнутой системы .у,3,,, =46,2//", замкнутой =4,6Я2. Таким образом, взаимное влияние контуров привело к снижению коэффициента эффективности контура управления силой резания со значения 28,55 до 10,1, т.е. практически в 3 раза. Кроме того,

проведенный анализ показал, что наличие взаимосвязи приводит к появлению автоколебаний в канале управления положением резца по поперечной оси (рис, 18).

Для устранения взаимосвязи произведена динамическая развязка управляющих воздействий. Для этого в систему введен динамический компенсатор, включенный на входе многомерного объекта (рис. 19).

Передаточная функция компенсатора выбиралась из условия получения диагональной передаточной матрицы:

(4)

где Щ,, 1¥к, Ж/ - передаточные матрицы исходного объекта, динамического компенсатора, объекта с диагональной матрицей. Передаточная

|------------------,

(Динамический компенсатор!

IV,,

матрица компенсатора получена по выражению 1¥к = W„'diagW0 и приведена в диссертации.

Для окончательного объ-= 1 (что получено путем исполь-

Рис. 19. Схема системы с динамической компенсацией екта управления с транспортным запаздыванием зования современных средств измерения на основе микропроцессоров), контуром стабилизации силы резания, динамическим компенсатором произведен синтез многомерного ЖГ-регулятора. Имитационное моделирование работы регулятора показало, что коэффициент эффективности по каналу стабилизации силы резания стал равен 27,3, т.е. повысился практически до начального значения (рис. 20). Моделирование также показывает, что компенсация взаимосвязи уменьшает возможность появления автоколебаний в системе.

Рис. 20. Выходные сигналы системы с динамической компенсацией

В пятой главе построена многомерная система управления продольным профилем вала при токарной обработке с новой структурой и алгоритмом управления (рис. 21). Повышение стабильности силы резания и динамическая компенсация взаимосвязи уменьшили интенсивность среднечастотных возмущений на внешний контур управления, что позволило получить положительный эффект от снижения транспортного запаздывания и снизить дисперсию ошибки управления внешнего контура в 13,3 раза. Относительно исходной системы, снижающей дисперсию в 2,25 раза, имеет место снижение дисперсии в 5,9 раза, что соответствует снижению ошибки управления в 2,4 раза. Таким образом, поставленная цель повышения эффективности системы управления продольным профилем нежестких валов путем рассмотрения расширенной задачи управления достигнута.

Реализация разработанной системы управления, функциональная схема которой приведена на рис. 21, возможна на базе системы ЧПУ с наличием интерфейса для реализации пользовательского алгоритма управления.

1Г -у

д„

у„„(х)

Рис. 21. Система управления продольным профилем вала при токарной обработке с новой структурой и алгоритмом управления

Для экспериментальной проверки работоспособности системы была проведена обработка группы деталей на станке 16К20ФЗ с измерением обработанных деталей в пяти базовых точках и внесением корректив в программу обработки по результатам измерений согласно алгоритму работы системы. В процессе экспериментальной обработки удалось достичь сокращения ошибки обработки до ±0,025 мм, что подтверждает реализуемость разработанной системы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе методологии расширенной задачи управления предложена методика последовательного синтеза систем управления процессами резания, заключающаяся в построении на первом этапе оптимальной системы управления по обратной связи, оценке достижимой точности управления для исходного объекта управления и формализованной итеративной доработке объекта управления и структуры системы на следующих этапах синтеза по результатам анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия с целью снижения дисперсии регулируемых переменных.

2. Анализ взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия исходной системы показал наличие значительной части возмущающего воздействия в зоне неэффективной работы обратной связи, что говорит о возможности доработки системы для повышения ее эффективности.

3. Показано, что уменьшение транспортного запаздывания объекта управления приводит к повышению эффективности системы управления за счет расширения частотного диапазона эффективной работы системы и снижения коэффициента передачи возмущающего воздействия в зоне эффективной работы обратной связи.

4. Выявлено, что наличие неконтролируемых возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи приводит к уменьшению ширины частотной зоны эффективной работы системы, повышению коэффициента передачи возмущающего воздействия в зоне эффективной работы системы, снижению прироста эффективности от уменьшения транспортного запаздывания.

5. Показано, что среднечастотные возмущения на диаметр обработанных изделий являются результатом колебаний тангенциальной силы резания и могут быть уменьшены путем стабилизации силы резания дополнительным контуром управления.

6. Произведен синтез системы управления тангенциальной силой резания, позволяющей снизить дисперсию силы резания в 28,6 раза, однако наличие взаимосвязи силы резания и положения резца по поперечной оси приводит к генерации взаимных возмущений при изменении управляющих воздействий и снижению эффективности данной системы практически в 3 раза.

7. Показано, что развязка каналов управления путем введения в регулятор динамического компенсатора позволяет уменьшить взаимное влияние управляющих воздействий на силу резания и положение резца по поперечной оси и восстановить эффективность системы стабилизации силы резания.

8. Произведенная доработка системы управления, заключающаяся в уменьшении транспортного запаздывания объекта управления, уменьшении среднечастотных возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи путем создания контура стабилизации силы резания и динамической развязкой каналов управления тангенциальной силой резания и положением режущего инструмента по поперечной оси, позволила расширить зону эффективной работы системы с 0,05 до 0,13 кол/период дискретизации, повысить эффективность отработки возмущений в данной зоне в 1,6 и более раз.

9. Численное моделирование функционирования разработанной системы управления при сгенерированных возмущающих воздействиях показало снижение ошибки управления более чем в 2 раза, что позволяет сделать вывод о достижении поставленной в работе цели.

10. Работоспособность системы подтверждена путем опытной обработки нежестких валов с внесением корректировки в программу обработки на основании данных регулятора, реализованного в среде МаНаЬ. Система обеспечила выход на заданное значение на начальном этапе обработки и отработку ступенчатого возмущающего воздействия.

11. Большое влияние возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи на эффективность системы управления показывает необходимость включения этапа исследования чувствительности синтезируемой системы управления к интенсивности среднечастотных возмущений в качестве дополнительного метода повышения эффективности системы в методологию расширенной задачи управления.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кравченко С.Л. Автоматизированная система управления формой нежёстких валов при токарной обработке / А.Ю. Набилкин, С.А. Кравченко, В.П. Бирюков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. №3 (34). Ч. I. С. 321 -330.

2. Кравченко С.А. Повышение эффективности системы управления продольным профилем нежёстких валов при токарной обработке / С.А. Кравченко, А.Ю. Набилкин,

B.П. Бирюков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. №3 (34). Ч. 1. С. 339-349.

3. Кравченко С.А. Компьютерная система измерения сил резания / А.Ю. Набилкин,

C.А. Кравченко, Г.А. Гилев, В.П. Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №2 (56). Вып. 2. С. 248-252.

4. Кравченко С.А. Многосвязная система управления силой резания и положением резца по поперечной оси / С.А.Кравченко, А.Ю. Набилкин, В.П. Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3 (58). Вып. 2. С. 204-207.

5. Кравченко С.А. Решение задачи повышения эффективности системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке У С.А. Кравченко, АЛО. Набилкин, В.П. Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 3 (58). Вып. 2. С. 207-214.

6. Кравченко С.А. Математическая модель объекта управления формой нежестких валов при токарной обработке / АЛО. Набилкин, С.А. Кравченко, В.П. Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №3 (58). Вып. 2. С. 224-229.

В других изданиях

7. Кравченко С.А. Расширение функциональности устаревших электромеханических систем с помощью применения современных систем управления / С.А. Кравченко // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Саратов: СГТУ, 2009. Т. 1. С. 200-202.

8. Кравченко С.А. Компьютерная система измерения тангенциальной силы резания при токарной обработке / A.IO. Набилкин, С.А.Кравченко, В.П. Бирюков // Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация: сб. науч. тр. II Всерос. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С. 36-41.

9. Кравченко С.А. Компьютерная система исследования динамических и вибрационных характеристик металлообрабатывающих станков / А.А. Калюжный, С.А. Кравченко, АЛО. Набилкин // VI Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. материалов: в 2 ч. Саратов: Саратовский ГАУ, 2011. Ч. 1. С. 97-98.

10. Кравченко С.А. Создание многомерной системы управления качественными показателями изделий при токарной обработке / АЛО. Набилкин, С.А.Кравченко, В.П. Бирюков // Математические методы в технике и технологиях 24: материалы Между-нар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2011. С. 46-47.

11. Кравченко С.А. Исследование влияния вылета резца на его амплитудно-частотную характеристику / АЛО. Набилкин, С.А. Кравченко, Г.А. Гилев // Автоматизация, информационные технологии и системы автоматизированного проектирования технических систем: сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2011. С. 234-237.

12. Кравченко С.А. Математическая модель влияния режимов резания на уровень вибрации / А.Ю. Набилкин, С.А. Кравченко, Г.А. Гилев, В.П. Бирюков // Автоматизация, информационные технологии и системы автоматизированного проектирования технических систем: сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2011. С. 238-241.

13. Кравченко С.А. Многомерная система управления токарной обработкой нежестких валов / А.Ю. Набилкин, С.А.Кравченко, В.П. Бирюков // Математические методы в технике и технологиях 25: материалы Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2012. Т. 10. С. 17-18.

Кравченко Станислав Алексеевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ Автореферат Корректор Л.А. Скворцова Подписано в печать 15.10.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 159 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Тел.: 24-95-70; 99-8739, e-mail: izdat@sstu.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени ГАГАРИНА Ю.А.

042014^2567 пРавахрукописи

Кравченко Станислав Алексеевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Бирюков Владимир Петрович

Саратов - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения и сокращения 5

Введение 7 Глава 1. Анализ особенностей управления процессом токарной обработки

нежестких валов. Постановка задачи работы 15

1.1 Особенности обработки нежестких валов 15

1.2 Структурная схема процесса резания как объекта управления 16

1.3 Обзор существующих систем управления процессом токарной обработки нежестких валов 18

1.3.1 Система управления продольным профилем путем корректировки положения резца по поперечной оси 18

1.3.2 Каскадная система управления продольным профилем 19

1.3.3 Система программного управления продольным профилем валов 20

1.3.4 Система управления профилем нежесткого вала при токарной обработке по настраиваемому копиру 21

1.3.5 Автоматизированная система управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке 23

1.4 Анализ систем управления. Постановка задачи работы 26 Глава 2. Выявление путей доработки объекта управления для создания условий эффективной работы обратной связи 39

2.1 Обзор методов синтеза систем управления 39

2.2 Постановка расширенной задачи управления и методика ее решения 45

2.3 Выбор первых этапов решения задачи повышения эффективности обратной связи системы управления процессом

токарной обработки 56 Глава 3. Решение задачи повышения эффективности обратной связи

внешнего контура системы управления 60 3.1 Исследование влияния величины транспортного запаздывания

2

на эффективность работы системы 60

3.2 Исследование влияния интенсивности среднечастотной составляющей возмущений на эффективность работы системы управления 75

3.3 Исследование влияния переменной составляющей силы

резания на точность обработки нежестких валов 81

3.4 Разработка контура управления силой резания путем

корректировки продольной подачи 83

3.4.1 Функциональная и структурная схема системы управления 83

3.4.2 Идентификация моделей элементов системы 85

3.4.3 Идентификация модели объекта управления 85

3.4.4 Построение модели возмущающего воздействия 96

3.4.5 Синтез и анализ эффективности регулятора силы резания 97

3.4.6 Исследование грубости системы управления 100 Глава 4. Структура и математическая модель динамического компенсатора 104

4.1 Исследование влияния взаимосвязи силы резания и положения

резца по поперечной оси на эффективность системы 104

4.2 Синтез ЛКГ-регулятора для многомерного объекта управления

силой резания и положением инструмента по поперечной оси 107

4.3 Динамическая компенсации взаимного влияния каналов

управления 110

4.4 Система управления силой резания и положением инструмента с динамической компенсацией 113 Глава 5 Система управления продольным профилем нежестких валов

с новой структурой и алгоритмом управления 116

5.1 Система управления продольным профилем нежестких валов с

новой структурой и алгоритмом управления 116

5.2 Реализация разработанной системы управления 119

Заключение и основные выводы по работе 126

Список используемых источников 129 Приложение 1 Программно-аппаратное обеспечение экспериментальных

исследований 140

Приложение 2 Модели объекта управления в пространстве состояний 161

Приложение 3 Листинги программного обеспечения в среде МайаЬ 170

Приложение 4 Экспериментальные данные 174

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ОУ - объект управления;

УУ - устройство управления;

САУ - система автоматического управления;

ТП - технологический процесс;

ММ - математическая модель;

МНК - метод наименьших квадратов;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЭП - электропривод;

ЛП - линейный привод;

ПО - программное обеспечение;

СОЖ - смазывающе-охлаждающая жидкость;

АЧХ - амлитудо-частотная характеристика;

АЧХ/"- амлитудо-частотная характеристика системы управления по возмущению;

УС - упругая система;

ЭУС - эквивалентная упругая система;

ПИД-регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор;

ЛКГ-регулятор - линейно-квадратичный гауссов регулятор; п.д, - период дискретизации; v - скорость резания; s - величина подачи; t - глубина резания, f - возмущающее воздействие; и - управляющее воздействие; t - время, с;

г - величина транспортного запаздывания

ст2 - дисперсия;

т] - корреляционное отношение;

- передаточная функция;

- передаточная функция формирующего фильтра;

- спектральная плотность; Р - сила резания;

р - дифференциальный оператор Лапласа.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Перспективным направлением повышения эффективности металлообработки в машиностроении является создание автоматизированных систем управления процессами резания. Даже при использовании современных токарных станков ведущих фирм производителей, позволяющих достигать точности обработки до единиц микрон, данный подход является единственным, обеспечивающим компенсацию влияния изменения силовых воздействий при колебаниях припуска, характеристик материала, износа инструмента и других неконтролируемых возмущающих воздействий. Особое значение автоматизированные системы управления имеют при обработке нежестких валов, компенсируя деформации смещения задней и передней бабок и изгиба заготовки и обеспечивая высокую точность обработки без снижения производительности.

Вопросами исследования процессов резания как объектов управления, созданием систем контроля и управления данными процессами занимались Ку-динов В.А., Попов В.И., Локтев В.И., Бармин Б.П., Жарков И.Г., Аршанский М.М., Кедров С.С., Балакшин Б.С., Соломенцев Ю.М., Схиртладзе А.Г., Зако-воротный В.Л., Васин С.А., Подураев В.Н., Драчев О.И., Петраков Ю.В., Расторгуев Д.А., Невельсон М.С., Бржозовский Б.М. и другие ученые.

Однако сложность, нелинейность, изменение закономерностей процессов резания, характеристик упругих систем станков, взаимосвязанность управляемых параметров приводят к невозможности создания эффективных систем управления непосредственно качественными показателями обработанных изделий по обратной связи. Под эффективностью понимается возможность снижения дисперсии регулируемых переменных до требуемых значений.

Это привело к созданию большого количества систем стабилизации возмущающих воздействий, режимных параметров процессов резания. Но возможность стабилизации отдельных возмущающих воздействий и режимных па-

7

раметров при наличии других возмущений не всегда решает поставленную задачу управления. Поэтому является актуальной задача обеспечения эффективности систем управления качественными показателями обработанных изделий по обратной связи.

Важным направлением обеспечения эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами резания, отличающимися большим уровнем неконтролируемых возмущающих воздействий, может быть использование методологии расширенной задачи управления, разработанной в СГТУ имени Гагарина Ю.А. по программе "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)", проект № 2.1.2/7193 «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими процессами с неконтролируемыми широкополосными статистическими возмущающими воздействиями» с дальнейшим расширением программы на процессы металлообработки (2011 год).

Данная методология направлена на создание эффективных систем управления процессами, у которых динамические характеристики по управляющим воздействиям не соответствуют спектральным характеристикам возмущающих воздействий и типовой подход, включающий построение математической модели объекта управления и синтез оптимального регулятора, не позволяет создать эффективную систему. Суть расширенной задачи заключается в целенаправленном изменении исходных данных для синтеза регулятора путем формализованной доработки объекта управления, структуры системы и создания тем самым условий для эффективной работы обратной связи разрабатываемой системы. Введенные показатель управляемости объекта управления для оценки достижимой точности управления, частотные диапазоны эффективной и неэффективной работы обратной связи, методика доработки объекта управления на основе анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущению и спектральной плотности возмущения, построенная по результатам анализа методов повышения эффективности сис-

8

тем управления различных исследователей, позволяют целенаправленно, с количественным контролем на каждом шаге вести работу по повышению эффективности разрабатываемой системы управления. Эффективность методологии делает актуальным исследование возможности и особенностей ее применения при построении систем управления процессами токарной обработки.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы управления продольным профилем нежестких валов при токарной обработке путем формализованного создания условий эффективной работы обратной связи на основе расширенной задачи управления.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. На основании методологии расширенной задачи управления выявить пути доработки объекта управления и структуры системы для создания условий эффективной работы внешнего контура обратной связи.

2. Обеспечить повышение эффективности системы путем расширения частотной зоны эффективной работы обратной связи и снижения интенсивности возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы обратной связи.

3. Разработать структуру и математическую модель динамического компенсатора взаимосвязи тангенциальной силы резания и положения резца по поперечной оси процесса токарной обработки.

4. Разработать новую структуру и алгоритм системы, обеспечивающие повышение эффективности управления продольным профилем нежестких валов.

Объект исследования. Объектом исследования является автоматизированная система управления продольным профилем нежесткого вала в процессе токарной обработки с оптимальным стохастическим ЛКГ-регулятором.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены на основе методов теории оптимального управления, анализа динамики станков, процессов резания и теории случайных процессов с использованием компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены на станке с ЧПУ 16А20ФЗ с использованием компьютерных систем измерений, включающих

метрологически обеспеченные элементы: датчик силы АС21, импульсный молоток АШ2, акселерометры АР2037, плату сбора данных ЛА2и8В-12.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов исследования, представительными выборками экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов, согласованностью построенных математических моделей с экспериментальными данными и результатами других авторов, использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, применением современного лицензионного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

1. На основе методологии расширенной задачи управления предложена методика последовательного синтеза систем управления процессами резания, заключающаяся в построении на первом этапе оптимальной системы управления по обратной связи, оценке достижимой точности управления для исходного объекта управления и формализованной итеративной доработке объекта управления и структуры системы на следующих этапах синтеза по результатам анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия с целью снижения дисперсии регулируемых переменных.

2. Выявлено, что возмущения вследствие колебания силы резания находятся в неэффективной зоне контура управления продольным профилем по обратной связи и приводят к сужению частотной зоны эффективной работы системы, повышению коэффициента передачи по возмущающему воздействию на регулируемую переменную, снижению прироста эффективности от уменьшения транспортного запаздывания; показано, что компенсация данного возмущения и устранение данных последствий возможна путем ввода в систему контура стабилизации силы резания, для которого данные возмущения находятся в зоне эффективной работы.

3. Показано, что наличие взаимосвязи силы резания и положения резца по

поперечной оси приводит к снижению коэффициента эффективности системы управления силой резания почти в 3 раза; развязка каналов управления путем введения в регулятор динамического компенсатора позволяет уменьшить взаим-ное влияние управляющих воздействий на данные параметры и восстановить эффективность системы стабилизации силы резания.

4. Предложены новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежестких валов, включающей более быстродействующую систему измерения диаметра обработанного вала в заданных точках, контур стабилизации силы резания для уменьшения среднечастотных возмущений в зоне неэффективной работы обратной связи, динамический компенсатор для динамической развязки каналов управления тангенциальной силой резания и положением режущего инструмента по поперечной оси, что позволило расширить зону эффективной работы системы с 0,05 до 0,13 колебаний/период дискретизации, повысить эффективность отработки возмущений в данной зоне в 1,6 и более раз.

Практическая значимость. Использование полученных результатов позволяет путем уменьшения динамической ошибки обработки деталей производить токарную обработку на повышенных режимах резания или обрабатывать детали с более жесткими требованиями по точности обработки без снижения производительности. Способ исследования эффективности системы управления путем анализа взаимного расположения амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы по возмущающему воздействию и спектральной плотности возмущающего воздействия может быть применен для решения задач повышения эффективности других систем управления в металлообработке. Разработанная система позволяет уменьшить ошибку управления, что подтверждено опытной обработкой нежестких валов на станке 16К20ФЗ. Разработанные компьютерные системы измерения сил резания и исследования качественных показателей обработанных изделий, программа обработки экспериментальных данных используются при проведении научно-исследовательских работ, а также при проведении занятий по дисциплинам

«Математическое моделирование процессов машиностроения», «Теория автоматического управления», «Адаптивные системы управления» на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления.

Разработанная система управления продольным профилем нежестких валов рекомендована к внедрению на предприятиях ОАО «Волгодизельмаш им. Маминых», ОАО «Волгодизельаппарат».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Направления доработки объекта управления и структуры системы управления, выявленные по результатам рассмотрения расширенной задачи управления и математического моделирования работы системы управления.

2. Полученные результаты зависимости эффективности системы от величины транспортного запаздывания объекта управления и интенсивности среднечастотных возмущающих воздействий.

3. Многосвязная система управления силой резания и положением резца по поперечной оси с динамическим компенсатором.

4. Новые структура и алгоритм системы управления продольным профилем нежесткого вала, численное моделирование работы которой показало снижение ошибки управления внешнего контура более чем в 2 раза и позволило сделать вывод о достижении поставленной в работе цели.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009 г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы автоматизи�