автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Система оптимального управления процессом токарной обработки на станках с ЧПУ

Введение

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СИСТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ.

1.1. Показатели оптимальности процесса токарной обработки

1.2. Системы предельного регулирования

1.3. Поисковые и беспоисковые системы оптимального управления.

1.4. Постановка задач исследования.

ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ КАК

ОБЪЕКТА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Построение и исследование области управления с учётом основных технических ограничений

2.2. Алгоритмы расчёта и оптимального управления процессом токарной обработки

2.3. Определение необходимых условий экстремума показателя оптимальности

2.4. Обеспечение достаточных условий шнимума себестоимости обработки

ГЛАВА Ш. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССОМ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ (С0Л1Т0)

3.1. Определение условий инвариантности системы оптимального управления.

3.2. Оценка устойчивости системы управления . 9?

3.3. Анализ статических характеристик

3.4. Исследование динамического качества СОУЯТО

ШВА 1У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОУПТО НА

СТАНКАХ С ЧПУ .Ш

4.1. Экспериментальное исследование процесса оптимизации токарной обработки

4.2. Расчёт параметров СОУНТО

4.3. Исследование устройства для измерения радиальной составляющей силы резания

4.4. Методика испытаний системы оптимального управления и анализ результатов

Утвержденные ХХУ1 съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 198I-1985 годы и на период до 1990 года" предусматривают опережающее развитие машиностроения на основе передовых технологических процессов и гибких переналаживаемых систем.

В XI пятилетке предусмотрено значительное увеличение выпуска станков с числовым программным управлением /ЧПУ/ как одного из важнейших средств гибких автоматизированных производств. Одной из основных областей его применения является мелкосерийное и серийное цроизводство деталей типа тел вращения. Эффективное использование токарных станков с ЧПУ во многом определяется наличием систем управления режимами работы станков, обеспечивающих оптимальное ведение процесса обработки с учетом изменяющихся условий резания. Применение этих систем позволяет повысить производительность станков в 1,2-1,3 раза, снизить себестоимость обработки на 15-20%, повысить стойкость режущего инструмента. Исследование процесса токарной обработки, как объекта оптимизации, разработка и исследование системы управления, учитывающей нестационарность процесса резания на токарном станке с ЧПУ, является актуальной задачей.

Большой вклад в решение проблемы оптимального управления процессами металлообработки внесли советские и зарубежные ученые: Б.С.Балакшин, Б.М.Базров, А.М.Корытин, В.Г.Митрофанов, В.Н.Михельвевич, В.Н.Подураев, Ю.М.Соломенцев, М.М.Тверской, Н.К.Шапарев, Г.Ю.Якобе и многие другие.

Вопросы повышения производительности станков с ЧПУ рассмотрены в работах М.А.Вульфсона, А.П.Гавриша, В .В .Кувшинского, В.А.Ратмирова, В.Л.Сосонкина,^Ю.С.Шарина и ряда других исследователей.

Важнейшие работы, направленные на создание систем оптимального управления станками с ЧПУ выполнены в Мосстанкине, ЭНИМСе, ИМАШе, МЭИ, МВТУ им .Баумана и других организациях;

Несмотря на интенсивную разработку и исследование систем оптимального управления процессами металлообработки, некоторые проблемы в этой области остаются нерешенными, что в известной степени задерживает внедрение таких систем в промышленности и обусловливает актуальность задачи их дальнейшего усовершенствования.

Цель работы - разработка и исследование алгоритмов расчета и оптимального управления параметрами режима резания для токарных станков с ЧПУ по критериям максимальной производительности оборудования, минимальной себестоимости обработки в условиях основных технических ограничений, синтез и реализация системы оптимального управления процессом токарной обработки /СОУПТО/ на станках с ЧПУ, обеспечивающей повышение производительности и снижение себестоимости обработки за счет учета нестационарности цроцесса резания, связанной с износом режущего инструмента.

Для достижения поставленной в работе цели должны быть решены следующие задачи.

1. Построение областей и алгоритмов расчета и оптимального управления, обеспечивающих экстремум выбранного показателя оптимальности с учетом основных технических ограничений.

2. Экспериментальная проверка алгоритмов расчета оптимальных режимов резания на токарных станках с ЧПУ.

3. Разработка и исследование СОУПТО, исследование статических и динамических характеристик, выбор критериев оценки качества системы.

4. Разработка методики расчета конструктивных параметров, испытания системы в производственных условиях.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения. Работа выполнена в Севастопольском приборостроительном институте на кафедре автоматизации и комплексной механизации машиностроения.

ОСНОВНЫЕ ВЬШОДЫ

1. Предложенная математическая модель процесса токарной обработки, как объекта управления, учитывающая целевую функцию и основные технические ограничения, позволяет находить области оптимальных параметров режима•резания для различных материалов пары "инструмент-заготовка" и различных станков с ЧПУ, произвести выбор стратегии и алгоритмов управления по показателям максимальной производительности оборудования и минимальной себестоимости при условии обеспечения заданной точности обработки.

2. Алгоритмизация расчёта оптимальных режимов резания, базирующаяся на математической модели процесса, и экспериментальная проверка полученных алгоритмов позволили разработать программы расчёта на ЭВМ режимов резания, предназначенные для включения в качестве специализированных подсистем в библиотеку технологических алгоритмов систеш автоматизированного программирования токарной обработки.

3. В результате исследования областей оптимальных параметров режима резания установлено, что оптимальные режимы, как правило, лежат на ограничениях по силе резания и подаче, обусловленной заданной шероховатостью обработанной поверхности. Характер изменения режимов резания, полученных экспериментальным и расчётным путём, сходен, а отклонения расчётных и экспериментальных данных не превышают 15%.

4. При токарной обработке заготовок на станках с ЧПУ и регулировании параметров режима резания задачу оптимального управления следует рассматривать как вариационную, показатель оптимальности представлять в виде функционала и искать целевую функцию, обеспечивающую экстремум этого функционала.

5. Определение необходимых и достаточных условий экстремума принятого показателя оптимальности позволило разработать новый способ управления процессом токарной обработки, учитывающий нестационарность процесса резания, вызванную износом режущего инструмента. Показано, что на полученной экстремали достигается сильный минимум данного функционала.

6. Установлена возможность достижения минимума себестоимости или максимума производительности оборудования при обеспечении заданной точности в условиях превалирующего влияния на процесс резания износа режущего инструмента одним контуром управления.

7. Исследования СОУПТО,реализующей предложенный способ управления процессом токарной обработки,на устойчивость и обеспечение условий её инвариантности позволили разработать методику инженерного расчёта статических и динамических характеристик системы, обеспечивающих заданные показатели качества функционирования СОУПТО.

8. Разработан комплекс технических средств для оснащения участка станков с ЧПУ, в который входят измерительные преобразователи силы и испытательная аппаратура. Преобразователи силы обеспечивают избирательное измерение радиальной составляющей силы резания и не вносят существенных изменений в конструкции станков. Гидравлический испытательный стенд оригинальной конструкции позволяет по заданной программе с высокой разрешающей способностью и стабильностью информативных параметров входных сигналов производить градуировку и исследовательские испытания измерительных устройств.

9. Реализованная на базе станка с ЧПУ мод.1А616ФЗ и испытанная в производственных условиях по разработанной программе и методике система оптимального управления обеспечивает стабильные показатели качества управления за весь период стойкости режущего инструмента. Отклонение полученных частных динамических характеристик от расчётных значений не превышает 20%. Система работоспособна при изменении параметров режима резания в следующих пределах: t = 0,3-4,5 мм; lT = 70-150 м/мин; Sm = 100-450 мм/мин. Экспериментальная проверка и результаты внедрения подтверждают эффективность разработанной систеш оптимального управления для станков с ЧПУ.

10. Разработанную СОУПТО и преобразователи радиальной составляющей силы резания можно рекомендовать для широкого внедрения на станках с ЧПУ, оснащенных регулируемыми электроприводами постоянного тока в качестве привода главного движения.

11. Использование СОУПТО позволяет повысить производительность труда в 1,2-1,3 раза и снизить технологическую себестоимость обработки деталей в среднем на 27$. Экономический эффект от внедрения программ расчета на ЭВМ режимов резания и системы оптимального управления токарным станком с ЧПУ составил 40 тыс. руб. в год.

1. А.с. 658530 (СССР). Устройство для программного управления обработкой нежестких деталей (Тараненко Б.А., Ямпольский Л.С. - Опубл.в Б.И., 1979, JS 15.

2. А.с. 715964 (СССР). Машина для испытания образцов материалов при растяжении и сжатии (Трсценко Б.В., Троценко А.В., Тараненко В.А., Ямпольский ji.c. Опубл.в Б.И.,1980, № 6.

3. А.с. 44II32 (СССР). Способ оптимизации режима резания на металлорежущих станках (Лищинский Л.Ю.-Опубл.в Б.И.,1975,№ 32.

4. А.с. 438004 (СССР). Блок оптимизации режимов обработки для станков с ЧПУ (Кереселидзе Р.Д.и др.-Опубл.в Б.И.,1975,$ 28.

5. А.с. 473592 (СССР). Способ обработки деталей на станках с программным управлением и адаптивной системой регулирования режимов резания (Городецкий М.С. и др. Опубл. в Б.И.,1975, В 22.

6. А.с. 475220 (СССР). Адаптивная система управления токарным станком (Абакумов A.M. и др. Опубл.в Б.И.,1975, № 24.

7. А.с. 507860 (СССР). Автоматизированная система управления режимами резания (Каминская В.В.и др.-Опубл.в Б.И.,1976,$ II.

8. Абакумов A.M., Денкевиц В.А., Панарин В.И. Применение автоматических систем управления токарной обработкой. Станки и инструмент, 1973, $ 3, с.14.

9. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механосборочного производства (Под ред.Н.М.Капустина. М.: Машиностроение, 1979. - 247 с.

10. Адаптивное управление станками (Под ред. Б.С.Балакшина. М.: Машиностроение, 1973, - 688 с.

11. Адаптивное управление технологическими процессами (Ю.М.Соло-менцев,В.Г.Митрофанов,С.П.Протопопов и др. М.: Машиностроение ,1980. - 536 с.

12. Адаптивное управление металлорежущими станками (Г.В.Бронштейн, М.С.Городецкий и др. М.: НииМаш,1973. - 227 с.

13. Армарего И.Дк.А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. -М.: Машиностроение, 1977. 325 с.

14. Атаманов С.А. Адаптивное управление процессом токарной обработки на станке с ЧПУ. Станки и инструмент, 1975, 5,с.9.

15. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподна-страивающихся станков. М.: Машиностроение,1978. - 216 с.

16. Балакшин Б.С. Необходимость оборудования программных станков системами адаптивного управления. Станки и инструмент,1973, J& 3, с.4-6.

17. Берман A.M. Технологически-ориентированная универсальная система машинного программирования для станков с ЧПУ. Станкии инструмент, 1980, № 12, с.3-5.

18. Берман И.В., Матуха С.Л., Рутштейн В.Г. Адаптивная система управления для токарных станков с ЧПУ. Станки и инструмент, 1978, й 6,с.13.

19. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического управления. М.: Наука, 1970. - 250 с.

20. Бесекерский В.А., Попов К.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. - о56 с.

21. Великанов К.М., Новожилов В.И. Экономичные режимы резания металлов. JI.: Машиностроение, 1972. - 120 с.

22. Вульф A.M. Резание металлов. М-Л.: Машгиз,1963. - 495 с.

23. Вульфсон М.А., Дерябин А.Л. Алгоритм расчёта режимов резания при подготовке на ЦВМ программы для станков с программным управлением. Вестник машиностроения,1965,$ 9,с.7-9.

24. Гавриш А.П.,Юмашев В.Е. Подготовка управляющих программ для фрезерных станков с ЧПУ с учётом систематической составляющей погрешности. В кн.: Оптимизация управления прогрессивными технологическими процессами в машиностроении, Ереван, 1930.

25. Гаврилов А.Н.,Сизенов И.К. Построение математических моделей для расчёта точности технологических процессов. М.: Стандарты и качество,1967,$ 5,с.14.

26. Гильман A.M.,Брахман JI.A.,Батщев Д.И.,Матяева Л.К. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1972. - 188 с.

27. Голубева М.В.,Кочинев Н.А. Некоторые особенности чистового точения на станках с шаговым приводом подач. Станки и инструмент, 1978,$ I,c.II-I3.

28. Горанский Г.К. Расчёт режимов резания при помощи ЭВМ. Шнек.: Гос.изд.БССР,1963,184с.

29. Горанский Г.К.Владимиров Е.В.Дамбин Л.Н. Автоматизация технического нормирования на металлорежущих станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение,1970, 240с.

30. Горанский Г.К. Элементы теории автоматизации машиностроительного проектирования с помощью вычислительной техники. Том I, Конструирование, Наука и техника, Минск, 1970.

31. Горанский Г.К., Цветков В.Д. Элементы теории автоматизации машиностроительного проектирования с помощью вычислительной техники. Том 2,Технология проектирования,Минск: Наука и техника, 1971.

32. Городецкий М.С.,Митьков B.C.,Новосельский Е.В.,Олейник В.М. Систеш управления с са мо пр огра ммирова ни ем для автоматизированного участка токарной обработки. Станки и инструмент, 1978,15 9,с.19.

33. Грановский Г.И. О методике исследования и назначения режимов резания на автоматических линиях. Вестник машиностроения, 1963,й 10,с.10.

34. Дамбраускас А.II. Симплексный поиск. М.: Энергия, 1979.-176с.

35. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Изд.стандартов, 1973.- 192 с.

36. Дробушевич -i-'.A. Программирование на ФОРТ РА Не. шнек.: Изд. БГУ им.В.И.Ленина,1976.- 272 с.

37. Душинский В.В., Нуховский Е.С., Радченко С.Г. ОптимизацияIтехнологических процессов в машиностроении.- К.: Техн1ка, 1977. 176с.

38. Егоров К.В. Основы теории автоматического регулирования. М.: Энергия, 1967. - 365 с.

39. Зайцев Г.Ф. Достюк В.И.,Чинаев 11.И. Основы автоматического управления и регулирования. К.: Техн1ка,1975.- 496 с.

40. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. - 295 с.

41. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. -ГЛ.: Машиностроение, 1973, 334 с.1.♦ •

42. Игумнов Б.Н. Расчёт оптимальных режимов обработки для станков и автоматических линий. М.:Машиностроение,1974.- 200 с.

43. Инженерные расчёты на ЭВМ: Справочное пособие (Под ред. ' \

44. В.А.Троицкого. Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние,1979.-288 с.

45. Каминская В.В. Направления развития адаптивных систем управления для станков с ЧПУ. Станки и инструмент,1973,$ 3,с.2-4.

46. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М.: Машиностроение,1974. - 231 с.

47. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. - 199 с.

48. Кобринский А.Е. Девковский Е.И.,Серков Н.А. Классификация систем управления станками по информационным признакам. -Станки и инструмент,1971,$ 1,с.1-4.

49. Колев К.С.,Горчаков JI.M. Точность обработки и режимы резания.-М.: Машиностроение,1976. 144 с.

50. Колкер Я.Д. Математический анализ точности механической обработки деталей. К.: Техн1ка,1976. - 200 с.

51. Корн Г.Дорн Т. Справочник по математике. М.: Наука,1973, 650с.

52. Корытин A.M.,Петров Н.К.,Радимов С.Н.,Шапарев Н.К. Автоматизация типовых технологических процессов и промышленных установок. Киев-Одесса.: Вища школа,1980. - 372 с.

53. Корытин A.M. ,Шапарев Н.К. Оптимизация управления металлорежущими станками. М.: Машиностроение,1974. - 200 с.

54. Кувшинский В.В. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. М.: Машиностроение,1972. - 272 с.

55. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение,1967. -376 с.

56. Кухтенко А.И. Задачи инвариантности до £ для систем ре1ули-рования по отклонению. В кн.: Теория инвариантности и ее применение в автоматических устройствах. АН УССР. М.,1959,с.40-58.

57. Кушяерёв Н.Т./Немельман М.Е.,Цагельский В.И. Программирование для ЭВМ "Минск-32". М.: Ста тистика,1972. - 248 с.

58. Лебедев A.M. и др. Тиристорный следящий электропривод. М.: Энергия,1972. - 223 с.г- >

59. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков.-М.: Машиностроение,1978.- 184 с.

60. Лищинский Л.Ю. Динамические характеристики автоматических станочных систем многосвязанного регулирования. Станки и инструмент,1975, $ 2, с.3-5.

61. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.

62. Маталин А.А. Точность механической обработки и проектированиетехнологических процессов. Л.: Машиностроение, 1970.- 235с.

63. Медведев Д.Д. Автоматизированное управление процессом обработки резанием. М.: Машиностроение,1980. - 143 с.

64. Мерриэм К. Теория оптимизации. М.: Мир,1967. - 549 с.

65. Митрофанов С.П. ,Гульнов 10.А. .Куликов Д.Т. Автоматизация технологической подготовки серийного производства. М.: Машиностроение, 1974. - 360 с.

66. Михайлов 0.П.,Цейтлин Л.И. Измерительные устройства в системах адаптивного управления станками. М.: Машиностроение, 1978. - 152 с.

67. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. М.: Машиностроение,1975. - 304 с.

68. Найдис В.А. и др. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Системы постоянного тока на тиристорах. М.-Л.: Энергия, 1966.68