автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение шероховатости обрабатываемых поверхностей деталей машин на основе адаптивного управления

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Формирование поверхностного слоя деталей машин при механической обработке.

1.1.1. Влияние геометрии инструмента и кинематики его рабочего движения на шероховатость поверхности.

1.1.2. Влияние колебаний режущего инструмента и состояния технологического оборудования на шероховатость поверхности.

1.1.3. Влияние пластических деформаций металла поверхностного слоя на шероховатость поверхности.

1.1.4. Влияние шероховатости и материала режущей части инструмента на шероховатость обработанной поверхности.

1.2. Анализ существующих систем адаптивного управления.

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ.

2.1. Постановка технологической задачи.

2.2. Общий вид схемы управления и система адаптивного управления.

2.3. Выбор способа адаптивного управления.

2.3.1. Выбор источника информации.

2.3.2. Выбор закона управления и способа внесения поправки.

2.4. Разработка системы адаптивного управления.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ.

3.1. Особенности измерения неровностей поверхностей.

3.2. Расчет погрешности измерения параметра шероховатости Rmax от неправильного расположения измерительного средства на объекте измерения.

3.2.1. Расчет погрешности измерения параметра Rmax от установки датчика на поверхность детали при смещении оси измерительного средства относительно оси объекта измерения.

3.2.2. Расчет погрешности измерения параметра Rmax при повороте измерительного средства вокруг собственной оси.

3.2.3. Расчет погрешности измерения параметра Rmax при смещении и повороте измерительного средства вокруг собственной оси.

3.3. Расчет погрешности измерения параметра Rmax от измерительного усилия.

3.4.Погрешность измерения, вызванная цепью прохождения измерительного сигнала.

3.5.Расчет динамической погрешности при измерении параметра шероховатости Rmax.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Условия проведения экспериментов.

4.2. Результаты экспериментальных исследований с использованием разработанной системы адаптивного управления.

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

5.1. Обеспечение качества обработанной поверхности при обработке крупногабаритных деталей.

5.2. Обеспечение геометрической точности и качества поверхности при обработке нежестких деталей.

5.3.Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования системы адаптивного управления шероховатостью обработанной поверхности при обработке штоков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Основные эксплуатационные свойства деталей машин зависят не только от точности их изготовления, но в значительной мере определяются качеством их поверхностей.

Одной из основных характеристик качества поверхности является шероховатость.

При обработке деталей колебание твердости заготовок, припусков и исходной шероховатости, а также износ инструмента приводят к изменению шероховатости обрабатываемой поверхности. Так при затуплении режущего инструмента шероховатость поверхности в процессе обработки при точении может увеличиться на 50 - 60 %.

При обработке нежестких деталей (1/d > 10) колебания шероховатости обработанной поверхности дополнительно в значительной мере определяется изменением жесткости технологической системы. Поэтому обеспечение заданной шероховатости на рабочем месте при колебаниях твердости заготовки, износе инструмента (крупногабаритные детали) и изменяющейся жесткости (нежесткие детали) является актуальной задачей.

Решение этой задачи возможно за счет использования системы адаптивного управления шероховатостью обработанной поверхности, которая позволит технологической системе адаптироваться к изменяющимся условиям обработки и тем самым обеспечить заданное качество обработанной поверхности.

Целью работы является технологическое обеспечение заданной шероховатости обработанной поверхности на рабочем месте с использованием системы адаптивного управления процессом механической обработки.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1) создать технологические основы для проектирования адаптивной системы управления параметрами качества обрабатываемых поверхностей деталей машин;

2) разработать алгоритм функционирования и структурную схему системы адаптивного управления;

3) разработать программное обеспечение для функционирования системы адаптивного управления;

4) создать систему адаптивного управления процессом механической обработки, обеспечивающую заданную шероховатость обработанной поверхности;

5) провести экспериментальные технологические исследования с использованием разработанной системы адаптивного управления.

Методика исследований. При выполнении работы использовались научные основы технологии машиностроения и теории автоматического управления. Экспериментальные технологические исследования проводились с использованием разработанной системы адаптивного управления, в которой было задействовано современное оборудование.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Технологический подход к разработке адаптивных систем управления параметрами качества обрабатываемых поверхностей деталей машин.

2. Способ адаптивного управления шероховатостью обработанной поверхности при механической обработке.

3. Алгоритм функционирования и структурная схема системы адаптивного управления.

4. Система адаптивного управления процессом механической обработки, обеспечивающая заданную шероховатость обработанной поверхности. Научная новизна.

1. Разработан способ адаптивного управления процессом механической обработки для обеспечения заданной шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки. Под способом адаптивного управления понимается способ получения информации о текущем значении шероховатости обработанной поверхности, закон управления процессом механической обработки по параметру шероховатости и способ внесения поправки в ход процесса механической обработки.

2. Определена степень влияния величины продольной подачи и скорости резания на формирование шероховатости обработанной поверхности при широком диапазоне изменения входных технологических факторов.

3. Разработан и реализован алгоритм функционирования системы адаптивного управления.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждаются результатами экспериментальных технологических исследований, проведенными с использованием разработанной системы адаптивного управления.

Практическая значимость.

1. Разработана и изготовлена система адаптивного управления шероховатостью обрабатываемой поверхности.

2. Для индуктивного дифференциального датчика разработана и изготовлена специальное устройство, позволяющее измерять шероховатость обработанной поверхности в процессе обработки.

3. Разработан пакет программ для реализации алгоритма функционирования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ 1999, 2000 г.г.; на Всероссийском научно-практическом семинаре «Современное состояние станочного парка и задачи по его обновлению», Новосибирск, 2000 г.; на 4-й Международной научно-технической конференции «Качество машин», Брянск, 2001 г.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Созданы технологические основы при проектировании САУ параметром качества обрабатываемых поверхностей деталей машин.

2. Разработан способ адаптивного управления процессом механической обработки для обеспечения заданного параметра шероховатости обработанной поверхности заготовки.

3. Определена степень влияния величины продольной подачи и скорости резания на формирование шероховатости обработанной поверхности при широком диапазоне изменения входных технологических факторов.

4. Разработан и реализован в виде пакета программ алгоритм функционирования системы адаптивного управления.

5. Разработана и изготовлена система адаптивного управления для обеспечения заданного • параметра шероховатости обработанной поверхности заготовки.

128

1. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. - М: Машиностроение, 1988. - 136 с.

2. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1966. - 359 с.

3. Ташлицкий Н.И Первичный источник энергии возбуждения автоколебаний при резании металлов.// Вестник машиностроения, 1960 № 2.-с. 45 -50.

4. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1988. - 136 с.

5. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М: «Машиностроение», 1987, 208 с.

6. Сулима A.M., ШуловВ.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин, М.: «Машиностроение», 1988, 240 с.

7. Справочник по технологии резания металлов. В 2-х кн. Кн. 1./ Ред. нем. изд.: Г. Шпур, Т. Штеферле; Пер. с нем. В.Ф. Колотенкова и др.; Под. ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1985. - 616 с.

8. Елезаветин М.А. Повышение надежности машин. М.: «Машиностроение», 1974, 430 с.

9. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерения и анализ шероховатости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978, 232 с.

10. Ю.Суслов А.Г., Сухарев С.О., Петрешин Д.И. Обеспечение качества поверхностного слоя деталей при эксплуатации.// Справочник. Инженерный журнал. 1999. №5. с. 19-23.

11. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л.: «Машиностроение», 1972, 210 с.

12. Рыжов Э. В., Суслов А. Г., Федоров В Л, Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М: «Машиностроение», 1979, 176 с.

13. Сулима A.M., Евстегнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: «Машиностроение», 1974, 225 с.

14. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т.1/ А.Г.Суслов, Э.Д.Браун, Н.А. Виткевич и др. М.: «Машиностроение», 1995, 256 с.

15. Маталин А.А. Технология механической обработки. Д.: «Машиностроение», 1977, 460 с.

16. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т.1/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: «Машиностроение», 1985, 694 с.

17. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т .2/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: «Машиностроение», 1985, 568 с.

18. Аврутин Ю.Д. Формирование шероховатости поверхности деталей при шлифовании периферией круга// Станки и инструмент. 1979. №7. С. 21-26.

19. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей./ В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В. Константинов и др.-М:: Изд-во МАИ, 1993. 184 с.

20. Машиностроение. Энциклопедия/ Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.; М38 Машиностроение

21. Технология изготовления деталей машин Т. III 3/ A.M. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.; Под общ. ред. А.Г. Суслова 2000. 840 с.

22. Маталин А.А. Технология машиностроения. JI.: «Машиностроение», 1985,512 с.

23. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Чеповецкий И.Х., Чистов В.Ф. Влияние зернистости алмазных брусков на эластичных связках на шероховатость и контактную жесткость ' хонингуемых поверхностей// Вестник машиностроения, 1975, №10. с. 26-31.

24. Силин С.С. Методы подобия при резании металлов. М.: «Машиностроение», 1979, 153 с.

25. Любимов В.Е. Технологические основы управления системой резания по шероховатости обработанной поверхности. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Киев, 1992, 30 с.

26. Кабалдин Ю.Г., Дунаевский Ю.В., Медведева О.И., Серебренникова А.Г. Управление качеством поверхностного слоя при резании в автоматизированном производстве// Вестник машиностроения. 1993. №3. с. 36-39.

27. Волосов С.С. Основы точности активного контроля размеров. М.: «Машиностроение», 1969.

28. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. М.: «Машиностроение», 1976, 278 с.31 .Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989.-296 с.

29. Козлов В. А. Структурно-параметрическая оптимизация точения материалов на основе математического моделирования процесса обработки. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Рыбинск, 1999,444 с.

30. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Технологическое управление качеством и эксплуатационными свойствами поверхностей. Тула: ТПИ, 1980, 100 с.

31. ГОСТ 8.242 77 Профилографы.

32. ГОСТ 19300 -86 Профилографы профилометры контактные.

33. ГОСТ 2789 73 Шероховатость поверхности.

34. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. - 244с.

35. Михайлов А.Н. Модульная направленность развития техносферы//Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов в г. Севастополе 8-11 сентября 1998 г. в 3-х томах. Т.2- Донецк: ДонГТУ. Вып.6, 1998 с. 224-228.

36. Обработка поверхности и надежность материалов/ Пер. с англ.; Под ред. Дж. Бурке, Ф. Вайса. М.: Мир, 1984. - 192 с.

37. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы (теория, расчет, проектирование): В 2 т., Т. 2: Методы измерений, устройство и проектирование приборов. М.: Изд.-во стандартов. - 1986. - 224с.

38. Солод В.И., Глушко В.В., Бутузов B.C. Унифицированные системы автоматического управления резанием. М.: Машиностроение, 1975, 102 с.

39. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наук. Думка, 1984,272с.

40. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. - 320с.

41. Махмудов К.Г., Каноровцев В.В., Остафьев В.А. Диагностика состояния процесса резания// Станки и инструмент. 1994. №2. С. 17.

42. Мосталыгин Г.П., Марфицын В.В., ОстапчукА.К. Некоторые аспектыуправления качеством поверхности в условиях автоматизированного производства// Проблемы повышения качества, надежности и долговечности машин. Брянск, 1990. - с. 168.

43. Попов М.А. Структура самообучающейся адаптивной технологической системы прогнозирующего типа для многопроходной токарной обработки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тула, 1999. 23 с.

44. Городецкий М.С., Бейлин Л.П., Семенов А.А. Общие требования к адаптивным системам стабилизации силовых параметров процесса резания для токарных станков. «Станки и инструмент», 1974, № 8.

45. Кромаренко Ю.Б., Атаманов С.А., ШаевЕ. Я. Повышение точности и производительности многорезцовой токарной обработки.- «Станки и инструмент», 1974, № 8.

46. Схиртладзе А.Г., Ковальчук Е.Р. Автоматическое управление упругими перемещениями на горизонально-расточных станках «Станки и инструмент», 1974, №8, с. 24-27.

47. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей./ В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В. Константинов и др. М.: Изд-во МАИ, 1993. - 184 с.

48. Dutschke W., Kiessling W. D., Rau W. Oberflachen sensor zur Rauheitsmessung beim Aussenrund — Einstechschleifen. Z. ind. Fertig 1975 №65 S. 697 703.

49. Адаптивное управление технологическими процессами. / Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов и др. М.: Машиностроение,!980. 536 с.

50. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков. М.: Машиностроение, 1978. 216с.

51. Карплюк А.Ф. Обеспечение качества токарной обработки посредством адаптивного управления на основе виброметрической информации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Комсомольск-на-Амуре, 1999. 20 с.

52. FeinbergB. Adaptiv control: trainability adds a new dimesion. "Manuf. Eng. and Manag", 1971, 67, №6.

53. Ратмиров B.A., Чурин И.Н., Шмутер СЛ. Повышение точности и производительности станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1970. 280 с.

54. Рубашкин И.Б. Адаптивные системы взаимосвязанного управления электроприводами. JL: Энергия, 1975. 160 с.

55. Boer С., De Matherbe М.С., Venter R. Adaptiv control optimization for a numerically controlled melling Process// Proc. 18th Int Mach. Tool Des and Res. Conf. London: Wiley, 1978. P. 665 671.

56. Рубашкин И.Б., Алешин А.А. Микропроцессорное управление режимом металлообработки. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.- 160 с.

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

58. Техническая документация на станок 16Б16 ФЗ

59. Комплектный электропривод ЭТУ 3601. Руководство по эксплуатации, техническая характеристика ЭД.

60. Профилометр цеховой с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем. Модели 296. Паспорт.

61. Универсальный адаптер аналого-цифрового ввода/вывода N VL 03.Техническая документация. «Сигнал». Москва 1991.

62. Устройство 2С42 65. Руководство по эксплуатации. Альбом № 1

63. Суслов А.Г., Хандожко А.В., Петрешин Д.И. Автоматизированное измерение параметров шероховатости в статике и динамике./ Качество машин: Сб. тр. 4й междунар. науч.-техн. конф. В 2 т./ Под общ. ред. А.Г. Суслова. Брянск: БГТУ, 2001. - Т.1. С. 155-157.

64. Исаев А.И. Микрогеометрия поверхности при токарной обработке. JL: «Машиностроение», 1950. 106 с.

65. Рудзит Я. А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига: Зинатне, 1975. - 214 с.

66. Марочник сталей и сплавов/ В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, А.С. Вяткин и др.; Под общ.ред.В.Г. Сорокина.-М.: Машиностроение, 1989. -640с.

67. Фельдштейн Е.Э., Николаев В.А. Финишная механическая обработка деталей из порошковых материалов. Минск: Вышэйш.шк.,1987. - 210 с.

68. Демиденко А.И. Влияние состояния технологического оборудования на качество поверхности обрабатываемых деталей. Диссертация насоискание ученой степени кандидат технических наук. Брянск, 2001, 115с.

69. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов:: Справочник/ В.И. Баранчиков, А.В. Жаринов, Н.Д. Юдина и др.; Под общ ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1990. - 400 с.

70. Крамаренко Ю.Б., Атаманов С.А. Повышение точности и производительности многорезцовой токарной обработки «Станки и инструмент», 1974, № 8, с. 16-17.

71. Лаке В.К., Тараненко В.А. Повышение точности и производительности токарной обработки нежестких валов посредством адаптивного управления «Станки и инструмент», 1976, № 1, с. 5-6.