Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

КЛОЧКО Михайло Маркович

УДК 620.179.14 (088.8)

ОЦІНКА СТАНУ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ ДИНАМІЧНО НАСТРОЮВАНИХ ПРИЛАДІВ

Спеціальність 05.11.14 - "Технологія приладобудування"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університета України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Тимчик Григорій Семенович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ,

декан приладобудівного факультету, завідувач кафедри виробництва приладів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Киричок Петро Олексійович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ,

завідувач кафедри технологій поліграфічного виробництва, директор Видавничо-поліграфічного інституту

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Стахнів Микола Євстахійович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України, м. Київ,

старший науковий співробітник

Захист відбудеться “_02_” жовтня _ 2007 р. о 15:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корп.1, ауд. 293.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 30 ” серпня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18,

д-р техн.наук, доц. Бурау Н.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з нагальних проблем виготовлення надточних приладів систем керування літальними апаратами, систем навігації, вимірювання часу, механічних величин тощо, є проблема забезпечення точності та якості деталей цих приладів в умовах як серійного, так і дрібносерійного автоматизованого виробництва, що набуває особливого значення для забезпечення стабільного життєвого циклу надточних приладів. При виготовленні таких деталей основними є похибки формоутворення, що впливають на їх точність. Так, наприклад, при виготовленні динамічно настроюваних приладів (ДНП), зокрема динамічно настроюваних гіроскопів, особливий вплив на точність та надійність їх роботи мають деталі тіл обертання, похибки виготовлення яких впливають на надійність функціонування приладів та систем літальних апаратів. Тому проблема точності та якості деталей є нагальною для сучасного приладобудування.

При цьому якість деталей визначається відповідністю її геометричних розмірів і форми, встановленим на них допускам, та шорсткістю поверхні деталі. Останні, у свою чергу, залежать від стабільності технологічних процесів при їх виготовленні, а також точності використаного металооброблювального обладнання. Істотне підвищення точності обробки, якість виготовлених надточних деталей досягається внаслідок застосування систем і засобів діагностики та контролю стану технологічного процесу металообробки. Ці технічні засоби повинні забезпечувати контроль стану параметрів технологічного процесу (режимів металообробки, раціонального використання обладнання), а також якості виготовлення деталі у процесі її обробки. Забезпечення якості виготовлення впливає також на економічні аспекти виробництва, оскільки порушення технологічного процесу обробки призводить до значних економічних втрат.

Точність формоутворення оброблюваної поверхні визначається станом різального інструмента. При цьому значущими чинниками є також загальні умови різання - режими обробки, матеріал пари, технічні параметри і стан технологічного процесу та металооброблювального верстата.

При цьому актуальною постає задача контролю та прогнозування стану технологічного процесу обробки деталей надточних приладів. Найбільш поширеним типом деталей ДНП є деталі типу “вісь”, які виготовлюють на токарних верстатах. При виготовленні таких деталей ключовим чинником впливу на їх точність є стан процесу обробки та зокрема стан різального інструмента. Вирішення такої задачі полягає у поєднанні методу контролю, оцінки та прогнозуванні стану технологічного процесу разом з різальним інструментом.

Досягнення стабільної якості механічної обробки різанням на верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК), наприклад CNC, можливо лише при використанні систем аналізу та прогнозування плинного стану різального інструмента, технологічного обладнання під час виготовлення деталі. Отже доцільним є створення задачі передбачення ситуацій, що виникають в процесі технологічного процесу обробки металу, та побудова методів і систем реалізації цієї задачі. Тому найбільш актуальною є розробка нових більш надійних методів та систем оцінки стану технологічного процесу механічної обробки деталей для автоматизованого виробництва.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в межах науково-дослідних робіт кафедри виробництва приладів приладобудівного факультету НТУУ “КПІ”, а саме ДБ № 2637-П ДР №0103U000317 “Створення автоматизованого комплексу моніторингу надточних технологічних процесів у металообробці”, ДБ № 2939-П ДР №0106U002103 “Створення приладів для контролю точності виготовлення деталей на верстатах з ЧПК”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності та точності виготовлення деталей типу “вісь” надточних приладів на універсальних і токарних верстатах з ЧПК шляхом створення методу та системи оцінки стану технологічного процесу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні завдання:

ѕ Провести порівняльний аналіз існуючих методів і систем оцінки стану технологічного процесу механічної обробки на верстатах з ЧПК для вибору доцільного шляху створення системи прогнозування;

ѕ Розробити та дослідити метод оцінки стану технологічного процесу виготовлення для прогнозування точності виготовлення деталей типу “вісь” надточних приладів на прикладі токарної обробки;

ѕ Створити та дослідити аналітичну модель формалізованого опису розподілу енергетичних навантажень на різальний інструмент при виготовленні надточних деталей типу “вісь”;

ѕ Обґрунтувати принципи функціонування автоматизованої системи оцінки та прогнозування стану технологічного процесу виготовлення деталей на прикладі токарної обробки на верстатах з ЧПК;

ѕ Створити експериментальний зразок двопараметричного відчутника та пристрою для системи оцінки та прогнозування стану технологічного процесу виготовлення деталей для роботи в автоматизованому приладобудівному виробництві.

Об’єкт дослідження – технологічний процес виготовлення деталей динамічно настроюваних приладів.

Предмет дослідження – метод і система оцінки та прогнозування стану процесу обробки прецизійних деталей типу “вісь” у приладобудуванні.

Методи дослідження – при розв’язанні поставлених задач в ході проведених в дисертаційний роботі досліджень використовувались теоретичні засади технології приладобудування, теорії електромагнітних полів, загальні положення теорії опору матеріалів, теорії математичного аналізу, аналітичної геометрії.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

- Науково обгрунтовані теоретичні основи оцінки та прогнозування стану технологічного процесу на засадах двопараметричної системи, а також визначення коефіцієнтів рівнів енергетичного навантаження інструмента, що підвищує точність виготовлення надточних деталей динамічно настроюваних приладів;

- Вперше створено метод визначення та контролю стану технологічного процесу виготовлення деталей надточних приладів, який полягає в експрес-аналізі впливу зносу різального інструмента (перехідного процесу врізання різального інструмента в деталь, зношування, руйнування тощо) на точність виготовлення деталей на підставі дослідження вібраційної та електромагнітної складових динаміки процесу різання, що надає можливості прогнозування критичної або аварійної ситуації процесу різання;

- Розроблено аналітичну модель формалізованого опису розподілу енергетичних навантажень на різальний інструмент при виготовленні надточних деталей типу “вісь” на токарних верстатах з ЧПК, яка полягає в аналізі залежності енергії процесу від параметрів процесу різання, на підставі чого визначені засади прогнозування стану процесу обробки;

- Створено та досліджено принципи дії двопараметричного відчутника вібраційної та електромагнітної складових динаміки процесу обробки, на підставі якої здійснюється аналіз точності торкання різального інструмента до деталі та контроль зміни стану різального інструмента під час виготовлення деталі;

- Розроблено теоретичні засади методу плинного контролю стану процесу виготовлення деталі, що полягає у періодичному визначенні абсолютних значень зносу різального інструмента, який знаходиться під постійним контролем двопараметричної системи.

Практична цінність роботи полягає в наступному :

В наслідок проведених досліджень вирішена важлива науково-технічна задача, що полягає у можливості керування технологічним процесом виготовлення надточних деталей динамічно настроюваних приладів. У роботі:

1. На засадах створеного методу плинного контролю запропоновано комплекс оцінки та прогнозування стану технологічного процесу токарної обробки деталі типу “вісь”, що поєднує аналіз амплітуди вібрацій інструмента та отримання відповідних абсолютних значень зносу інструмента при застосуванні активної нульової бази як вимірювального пристрою.

2. Розроблена на прикладі токарної обробки надточних деталей типу “вісь” формалізована модель оцінки стану технологічного процесу на засадах вторинних параметрів різання (амплітуди вібрацій, знос інструмента, ковзання головного рушія) дозволяє екстраполювати її на інші типи процесів різання, наприклад фрезерної обробки, для підвищення точності виготовлення деталей динамічно настроюваних приладів.

3. Запропоновано методику розрахунку двопараметричної системи оцінки

стану технологічного процесу механічної обробки надточних деталей типу “вісь” на універсальних та токарних верстатах з ЧПК.

4. Вперше розроблено експериментальний зразок двопараметричного відчутника, який поєднує вібраційні та електромагнітні властивості способів контролю і дозволяє реєструвати розподіл вібраційних навантажень різального інструмента, що підвищує точність виготовлення прецизійних деталей приладів при механічній обробці на універсальних та токарних верстатах з ЧПК.

5. На засадах розробленої формалізованої математичної моделі створено прилад оцінки та прогнозування плинного стану технологічного процесу для застосування у автоматизованому виробництві.

6. Розроблено алгоритми обчислення коефіцієнтів рівнів енергетичного навантаження інструмента і загальні алгоритми функціонування системи прогнозування відповідної стадії стану технологічного процесу обробки, залежних від конкретних режимів різання, які підвищують точність виготовлення надточних деталей на токарних верстатах з ЧПК.

7. Апробація методики та системи оцінки стану технологічного процесу на промисловому підприємстві довела високу працездатність та надійність роботи приладу, підвищення точності виготовлення деталей у 2,2 – 3 рази.

Особистий внесок здобувача. Особиста участь автора в одержанні наукових та практичних результатів, що викладені в дисертаційній роботі, полягає в самостійному виконанні теоретичної й експериментальної частин роботи, а також інтерпретації отриманих результатів. Автором самостійно отримані основні положення, винесені на захист. Розроблена математична модель передбачення стану технологічного процесу. Постановка задачи досліджень, розробка методології і основних підходів до вирішення здійснювались спільно з науковим керівником. Автору належать наступні розробки: аналітична модель оцінки та прогнозування стану технологічного процесу виготовлення деталі різанням, яка базується на засадах аналізу енергетичних перетворень у процесі різання; методика визначення стану технологічного процесу механічної обробки металів під час роботи верстатів на прикладі токарної обробки; новий двопараметричний відчутник для пристрою контролю та оцінки стану процесу механічної обробки металів; принципи дії системи оцінки стану токарної обробки на CNC-верстатах деталей типу “вісь” для надточних приладів.

Апробація результатів дисертації. Результаті досліджень були представлені на: Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина та космос” (м. Дніпропетровськ, 2003 р., 2004 р.), VII наук.-техн. конференція студентів та молодих учених НТУУ “КПІ”, м. Київ, 2003 р., Міжнародній науково-технічній конференції “Фізичні процеси та поля технічних та біологічних обєктів” (м. Кременчук, 2003 р., 2006 р.), VI Міжнародній науково-практичної конференції “Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права” (м. Москва, 2003 р.), 3-й Міжнародній науково-практичної конференції “Качество, стандартизация, контроль: теория и практика” (м. Ялта, 2003 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції “Приладобудування: підсумки і перспективи” (м. Київ, 2003 р., 2004 р., 2005 р., 2006 р., 2007 р.), Міжнародній конференції “Іnternational conference of condition monitoring”, м. Кембридж, Велика Британія, 2005 р. тощо.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 24 наукових праці, в тому числі 7 з них у фахових наукових виданнях, затверджених Переліком ВАК України, 2 патенти України на винахід та на корисну модель.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків.

Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 202 сторінки, основний зміст викладено на 167 сторінках. Текст містить 74 ілюстрації, 6 таблиць, список використаних джерел з 155 найменувань на 15 сторінках, 4 додатки на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми досліджень, вказано зв’язок роботи з науковими програмами. Зазначено мету та задачі досліджень. Наведено характеристику наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження та апробації.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів та пристроїв контролю стану різального інструмента та загального технологічного процесу виготовлення деталей механічною обробкою, найбільш застосованих у сучасному виробництві, в тому числі зарубіжних.

Значний науковий внесок у теорію досліджень динаміки технологічних процесів механічної обробки надточних деталей приладів, розвиток методів та систем контролю стану плинного процесу зроблено науковими розробками відомих вчених: Заковоротного В.Л., Дерев’янченка В.М., Лоладзе Т.А., Остаф’єва В.О., Подураєва В.М., Кабалдіна О.М., Киричка П.О., Румбешти В.О., Ельясберга М.Є. та інших. Більшість цих досліджень базується на визначенні стану технологічного процесу виготовлення деталей на підставі оцінки стану різального інструмента. Аналіз чинників, які впливають на точність виготовлення деталей надточних приладів, наприклад, динамічно настроюваних приладів (ДНП), доводить, що стабільна працездатність таких приладів залежна від якості деталей, точності їх виготовлення.

Отже забезпечення точності виготовлення деталей за надточних технологічних процесів можливо лише при застосуванні методів та засобів прогнозування стану процесу на підставі аналізу різних фізичних явищ динаміки різання.

На засадах основних методів та засобів контролю торкання зроблено порівняльний аналіз функційних схем пристроїв контролю стану технологічного процесу виготовлення деталей, стану інструмента (табл. 1, де товстими лініями позначено обраний напрямок авторських досліджень).

На підставі проведеного аналізу фізичних явищ, які виникають при різанні металів, створених дослідниками методів та систем контролю визначено найбільш доцільний напрямок створення пристроїв оцінки та контролю стану технологічного процесу виготовлення деталей, зносу різального інструмента, аварійних ситуацій технологічного обладнання у приладобудуванні.

У другому розділі викладені результати розробки узагальненого методу визначення плинного стану технологічного процесу виготовлення деталей на верстатах з ЧПК у надточному приладобудуванні.

Дослідження та математичний аналіз довів, що струми, які виникають, можуть бути використані для побудови зони присутності деталі, що обертається. Внаслідок такого моделювання з’ясовано, що приповерхневе поле деталі залежить від наступних чинників:

Таблиця 1

Порівняння параметрів систем контролю торкання, побудованих за різними фізичними принципами

Моносистема | Фізичний принцип роботи

Показник | Деформаційний (тензометричний) | Віброакустичні явища | Електромагнітні явища

Режим роботи | Статичний, динамічний | динамічний | Статичний, динамічний

Чутливість до глибини врізання в деталь | Не менш за 10 мкм | Не менш за 1 мкм | Не менш за 0,02 мкм

Сила тиску у зоні контакту (min) | 1 Н/мкм2 | 0,05 Н/мкм2 | 0,0005 Н/мкм2

Можливість активного керування процесом | Не керуємі | Важко керуємі | Легко керовані за розміром та напрямком

Можливість виміру розмірів деталі та інструмента | На верстатах не використовуються | Легко з точністю не гірше за 23 мкм | Легко з точністю не гірше 0,01 мкм

Контроль стану інструмента | Контролюється практично повністю | Контролюється з обмеженням | Контролюється з обмеженням

Швидкість перетворення та передачі інформації від зони обробки | Залежить від швидкості розвитку процесу пружності | 30006000 м/с

у металах | 3108 м/с

Динамічний діапазон | 40 дб. | 60 дб. | 95 дб.

Чутливість до руйнації інструмента | Низька | Середня | Висока

Чутливість до зони присутності | Відсутня | Відсутня | Необмежена

Можливість визначення напрямку на деталь |

Відсутня |

Відсутня |

Двокоординатна у площині без обмежень

Конверсійний зв’язок (чутливість до сусіднього принципу роботу) | Висока

Слабка

Висока Висока

Висока

Слабка

Двопараметричні системи | Тензометрично-акустична

система контролю | Електромагнітно-тензометрична

система контролю | Електромагнітно-акустичні система контролю

Трипараметричні системи | Електромагнітно-тензоакустична система контролю

- електричних та електромагнітних властивостей матеріалу деталі, інструмента, верстата та їх взаємодії у процесі виготовлення деталі;

- геометрії приповерхневого електромагнітного поля деталі, геометрії деталі, спотворень форми, шорсткості та глибини дефектного шару поверхні деталі.

Ці властивості є притаманними всім об’єктам технологічного процесу виготовлення деталі.

Показано, що саме стан контакту між інструментом та деталлю може мати опис польової структури, яка є залежною від геометрії об’єктів та їх фізичних параметрів, що знаходяться у стані торкання. Якщо це торкання має динамічний характер, то і польові структури напружень у металі є повністю зв’язаними із змінами як внутрішніх ЕМП, так і зовнішніх, а отже існує лише проблема їх якісної реєстрації та спостереження. Почасти первинні гармоніки у модуляціях магнітного поля є наслідком саме цих процесів.

Визначення координат верхівки інструмента в процесі різання є задачею, від рішення якої залежить точність обробки та виготовлення деталей, особливо у точному приладобудуванні. Траєкторія руху верхівки інструмента під час різання може бути визначеною за допомогою сигналів спеціалізованих відчутників та чутників, які відображають динаміку різання. Тобто сигнали віброакустичної емісії, силові навантаження на різець є визначальними для заданих режимів різання.

Процес металообробки є специфічним способом руйнування (при токарній обробці) надлишкового матеріалу з метою отримання визначеної форми деталі. Специфікою процесу є те, що кінетична енергія руху руйнування розкладається на низку енергетичних підвикидів енергії. Основний енергетичний викид відбувається у зоні деформації технологічної системи обладнання та теплових навантажень інструмента і деталі, частково енергетичні витрати відбуваються у інтервалі викиду стружки та електричних явищ.

З цих енергій найбільш контролюємі є:

· Кінетична – через віброакустичні процеси та електромагнітні посередні явища процесу;

· Потенційна – через навантаження технологічної системи обладнання та теплові випромінювання.

З цих двох типів енергій досліджувалися обидві у достатньому обсязі. Достеменний розгляд цих двох енергетичних потоків, які супроводжують процес обробки, призводить до висновку, що найбільш дієвим є спосіб контролю за енергетичними перетвореннями на засадах кінетичної енергії. Основним чинником такого твердження є те, що кінетична енергія є енергією руху, а всі процеси, які відбуваються у зоні обробки, є рухомими у своїй сутності, і досить чутливими до будь якого зсуву у просторі;

Створена методика оцінки плинного стану нештатних ситуацій технологічного процесу на прикладі токарної обробки металів на верстатах з ЧПК надає можливості підвищувати точність виготовлення деталей в умовах автоматизованого приладобудівного виробництва. Розглянуто характеристики обладнання, на якому проводилися експерименти, в тому числі металооброблювальних верстатів з ЧПК.

Висвітлені засади роботи електромагнітного двопараметричного чутника для контролю процесу механообробки по вібраційних навантаженнях різального інструмента (рис. 1 а, б, в), що базується на суміщенні індуктивного та індукційного принципів роботи.

Оскільки амплітуда вібрацій впливає на величину зазору індуктивного відчутника, то врешті індуктивність є функцією, що залежить від . Змінення індуктивності L в процесі роботи відчутника залежить від змінення величини під впливом вібрацій інструмента, на якому розташований двопараметричний відчутник.

Рис. 1а. Індуктивний принцип роботи індукційного відчутника

Рис. 1в. Еквівалентна схема індукційного відчутника

Функція дії відчутника має вигляд

, (1)

де – розмір повітряної щілини;

z - магнітна проникність матеріалу відчутника;

R – активний опір відчутника;

С – ємність;

І - струм;

- резонансна частота контуру.

Оскільки коливання елементів відчутника під час роботи має характер випадкового коливання, яке можна уявити як випадковий гармонічний сигнал, то функцію відчутника можна описати як:

. (2)

де Ав, в, – випадкові величини.

Конструкція створеного двопараметричного відчутника для різального інструмента, який використовують у токарній обробці, наведено на рис. 2.

Встановлено взаємозв‘язок між обраним енергетичним перетворенням, точністю отримання координати верхівки різального інструмента для визначення та оцінки стану технологічного процесу.

Розглянуто характеристики обладнання для оцінки стану технологічного процесу виготовлення деталей, яке було створено у процесі роботи (рис.3).

Рис. 2. Зовнішній вигляд двопара-метричного відчутника вібрацій різального інструмента з напаяною пластиною в складі з попереднім підсилювачем для універсальних верстатів | Рис. 3. Загальний вигляд електронної плати створеного приладу контролю стану РІ для встановлення у стійку ЧПК верстата

Технічні характеристики створеного пристрою для системи оцінки та прогнозування стану технологічного процесу

1) тип відчутника – електромагнітний двопараметричний;

2) швидкодія при торканні РІ та деталі – 120 мс;

3) інтервали спостереження за процесом – 1200; 2400; 3600; 4800 мс;

4) швидкодія на ударний процес при аварійний ситуації – 60 мс;

5) кількість виходів на систему ЧПК:

1-й рівень – нормальне різання;

2-й рівень – підвищений знос РІ;

3-й рівень – аварійний знос РІ;

4-й рівень – катастрофічний знос або руйнування РІ.

6) вірогідність відмови – 1 на 106 торкань РІ до деталі;

7) прилад призначений для роботи в агресивних середовищах;

8) призначення - для встановлення у стійки ЧПК FANUC 6М

9) габарити 100х170 мм;

10) Живлення приладу ±15 В; 100 мА;

Живлення оптронної розв’язки – з системою ЧПК 24 В.

У третьому розділі наведено результати експериментів, які підтверджують теоретичні засади створення методу визначення стану інструмента, роботи системи для контролю стану токарної обробки, роботи запропонованого двопараметричного відчутника для системи контролю.

Викладені результати експериментів щодо оцінки плинного стану, нештатних ситуацій технологічного процесу на прикладі токарної обробки металів на верстатах з ЧПК доводять доцільність застосування створеного методу та системи у приладобудівній промисловості.

На рис. 4 наведена групова динамічна модель прогнозування ситуацій процесу механічної обробки в часі, розроблений в об’єктно-орієнтовному середовищі програмування Delphi 7.0 Borland; на рис. 5 а, б, в - запис сигналу вібрацій процесу різання в часі, який є реєстрований двопараметричним електромагнітним перетворювачем, що встановлений на РІ, для відображення стадії зміни стану процесу.

Отже, аналізуючи плинне змінення амплітуди сигналу вібрацій інструмента, можна прогнозувати стійкість РІ.

Рис. 4. Інтерфейс програми групової динамічної моделі прогнозування ситуацій процесу механічної обробки металів

Запропонована методика оцінки та прогнозування стану технологічного процесу виготовлення надточних деталей приладів на верстатах з ЧПК дозволяє визначати стадію поточного стану механічної обробки різанням, що надає можливості запобігання критичним ситуаціям, які можуть виникати під час роботи обладнання.

а |

б

в | Рис. 5. Точіння сплавів алюмінію (частота обертів 500 об/хв, подача 50 мм/хв), де: а - різання на стадії нормального зношування РІ, рівень ранжування № 2; б - стадія критичного зношування РІ, рівень ранжування № 4, тобто критична ситуація різання; в - стадія катастрофічного зносу РІ, верстат навантажений, перевищення рівня № 4

Створені алгоритми реалізації формалізованої моделі технологічного процесу виготовлення надточних деталей приладів підвищують ефективність роботи технологічного CNC-обладнання в умовах автоматизованого виробництва. Проведені експериментальні дослідження запропонованих методик та алгоритмів довели вірність обраної теоретичної бази та відповідних висновків щодо її реалізвції.

У четвертому розділі висвітлені умови роботи створеного двопараметричного відчутника у системі технологічного обладнання для виготовлення надточних деталей при токарній обробці у приладобудуванні, аналітичні моделі руху верхівки інструмента при торканні обраної поверхні деталі та у процесі її обробки, визначено вплив векторів розташування та навантажень на координати верхівки різального інструмента у просторі ТОС.

Загальний формалізований опис руху верхівки РІ у сферичній системі координат має вигляд ротору вектора силового параметру, наприклад PS, Р:

, (3)

де V – формалізований вектор силового параметру;

V, V, V - складові вектору V,

, , - сферичні координати.

Користуючись узагальненням Ру та PS можна відобразити наступну векторну діаграму (рис. 6), якою може бути пояснені динамічні навантаження на РІ. При цьому вважаємо, що вектор PS своєю верхівкою зорієнтований на верхівку РІ, яка приймає безпосередню участь у формуванні поверхні деталі і траєкторія її руху відповідає залежності, тобто вектор не є статичним.

Одночасно з цим на РІ має вплив сила Pz, що є спорідненою із силовим вектором PS через навантаження на РІ залежно від параметрів оброблюваного матеріалу на швидкості формотворення. Навантаження по координаті Zi для РІ є найбільше з усіх і тому є найбільш істотним за будь-який спосіб контролю. Проте аналіз фізичних явищ при металообробці доводить, що необхідно зважити на те, що верхівка вектору PS (верхівка РІ) разом з вектором Pd (високочастотних вібрацій), який є чинником формотворення більш високих порядків, при своєму русі не можуть вийти за межі трьохосьових еліпсоїдів (рис. 7).

Рис. 6. Векторна діаграма навантажень на РІ

Рис. 7. Межові обємні зони руху верхівок векторів Ps та Pd.

Оскільки вже було обумовлено, що коливання верхівки РІ відбуваються за сталої частоти, то основним чинником впливу на амплітуду коливань буде чинник зносу різального леза. Крім того, стабільність роботи головного рушія забезпечує стабільність швидкості різання, яка є самим впливовим чинником на спільну частоту вібрацій інструмента, та при нормальній обробці змінюється не суттєво, у межах (1ч2)% от 0 , та її вплив на загальну залежність досить слабка. Але при значних навантаженнях зміна цієї величини може досягати (30ч50)% от 0 впритул до повного зупину рушія верстата, що представляє значний чинник щодо реєстрації критичних ситуації у зоні обробки.

Властивості створеного двопараметричного відчутника доводять, що під час контролю стадій технологічного процесу різання цей відчутник має можливість створювати чотири сигнали, котрі відповідають дійсним різним випадкам технологічного процесу.

Отже визначені наступні рівні сигналів від створеної системи для оцінки та прогнозування стану процесу механічної обробки деталей:

· Для статичного стану (%);

· Для контролю нормального процесу різання (%);

· Для незадовільного стану процесу різання (%); (4)

· Для ситуації швидкісного зносу РІ (%);

· Для ситуації критичної руйнації РІ (%).

На підставі аналізу цих чинників та залежностей створено аналітичну модель формалізованого опису енергетичних навантажень процесу механічної обробки металів відповідно до механічних параметрів технологічного обладнання.

Визначені залежності для оцінки та прогнозування стану процесу обробки:

; (5)

; (6)

, (7)

де Тп, Тн, Ткр – стійкість РІ на стадіях приробки РІ, нормального зносу, критичного зносу відповідно,

А – амплітуда вібрацій,

т1 – стала, що залежить від параметрів технологічного процесу;

S0 – початкове ковзання головного рушія,

h0 - початковий прогнозований знос РІ,

а, – коефіцієнти пропорційності по амплітуді та частоті обертання;

kS , kh - коефіцієнти швидкості зміни ковзання шпинделя верстата і зносу РІ відповідно.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В наслідок проведених досліджень вирішена важлива науково-технічна задача, що полягає у можливості керування технологічним процесом виготовлення надточних деталей динамічно настроюваних приладів.

На основі проведених досліджень зроблено наступні наукові висновки:

1. Запропонований спосіб оцінки та прогнозування стану технологічного процесу та стану різального інструмента на підставі аналізу сигналів динаміки різання, тобто віброакустичних та електромагнітних явищ в зоні обробки, який підвищує достовірність визначення ситуативного стану технологічного процесу виготовлення деталей.

2. Запропоновано методику оцінки та прогнозування стану технологічного процесу виготовлення надточних деталей приладів на верстатах з ЧПК, яка дозволяє визначати стадію плинного стану механічної обробки різанням, що надає можливості забезпечення точності виготовлення деталей ДНП.

3. Створено аналітичні формалізовані моделі прогнозування стану технологічного процесу виготовлення деталей різанням на підставі аналізу енергетичних характеристик, які надають можливості точної оцінки стану процесу.

4. Розроблено алгоритми оцінки точності виготовлення прецизійних деталей надточних приладів на верстатах з ЧПК, які забезпечують аналіз стану та прогнозування технологічного процесу на підставі обробки сигналів вібраційної складової динаміки зносу та руйнування різального інструмента в умовах автоматизованої обробки на приладобудівному виробництві.

5. Розроблено двопараметричний відчутник для реєстрації віброакустичної та електромагнитної складових динаміки різання, що обєднує властивості індуктивного та індукційного відчутника для вимірювання параметрів динамічних сигналів з підвищеною точністю.

6. Створено прилад призначений для систем оцінки стану технологічного процесу виготовлення деталей, стану різального інструмента та технологічного обладнання і який дозволяє вирішити технологічну проблему визначення точності виготовлення деталей на прикладі токарної обробки.

7. Ефективність результатів проведених досліджень, запобігання аварійних ситуацій в процесі обробки металів підтверджена апробацією на промисловому підприємстві. Принципи роботи створеного приладу та системи оцінки стану інструмента дозволяють застосування для інших типів механічної обробки металів різанням. за створеним методом ранжування рівнів енергетичних сигналів .від зони обробки. Застосування методу та системи оцінки забезпечує підвищення точності виготовлення деталей на верстатах з ЧПК.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тимчик Г.С., Клочко Т.Р., Клочко М.М. Розробка алгоритмів функціонування лазерних гібридних акустооптичних аналізаторів стану процесу токарної обробки металів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.-Хмельницький. -1998. -№4. -С.33-37.

Участь у створенні алгоритмів визначення стану процесу токарної обробки матеріалів.

2. Тимчик Г.С., Клочко М.М. Метод аналіза стану динаміки процесів та об’єктів в приладобудуванні та медицині // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія Приладобудування. – 2002. -№ 24. –С.57-62.

Запропоновано метод визначення стану динамічних об’єктів та процесів

3. Тимчик Г.С., Клочко М.М., Скицюк В.І. Застосування сигналу електромагнітного поля деталі та інструмента у процесі контролю металообробки // ВІСНИК Кременчуцького державного політехнічного університету. - № 4/2003 (21) ТОМ 1 - С. 30-37.

Запропоновано методику дослідження оцінки та визначення стану процесу токарної обробки надточних деталей

4. Клочко М.М., Скицюк В.І., Тимчик Г.С. Передбачення критичних ситуацій стану процесу механообробки металів на верстатах з ЧПК // ВІСНИК Черкаського державного технологічного університету. –2005.-№ 3. –С.281-283.

Запропоновано методику оцінки та передбачення стану технологічного процесу

5. Скицюк В.І., Клочко М.М. Фізичні засади контролю взаємодії різального інструмента з деталлю на основі вимірювання змінного струму // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія Приладобудування. – 2005. -№ 29. –С.75-84.

Запропоновано принципи методики дослідження взаємодії полів при токарній обробці надточних деталей

6. Скицюк В.І., Клочко М.М., Цірук В.Г. Модель енергетики процесу металообробки // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія Приладобудування. – 2006. -№ 31. –С. 98-107.

Запропоновано модель енергетичних перетворень для формалізації оцінки та визначення стану процесу токарної обробки надточних деталей приладів

7. Скицюк В.І., Клочко М.М. Новый метод прогнозирования состояния автоматизированной обработки металлов // Вісник Інж. академії України. – 2006. – Бюл. 2 - 3. –С. 114-121.

Запропоновано метод прогнозування стану автоматизированої обробки металів

8. Патент 6505 Україна МПК7 В23В25/06. Система контролю стану різального інструмента / Скицюк В.І., Клочко М.М., Клочко Т.Р. Заявка № 20040907437. Заявл. 13.09.2004. Опубл. 16.05.2005. Бюл.№ 5, 2005.

Запропоновані основи роботи системи контролю точності виготовлення деталей в умовах автоматизованого обладнання

9. Патент № 19597 Україна, МПК В23С 5/02. Різальний інструмент / Усачев П. А., Клочко М. М. Заявка № u 2006 07781. Заявл. 11.07.2006.

Опубл. 15.12.2006. Бюл. № 12.

Запропоновано метод підвищення надійності експлуатації різального інструмента

10. Клочко М.М. Метод та устаткування автоматизованої обробки динамічних сигналів // В зб. тез V Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос”, 5-7 червня 2003 р. – Дніпропетровськ: НЦАОМУ. –2002. – С.156.

Запропоновано метод та автоматизоване обладнання визначення стану динамічних об’єктів та процесів

11. Klotchko M., Klotchko T., Skytsiouk V. The control quality of a object surface for the intelligent production equipment // VI Международная научно-практическая конференция “Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права” Книга ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. – М. -2003. –С. 121-126.

Запропоновані основи контролю точності виготовлення деталей в умовах автоматизованого обладнання

12. Клочко М.М. Дослідження алгоритмів функціонування гіроскопічних компасів. Гіротехнології та конструювання літальних апаратів. // VII наук.-техн. конференція студентів та молодих учених НТУУ “КПІ”. –К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка”, 2003.

Запропоонвано метод дослідження роботи надточних приладів

13. Тимчик Г.С., Клочко М.М. Алгоритмы автоматизированного контроля качества обработки материалов на станках с ЧПУ // Зб.тез доп. наук.-техн. конференції ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2004: стан і перспективи, 21-23 квітня 2004 р. – К.: НТУУ “КПІ”– 2004. – С. 82-83.

Запропоновані алгоритми роботи системи контролю точності виготовлення деталей в умовах автоматизованого обладнання

14. Тимчик Г.С., Клочко М.М., Скицюк В.І. Формалізація стану різального інструмента при механообробці на верстатах з ЧПК // Зб.тез доп. наук.-техн. конференції ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2005: стан і перспективи, 21- 23 квітня 2005 р. – К.: НТУУ “КПІ”– 2005. – С. 109-110.

Запропоновано основи формалізації оцінки та визначення стану процесу токарної обробки надточних деталей приладів

15. Gr.S.Tymchik, M.Klotchko. Тhe intelligent system for quality rating of machining material processing // International conference of condition monitoring, Cambridge, UK, 2005. - 2005. –P. 21-23.

Запропоновано основні моделі роботи системи оцінки якості виготовлення надточних деталей

16. Скицюк В.І., Клочко М.М., Клочко Т.Р. Методика визначення точності виготовлення деталей надточних приладів у процесі механообробки на CNC-верстатах // Зб.тез доп. наук.-техн. конференції ПРИЛАДОБУДУВАННЯ :2007: стан і перспективи, 24- 25 квітня 2007 р. – К.: НТУУ “КПІ”. – 2007. – С. 131 - 132.

Запропоновано використання комплексу для оцінки стану технологічного процесу токарної обробки деталей

АНОТАЦІЯ

Клочко М.М. Оцінка стану технологічного процесу виготовлення деталей динамічно настроюваних приладів. – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.14 - Технологія приладобудування. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2007.

Дисертаційна робота вирішує важливу науково-технічну задачу, що полягає у можливості керування технологічним процесом виготовлення надточних деталей динамічно настроюваних приладів.

В наслідок проведених теоретичних та практичних досліджень сучасних вимог приладобудування обгрунтовано метод та засоби визначення, контролю, прогнозування стану технологічного процесу виготовлення деталей надточних приладів. Розроблено новий двопараметричний відчутник вібраційної та електромагнітної складових динаміки процесу обробки деталей, який забезпечує високу чутливість до зміни стану різального інструмента, що підвищує надійність роботи автоматизованого виробництва.

Створення аналітичної моделі формалізованого опису розподілу енергетичних навантажень на різальний інструмент дозволило розробити засади функціонування приладу обробки сигналів динаміки зносу, руйнування різального інструмента для системи оцінки плинного стану процесу, що підвищує точність виготовлення прецизійних деталей приладів при механічній обробці на універсальних та токарних верстатах з ЧПК.

Апробація створеної методики та системи експрес-оцінки стану технологічного процесу на промисловому підприємстві довела високу працездатність та надійність роботи розробленого приладу, підвищення точності виготовлення деталей.

Ключові слова: технологія приладобудування, технологічний процес, виготовлення деталей, оцінка стану процесу, двопараметричний відчутник, автоматизоване виробництво.

АННОТАЦИЯ

Клочко М.М. Оценка состояния технологического процесса изготовления деталей динамически настраиваваемых приборов. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.14 - Технология приборостроения. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2007.

В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, которая состоит в возможности управления технологическим процессом изготовления точных деталей динамически настраиваваемых приборов.

В работе проведен анализ современных методов и систем контроля состояния режущего инструмента и технологического процесса изготовления деталей механической обработкой. В результате проведенных теоретических и практических исследований, а также требований современного приборостроения, обоснованы метод и средства оценки, контроля, прогнозирования состояния технологического процесса изготовления деталей сверхточных приборов.

Показано, что именно состояние контакта инструмента и детали, находящиеся в стадии касания при обработке заготовки, может быть представлено как полевая структура, которая зависит от геометрии объектов и их физических параметров. Если это касание имеет динамический характер, то полевые структуры напряжений в металле зависят от изменений електромагнитных полей внутренних и внешних, которые возникают в системе технологического оборудования. Для регистрации этих сигналов разработан новый двухпараметрический первичный преобразователь вибрационной и электромагнитной составляющих динамики процесса обработки деталей, который обеспечивает высокую чувствительность к изменениям состояния режущего инструмента, что повышает надежность работы автоматизированного производства.

В основу создания формализованной модели положены следующие физические принципы: формализованная характеристика колебательного движения на основе кинетической энергии, формализованная износа инструмента с коррекцией абсолютными значениями, формализованная модель вращения детали на основе аналитической модели главного привода станка.

Создание аналитической модели формализованного описания распределения энергетических нагрузок на режущий инструмент позволило разработать основные теоретические принципы функционирования прибора для обработки сигналов динамики износа, разрушения режущего инструмента для системы оценки текущего состояния процесса, что повышает точность изготовления прецизионных деталей приборов при механической обработке на универсальных и токарных станках с ЧПУ.

Модель технологического процесса обоснована высокой эффективностью регистрации колебательных процессов двухпараметрической системой. Созданная формализованная модель состояния технологического процесса позволяет определить основные направления контроля динамического состояния вершины резца.

В результате проведенного математического анализа колебательных механических систем технологического оборудования на примере токарного процесса получены зависимости стойкости режущего инструмента, которые позволяют оценивать и прогнозировать состояние технологического процесса изготовления деталей точных приборов.

Для обработки информации, идущей от двухпараметрических датчиков вибраций был разработан специальный электронный блок, который предназначен для включения в стойку ЧПУ типа CNC FANUC металообрабатывающего станка, исследованы его технические характеристики.

Для использования разработанного двухпараметрического датчика и прибора в системе технологического комплекса по оценке и прогнозированию состояния технологического процесса изготовления точных деталей приборов были разработаны алгоритмы реализации разработанной модели в условиях современного автоматизированного приборостроительного производства. Преимуществом предложенного метода и системы является надежность и точность оценки текущего технологического процесса механической обработки.

Апробация разработанной методики и системы экспресс-оценки состояния технологического процесса на промышленном предприятии доказала высокую работоспособность и надежность работы разработанного прибора, повышение точности изготовления деталей в 2,2 – 3 раза, что приводит к снижению экономических затрат на производство деталей.

Ключевые слова: технология приборостроения, технологический процесс, изготовление деталей, оценка состояния процесса, двухпараметрический первичный преобразователь, автоматизованное производство.

АBSTRACT

Кlotchko М.М. The assessment of the technological process condition of the manufacture of details of the dymanic adjusted instruments. – Manuscript. Thesis of receipt of the Ph.D. degree of technical sciencies by speciality 05.11.14 – The technology of instrument making. – National technical university of Ukraine “Kyiv Polytechnical Institute”, Kyiv, 2007.

The thesis solves of the important scientific and technical task of the ability of cotrol of technological process condition of the manufacture of details of the