СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Сидоров Денис Євгенович

УДК 621.923: 621.90.47

АВТОМАТИЧНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ

ПРОЦЕСОМ ПЛОСКОГО ШЛІФУВАННЯ

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Севастополь – 2007

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Новосьолов Юрій Костянтинович

Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Тонконогий Володимир Михайлович

Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри “Інформаційні технології проектування в машинобудуванні та металургії”;

кандидат технічних наук, доцент

Чуб Оксана Петрівна

Севастопольський національний технічний університет, доцент кафедри “Автоматизовані приладові системи”

Захист відбудеться “_14_” _вересня_ 2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д50.052.02 в Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська 33.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського національного технічного університету, за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська 33.

Автореферат розісланий 13 _серпня_ 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 50.052.02

кандидат технічних наук, доцент В.О. Крамарь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основною задачею сучасного машинобудування в галузі обробки матеріалів різанням є забезпечення максимальної продуктивності обробки виробів з гарантованою якістю в умовах дії на хід процесу виробництва непостійних чинників, що обурюють.

Ця задача є особливо актуальною для технологічних процесів шліфування, на яких остаточно формується якість виробу. На машинобудівних підприємствах США, Китаю, Німеччини, Італії, Франції, Японії більше 40 % трудомісткості механічної обробки припадає на частку шліфувальних операцій, серед яких особливе місце за використанням належить плоскому шліфуванню. За техніко-економічними прогнозами очікується подальше зростання цього показника. Рішення такої задачі може бути знайдено лише за рахунок створення автоматизованих систем управління, діагностики і оцінки параметрів протікання технологічними виробничими системами, що є особливо актуальним при обробці прецизійних деталей машин, при виготовленні яких широко використовуються зносостійкі матеріали і покриття, що володіють високими физико-механічними властивостями, а, отже, низькою оброблюваністю. Аналіз існуючих досліджень показує, що зносостійкі матеріали і покриття значно гірше шліфуються в порівнянні з традиційними матеріалами, які вживаються для виготовлення деталей машин. Принциповою особливістю процесу різання при шліфуванні є його стохастичний характер. Він здійснюється сукупністю випадково розташованих ріжучих зерен, закріплених в зв'язці інструмента, одно- і що різночасно взаємодіють із заготовкою в зоні обробки. Така зона є областю проникнення елементів тіла шліфувального круга в матеріал заготовки і частка її важливих параметрів недоступна безпосередньому спостереженню і може лише оцінюватися. При форсованих технологічних режимах зростає чутливість технологічної системи (ТС) до чинників, що обурюють, і спостерігається втрата стабільності ТС і технологічного процесу (ТП) в загалом. Оскільки параметри ТС можуть змінюватися з часом передбаченим і не передбачуваним чином під дією різних чинників, важливим показником якості ТС обробки деталей і особливо ТС фінішних операцій є їх стабільність. Відсутність стабільності при традиційних технологіях неминуче призводить до розкиду показників якості продукції, що випускається. При проектуванні автоматичної системи управління (АСУ) ТП абразивно-алмазної обробки за основу беруться детерміновані моделі, по яких розраховуються традиційні або традиційно-граничні цикли шліфування, здійснюється обробка партії заготовок, після чого систему перебудовують на обробку іншого типорозміру або виду. Внаслідок цього ТП здійснюється із застосуванням традиційних режимів різання, способів діагностики і управління. ТС і ТП, що існують, не дозволяють зменшити розкид параметрів виробів. Для стабілізації результатів процесу обробки в умовах дії збурень на ТС доцільно використовувати замкнуті системи з приладами активного контролю. Однак, внаслідок відсутності адекватних моделей процесів, що протікають, збурень ТС, комплексу засобів діагностики, недоступності ряду параметрів безпосередньому виміру і контролю, вони не набули широкого поширення. Відсутність адекватних моделей процесів, що протікають, і збурень ТС, не дозволяє створювати АСУ процесами плоского шліфування, які забезпечували б високопродуктивну обробку деталей із гарантованою якістю.

При побудові АСУ ТП, що стабілізує якісні параметри виробів при плоскому шліфуванні, необхідне комплексне рішення всіх вищезгаданих задач, які не знайшли свого вирішення до теперішнього часу.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі “Технології машинобудування” Севастопольського національного технічного університету і являється складовою частиною наукових досліджень, проведених кафедрою в рамках комплексного плану досліджень Міністерства освіти і науки України з проблеми підвищення якості деталей при механічній обробці. Тема дисертаційної роботи відповідає науковій тематиці факультету “Технології і автоматизації машино-приладобудування і транспорту” Севастопольського національного технічного університету в області розробки прецизійних методів обробки. Результати, які отримані автором дисертації, використані при виконанні держбюджетної роботи “Основи управління якістю при чистовому і тонкому шліфуванні” (2006-2008гг., номер реєстрації 0105V009118).

Метою роботи є синтез АСУ ТП плоского шліфування, що забезпечує стабільність якості виробів.

Для досягнення мети у роботі необхідно вирішити наступні задачі:

1. Вивчити поведінку технологічного процесу плоского шліфування як динамічної системи при дії на неї вхідних дій, що змінюються, управляють і обурюють.

2. Здійснити формалізацію задач опису ТС і управління технологією обробки заготовок при плоскому шліфуванні. Виявити і формалізувати взаємозв'язки між технологічними параметрами і якістю виготовлення деталей при обробці заготовок на плоскошліфувальних верстатах.

3. Побудувати математичні моделі динаміки технологічного процесу плоского шліфування з враховуванням його стохастичних властивостей як об'єкту управління і здійснити експериментальну ідентифікацію параметрів цих моделей.

4. Виконати структурний і параметричний синтез АСУ ТП плоского шліфування.

5. Експериментально підтвердити достовірність і ефективність результатів синтезу автоматичної системи управління і виконати оцінку її ефективності при досвідчено-промисловій експлуатації.

Об'єктом досліджень є технологічний процес плоского шліфування.

Предметом досліджень є динамічні, стохастичні моделі, методи і алгоритми автоматизації, діагностики і управління технологічним процесом обробки заготовок при плоскому шліфуванні.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на базі наукових основ теорії автоматичного управління, технології машинобудування, теорії різання металів, теорії динаміки верстатів, системного аналізу, теорії оптимальної фільтрації і стохастичної оптимізації. При перевірці адекватності моделей застосовані методи моделювання, що базуються на аналітичному і чисельному експерименті, а також на експериментальній перевірці результатів моделювання в лабораторних і виробничих умовах.

Достовірність теоретичних і експериментальних досліджень підтверджується результатами моделювання, досвідчено-промисловою перевіркою і впровадженням у виробництво.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі системного підходу стосовно досліджень технологічних операцій і основних положень теорії оптимального управління для процесу плоского шліфування в роботі отримані наступні нові наукові результати:

1. Отримали подальший розвиток методів побудови АСУ ТП плоского шліфування, в яку входить створення автоматичного програмного управління проміжними змінними процесу з метою забезпечення попадання параметрів якості ТП у допустиму область.

2. Вперше побудована динамічна модель процесу плоского шліфування, як об'єкту управління, що враховує процеси, які протікають в зоні контакту при взаємодії шліфувального круга з заготовкою.

3. Вперше розроблена стохастична динамічна модель профілю робочої поверхні інструменту при його взаємодії з заготовкою, що враховує вплив варіації форми і її спектральний склад.

4. Вперше створена підсистема діагностики у вигляді стохастичного спостерігача Льюінбергера з фільтром Калмана-Бьюссі, що забезпечує оцінку фактичної глибини різання безпосередньо в процесі плоского шліфування з мінімально досяжною середньоквадратичною помилкою.

5. Вперше розроблена АСУ ТП плоского шліфування по відхиленню від програмного руху, що функціонує в умовах випадкових збурень характеристик ТС, що враховує вплив варіації форми інструменту, його спектральний склад на характеристики процесу різання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що застосування розроблених теоретичних методів дозволило створити АСУ ТП плоского шліфування для обробки зносостійких покриттів, що забезпечує високу стабільність якості оброблених деталей в межах періоду стійкості шліфувального круга при значному підвищенні продуктивності шліфування.

Результати виконаних досліджень впроваджені на підприємстві “ЛУГКРЕПМАШ” м. Луганськ у рамках теми “Основи управління якістю при чистовому і тонкому шліфуванні” (2006-2008 рр., номер реєстрації 0105V009118). Річний економічний ефект при обробці деталей штампового оснащення склав 17187 гривень на один верстат в рік на жовтень 2006 року.

Матеріали дисертації також впроваджені в учбовий процес і використовуються для розробки методичних комплексів по дисциплінах “Технологія автоматизованого виробництва”, “Динаміка формоутворення поверхонь при механічній обробці”, включених в програму підготовки студентів спеціальностей 8.09.0202 – “Технологія машинобудування” і 8.09.0203 – “Металорізальні верстати і системи” на кафедрі “Технологія машинобудування” Севастопольського національного технічного університету.

Достовірність отриманих результатів. Достовірність результатів роботи забезпечується строгістю формулювання задач при побудові математичних моделей, обґрунтованістю прийнятих допущень, використанням математично коректних методів. Адекватність отриманих результатів підтверджена експериментальною перевіркою і результатами впровадження на машинобудівних підприємствах.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні цілей і задач роботи, розробці методів їх вирішення, проведенні експериментальних досліджень, побудові математичних моделей, встановленні теоретичних залежностей, формулюванні новизни і основних висновків за результатами роботи, аналізі і узагальненні отриманих результатів досліджень. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, які виносяться на захист, отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати і висновки доповідалися на науково-технічних конференціях і семінарах: “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-2005” (Алушта, 2005); “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво” (Суми, 2005); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-2006” (Алушта, 2006). У повному обсязі дисертація повідомлена і схвалена на міжкафедральному науковому семінарі Севастопольського національного технічного університету.

Публікації. За результатами дисертації опубліковані 11 друкованих праць, у тому числі 8 статей у журналах зі списку фахових виданнях, затверджених ВАК України, і 3 в тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, загальних висновків та додатків. Обсяг дисертації – 141 сторінка (без додатків). Дисертація містить 29 рисунків, 4 таблиці і списку літератури з 200 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображена актуальність теми і обґрунтована необхідність розробки методів стабілізації точності обробки деталей на операціях плоского шліфування, обґрунтовані напрямки досліджень, визначені мета і наукові задачі роботи, перераховані основні результати з оцінкою їхньої наукової новизни і практичного значення, обґрунтована структура роботи.

Перший розділ присвячений аналізу сучасного стану питання, що досліджується.

На підставі аналізу фундаментальних досліджень в області забезпечення якості процесів шліфування: Анельчика В.Д., Балакшина Б.С., Байкалова О.В., Братана С.М., Внукова Ю.М., Грабченко А.І., Доброськока В.Л., Корольова А.В., Корчака С.М., Лавріненко С.М., Лебедєва Г.В., Лоладзе Т.Н., Лур’є Г.Б., Маслова Е.М., Маталіна О.О., Михелькевича В.М., Новікова Ф.В., Новоселова Ю.К., Петракова Ю.В., Редько С.Г., Рижова Е.В., Семко М.Ф., Сизого Ю.О., Узуняна М.Д., Федоровіча В.О., Філімонова Л.М., Худобіна Л.В., Якимова О.В. і багатьох інших, в дисертації поставлена мета і сформульована задача автоматизації процесу плоского шліфування при обробці заготовок кругами із надтвердих матеріалів. В розділі проведений аналіз існуючих підходів до автоматизації обробки на шліфувальних верстатах і розглянуті методи моделювання технологічних процесів абразивно-алмазного шліфування. Показано, що внаслідок відсутності адекватних моделей процесів, що протікають, збурень ТС, комплексу засобів діагностики, недоступності ряду параметрів безпосередньому вимірюванню і контролю, існуючі замкнуті системи з приладами активного контролю не забезпечують необхідної якості продукції, що випускається. Забезпечення якості і ефективності ТП можливо за рахунок синтезу АСУ ТП плоского шліфування.

Другий розділ присвячений формалізації опису технологічного процесу плоского шліфування, як об'єкту управління АСУ ТП.

Процес плоского шліфування розглянутий як динамічна система, де процес формоутворення поверхні досліджується не лише в просторі, але і в часі. На основі системного підходу розглянута структура операції плоского шліфування (Рис. 1), сформульовані основні положення і принципи аналізу процесу шліфування.

При структурному аналізі операція шліфування розчленована за функціональними ознаками на підсистеми "Процес різання" і "Технологічна система". Визначені вхідні, вихідні змінні і параметри стану кожної з підсистем. У даному розділі здійснена формалізація задач управління технологічним процесом плоского шліфування і вибір структури АСУ ТП. Виявлено, що серед досліджених чинників найбільший внесок в дестабілізацію якості ТП вносять коливання фактичної глибини різання, спричинені відхиленнями форми, і дисбаланс шліфувального круга.

Запропоновані методи стабілізації фактичної глибини різання технологічної системи за рахунок діагностики процесу за допомогою стохастичного спостерігача Льюінбергера.

Для урахування статистичних властивостей поточних відхилень радіус-векторів шліфувального круга і товщини заготовки запропоновано побудувати формуючий фільтр.

Для стабілізації параметрів технологічного процесу плоского шліфування при обробці зносостійких покриттів у реальному масштабі часу запропоновано використовувати розроблені моделі для синтезу АСУ ТП. |

Рис. 1. Структура динамічної системи процесу плоского шліфування

Третій розділ присвячений розробці моделі операції плоского шліфування, яка враховує внутрішню динаміку процесу.

На основі принципу можливих переміщень для системи, представленої на рис. 2, побудовано її уявлення у вигляді диференціального рівняння, що характеризує динаміку переміщень центру круга відносно заготовки в процесі плоского шліфування:

, (1)

де – приведена маса шліфувального круга і шліфувальної бабки; – приведений коефіцієнт демпфування шліфувального круга і шліфувальної бабки; – приведена жорсткість шліфувального круга і шліфувальної бабки; – демпфування зони контакту шліфувального круга з деталлю; – жорсткість зони контакту шліфувального круга з деталлю; – координата переміщення центру обертання шліфувального круга; – переміщення шліфувального круга у напрямі подачі; – фактична глибина різання.

Фактична глибина різання (розмір зони контакту заготовки з інструментом по лінії, яка перпендикулярна нормалі, до поверхні стола), згідно з рис. 2, визначається

, (2)

де – товщина заготовки (відстань від столу до поверхні деталі); – радіус шліфувального круга у напрямку до оброблюваної деталі; – поточна відстань від базової поверхні до центру обертання шліфувального круга.

, (3)

де – відстань від базової поверхні до центру обертання шліфувального круга в початковий момент часу ().

За умови відсутності дисбалансу (центр обертання співпадає із центром мас), а товщина деталі і радіус шліфувального круга мають відхилення від номінальних значень, тобто

, . (4)

Після підстановки (2) – (4) в співвідношення (1) отримаємо:

(5)

Якщо обертання шліфувального круга здійснюється не навколо центру мас, то виникає сила, що характеризує вплив дисбалансу.

З враховуванням дисбалансу, рівняння (5) прийме вигляд

(6)

де .

Переписуючи вираження (6) в зображеннях за Лапласом, отримано

(7)

Уявлення (7) дозволяє представити наступні внески дій відхилень від розрахункового режиму обробки у відхилення фактичної глибини різання:–

вплив неточності переміщення шліфувального круга на координату центру шліфувального круга:

; (8)–

вплив форми шліфувального круга на координату центру шліфувального круга:

; (9)–

вплив нерівномірного припуска на положення координати центру шліфувального круга:

; (10)–

вплив дисбалансу:

, (11)

де ; – частота обертання шліфувального круга; – кут початкового положення дисбалансу відносно точки контакту з деталлю.

Для аналізу функцій (8-10) використаний метод досліджень з амплітудно-частотних характеристик (АЧХ). Для побудови АЧХ отримано рішення системи диференційних рівнянь в аналітичному вигляді і графічне зображення амплітудно-фазових частотних характеристик (АФЧХ) і АЧХ.

Аналітичні залежності для розрахунку АЧХ

(12)

і ФЧХ

. (13)

Для оцінки впливу вертикальної подачі на АЧХ і ФЧХ процесу плоского шліфування прийняли чисельні значення постійних в рівняннях (Нc/м, Н/м, Н/м, Нc/м): 1 – кг; 2 – кг; 3 – кг; 4 – кг.

На рис. 3 показані одержані АЧХ і ФЧХ для чотирьох значень мас.

АЧХ дозволяють оцінити стійкість процесу при різних його параметрах.

При побудові і аналізу АЧХ узагальненою координатою прийнято зміну глибини шліфування, амплітудою виходу є амплітуда гармонійної зміни глибини шліфування. |

Рис. 3. Вплив подачі на АЧХ і ФЧХ процесу плоского шліфування

| На практиці ця амплітуда практично буде рівна найбільшому відхиленню глибини шліфування від заданою технологією величини.

Однак, для реального процесу шліфування відхилення радіусу шліфувального круга не постійні. Унаслідок того, що круг має відхилення форми, стан системи безперервно змінюється. При контакті круга, що обертається, з матеріалом заготовки виникають вимушені коливання, урахування яких вимагає побудови додаткової динамічної моделі (формуючого фільтру), що характеризує статистичні властивості шліфувального круга.

Для налаштування формуючого фільтру необхідні результати статистичної обробки профілограм робочої поверхні шліфувального круга. Профілограми круга знімалися безпосередньо на плоскошліфувальному верстаті, обладнаному тензометричним пристроєм. Загальний вигляд і окремі елементи його зображені на рис. 4.

Параметри вимірювальних голок: радіус округлення – 2 і 3 мкм; довжина вершини клину голки – 0,43 мм і 0,25 мм. Швидкості переміщення голки відносно робочої поверхні інструменту складають 1,0 мм/с і 0,4 мм/с.

Вивчення стану його робочої поверхні виконане при шліфуванні кругом АС6 63/50 М1-04 100 заготовок з плазмовими покриттями ПГ-СР3У10 на режимах: м/хвил, мм/хід, мм (рис. 5) після правки і через 30, 45, 60, 90, 130 хвилин його роботи. |

Режим затуплення

Режим самезаточування

Рис. 5. Приклад профілограми ділянок поперечного перетину шліфувального круга АС6 63/50 М1-04 

Профілограми поверхні круга, що відображають відхилення форми круга від заданої, є реалізацією процесу формоутворення круга. Внаслідок того, що відхилення форми від заданої визначається великою кількістю неконтрольованих незалежних випадкових чинників, вони відносно стабільні в процесі обробки кожної деталі, а відхилення форми може характеризуватися квазістаціонарним гаусовським випадковим процесом. Такий процес характеризується математичним очікуванням (параметрами форми круга) і відхиленнями форми, що характеризуються кореляційною функцією. Кореляційна функція побудована безпосередньо по профілограмі.

Чисельними методами отримані графіки залежностей і (рис. 6 – 7): 1 – хвил; 2 – хвил; 3 – хвил; 4 – хвил; 5 – хвил; 6 – хвил.

Для шліфувального круга вона з достатньою мірою точності апроксимується залежністю:

, (14)

де – дисперсія висот нерівностей рельєфу круга; – окружна швидкість шліфувального круга;, – відповідні коефіцієнти при кореляції.

Перехід від кореляційної функції до спектрального уявлення здійснений шляхом застосування перетворення Лапласа

(15)

і після відповідних спрощень вираз для спектральної щільності (15) набуває вигляд:

, (16)

де ; ; ;, .

Структура формуючого фільтру визначена методом факторизації дрібно-раціональної функції (16) з виділенням нулів і плюсів, які лежать в лівій напівплощині. Передатна функція для відповідної динамічної моделі має вигляд:

, (17)

у якому для білого шуму з одиничною інтенсивністю невідомі коефіцієнти можуть бути визначені за параметрами спектральної щільності, методом невизначених множників Лагранжа у вигляді , , , .

Формуючий фільтр, що побудований, дозволяє охарактеризувати статистичні властивості шліфувального круга і заготовки (для схем круглого, плоского і внутрішнього шліфування). Для його налаштування необхідні дані з профілограм конкретних шліфувальних кругів.

З урахуванням моделей, які отримані вище, одержана структурна схема ТП плоского шліфування (рис. 8), яка дозволяє представити внески дій відхилень від розрахункового режиму обробки. |

Рис. 8. Структурная схема динамики ТП плоского шлифования |

Четвертий розділ присвячений синтезу АСУ ТП плоского шліфування, яка складається з підсистем діагностики і регулювання.

Для синтезу АСУ ТП шліфування динамічна модель (1) представлена у формі простору станів:

(17)

У відповідній формі перебудовані моделі, які характеризують статистичні властивості шліфувального круга і заготовки у вигляді рівнянь стану (14) і спостереження (16):–

для шліфувального круга:

, (18)

, (19)

де ; ; ; ;, , –некорельовані гаусові білі шуми одиничної інтенсивності, що породжують; ; ; ; ; – дисперсія висот нерівностей рельєфу шліфувального круга; – окружна швидкість шліфувального круга;, – відповідні коефіцієнти при кореляції.–

для заготовки:

, (20)

, (21)

де ; ; ; ; ;, – некорельовані гаусові білі шуми одиничної інтенсивності, що породжують; ; ; ; ; – дисперсія висот нерівностей рельєфу заготовки; – швидкість руху заготовки; , – відповідні коефіцієнти при кореляції.

Рівняння (17) містить в правій частині компоненту, що характеризує вплив дисбалансу на процес шліфування.

На підставі (17) з враховуванням (18) – (21) одержана розширена система у вигляді блочних матриць:

(22)

де , , , , , , при величинах дисбалансу, що допускаються.

Для вирішення задач стохастичної діагностики взаємодії інструменту і заготовки при плоскому шліфуванні співвідношення (22) записані в Жордановой клітинній формі спільно з рівнянням спостережень.

,

. (23)

Щоб оцінити значення фактичної глибини, побудований фільтр Калмана:

. (24)

Мінімально досяжна дисперсія оцінок стану системи (23) може бути оцінена матричним рівнянням Ріккаті:

(25)

Матриця коефіцієнтів посилення фільтру Калмана визначаються системою рівнянь.

. (26)

Тут – незалежні білі шуми з інтенсивностями і відповідно.

З враховуванням (24) - (26) алгоритм фільтрації спостережень визначається матричними рівняннями

(27)

З використанням середньоквадратичного критерію (,, – вагові матриці якості управління):

(28)

і результатів оцінок, на основі теореми розділення в роботі здійснений синтез регулятора.

Для алгоритму управління справедлива наступна структура

(29)

де , яка забезпечує властивість стабілізуємости початкової динамічної системи, а матриця задовольняє рівнянню

Відповідно до (26), (27) і (29) система з регулятором набуває вигляду:

(30)

Випробування розробленої АСУ ТП дозволяють зробити висновок, що запропонована система забезпечує стабільну якість обробки заготовок при ТП плоского шліфування, що є важливим резервом підвищення ефективності процесу шліфування в автоматизованому виробництві.

Виробничі випробування показали, що при обробці виробів на операціях плоского шліфування, в порівнянні з традиційними АСУ ТП, стабільно забезпечується висока якість поверхонь. В порівнянні з традиційною обробкою дисперсія за розміром поверхонь зменшується в 1,85 рази, по шорсткості поверхні – в 2,5 рази. При обробці деталей штампів і прес-форм час обробки найзначніше знижується для 1-й заготовки – в 1,42-1,5 рази, для другої – в 1,38-1,40 рази. В середньому продуктивність операцій підвищується при шліфуванні деталей прес-форм на 20%, деталей штампів – 25%. На ЛУГКРЕПМАШе в рамках теми “Основи управління якістю при чистовому і тонкому шліфуванні” (2006 – 2008гг., номер реєстрації 0105V009118) здійснено впровадження результатів проведених досліджень. Економічний ефект при обробці деталей штампового оснащення склав 17187 гривень на один верстат за рік на жовтень 2006 року.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Для забезпечення стабільності параметрів якості шліфованих поверхонь при високопродуктивному плоскому шліфуванні ТП плоского шліфування розглянутий як динамічна система (ДС), де формоутворення поверхні досліджується не лише в просторі, але і в часі. На основі системного підходу розглянута структура ДС, сформульовані основні положення і принципи аналізу процесу шліфування. Здійснена декомпозиція ТП плоского шліфування на підсистеми за функціональними ознаками. Визначені вхідні, вихідні змінні і параметри стану кожної з підсистем.

2. Показано, що параметри технологічної системи можуть змінюватися з часом передбаченим і непередбачуваним чином під дією різних чинників, важливим показником якості технологічних систем обробки деталей і особливо ТС фінішних операцій є їх стабільність, відсутність стабільності при традиційних технологіях неминуче призводить до розкиду показників якості продукції, що випускається. При форсованих технологічних режимах через зростання чутливості ТС до чинників, що обурюють, спостерігається втрата стабільності ТС і ТП.

3. Виконані експерименти по вивченню механізму утворення обробленої поверхні підтверджують гіпотезу про необхідність дослідження показників якості обробки деталей, на підставі аналізу динамічної взаємодії шліфувального круга і заготовки, профіль і взаємне положення яких змінюються з часом.

4. На технологічну систему операції шліфування впливає комплекс чинників, що обурюють, які спричиняють розкид показників якості оброблюваних деталей. Основним джерелом збурень в технологічній системі є варіації форми шліфувального круга. Відхилення форми шліфувального круга в стохастичному режимі мають випадковий характер і породжують шум збудження системи. Унаслідок дії на технологічну систему чинників, що обурюють, фазові координати об'єкту можуть бути зміряні з істотними випадковими помилками. Для реалізації оптимального управління процесом необхідно оцінювати його стан.

5. Розроблена стохастична динамічна модель процесу взаємодії шліфувального круга і заготовки, що враховує вплив варіацій форми шліфувального круга і її спектральний склад, яка дозволяє описувати відхилення стану технологічної системи від номінального режиму в реальному масштабі часу. На основі розроблених моделей для процесу плоского шліфування і теорії фільтрації Калмана-Бьюссі синтезована підсистема оцінки вектора стану ТП з мінімально досяжною середньоквадратичною помилкою (стохастичний спостерігач) і проведено визначення його параметрів.

6. Побудований стохастичний спостерігач дозволяє здійснювати безперервну оцінку стану ТП плоского шліфування з урахуванням стохастичної природи, дає можливість одержувати інформацію про стани ТП безпосередньо в процесі обробки.

7. На основі розроблених математичних моделей і держуваних оцінок стану синтезована АСУ ТП плоского шліфування, застосування якої забезпечує стабільність якості обробки заготовок при плоскому шліфуванні кругами із СТМ.

8. Результати виконаних досліджень упроваджені ТОВ “ЛУГКРЕПМАШ” м. Луганськ в рамках держбюджетної роботи “Основи управління якістю при чистовому і тонкому шліфуванні” (2006-2008гг., номер реєстрації 0105V009118). Річний економічний ефект при обробці деталей штампового оснащення склав 17187 гривень на один верстат за цінами 2006 року.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сидоров Д.Е., Новоселов Ю.К., Каинов Д.А., Сопин П.К. Разработка математической модели процесса шлифования в токопроводных средах //Резание и инструмент в технологических системах. – Меж.науч.тех.сб.- Харьков: ХГПУ, - 2005 - Вып.69 - С. 269-274.

2. Сидоров Д.Е., Каинов Д.А. Разработка математической модели операции плоского наружного шлифования // Вісник СумДУ Сб. науч. тр. – Суми, - 2005.

3. Братан С.М., Новоселов Ю.К., Сидоров Д.Е. Взаимосвязь перемещений в технологической системе при чистовом и тонком шлифовании // Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. тр. СевГТУ, - Севастополь, 2005 – Вып. 8 - С. 14-19.

4. Братан C.M., Сидоров Д.Е. Модель операции плоского наружного шлифования учитывающая внутреннюю динамику процесса. Часть 1 //Резание и инструмент в технологических системах. – Меж.науч.тех.сб.- Харьков: ХГПУ, - 2006 - Вып.70 - С. 52-57.

5. Братан C.M., Сидоров Д.Е. Модель операции плоского наружного шлифования учитывающая внутреннюю динамику процесса. Часть 2 //Резание и инструмент в технологических системах.- Меж.науч.тех.сб.- Харьков: ХГПУ, - 2006 - Вып.70 - С. 58-69.

6. Братан C.M., Сазонов С.Е, Сидоров Д.Е. Взаимосвязь перемещений в технологической системе при плоском шлифовании чашечными кругами //Високі технології в машинобудуванні. Зб. наук. праць НТУ “ХПI”. – Харків, 2006 - Вип. 2(13) - С. 14-19.

7. Братан C.M., Каинов Д.А, Сидоров Д.Е. Синтез системы управления процессом плоского наружного шлифования //Резание и инструмент в технологических системах. – Меж.науч.тех.сб.- Харьков: ХГПУ, - 2006 - Вып.71 - С. 3-13.

8. Новоселов Ю.К., Братан C.M., Сидоров Д.Е. Закономерности отображения поверхностей резания при моделировании съема материала на операциях точения, фрезерования и шлифования //Високі технології в машинобудуванні. Зб. наук. праць НТУ “ХПI”. -Харків, 2007 - Вип. 1(14) - С. 55-60.

9. Сидоров Д.Е., Каинов Д.А. Разработка математической модели операции плоского наружного шлифования // Тези доповідей П'ятої Всеукраїнської науково-технічної конференції “Машинобудування України очами молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво”. Суми: СумДУ, - 2005 – с.87 – 89.

10. Сидоров Д.Е., Финиковская Н.В. Разработка методов повышения производительности и качества обработки при чистовом и тонком шлифовании // Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта: Материалы междунар. научн.-технич. конф. студ., асп. и молодых учених, г. Севастополь, 16-20 мая 2005г. – Севастополь: Изд-во СевНТУ - 2005 – с.193-194.

11. Сидоров Д.Е., Финиковская Н.В. Разработка методов повышения эффективности обработки поверхностей при чистовом и тонком шлифовании // Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта: Материалы междунар. научн.-технич. конф. студ., асп. и молодых ученых, г. Севастополь, 15-19 мая 2006г. – Севастополь: Изд-во СевНТУ - 2006 – с.138.

АНОТАЦІЯ

Сидоров Д.Е. “Автоматична система управління процесом плоского шліфування”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.07. – Автоматизація технологічних процесів. – Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2007.

Дисертація присвячена рішенню найважливішого науково-технічного завдання забезпечення стабільності показників якості при високопродуктивному плоскому шліфуванні.

Виконаний в роботі аналіз показав, що параметри технологічної системи можуть змінюватися з часом передбаченим і непередбачуваним чином, під дією різних чинників. Важливим показником якості технологічних систем обробки деталей і особливо ТС фінішних операцій є їх стабільність. Відсутність стабільності при традиційних технологіях неминуче призводить до розкиду показників якості продукції, що випускається. При форсованих технологічних режимах, через зростання чутливості ТС до чинників, що збурюють , спостерігається втрата стабільності ТС і ТП.

Для вирішення поставлених завдань і цілей процес розглянут як динамічна система, де процес формоутворення поверхні досліджується не лише в просторі, але і в часі. На основі системного підходу розглянута структура процесу шліфування, сформульовані основні положення і принципи аналізу процесу шліфування. При структурному аналізі процес шліфування розчленовано за функціональними ознаками на підсистеми.

На основі вивчення процесів, що відбуваються в технологічній системі при взаємодії деталі і круга, розроблена модель динамічного об'єкту, що характеризує відхилення параметрів від статичного режиму. Для урахування статистичних властивостей поточних відхилень радіус-векторів шліфувального круга і заготовки, побудовано формуючий фільтр і визначені його параметри. Для діагностики ТС на основі динамічної моделі процесу синтезований стохастичний спостерігач із блоком стохастичного підстроювання у формі фільтру Калмана-Бюссі. На основі одержаних динамічних моделей і оцінок розроблена АСУ ТП процесом плоского шліфування.

Ключові слова: плоске шліфування, якість, стабільність, діагностика, стохастичний спостерігач, фільтр що формує, технологічний процес.

АННОТАЦИЯ

Сидоров Д.Е. “Автоматическая система управления процессом плоского шлифования”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – Автоматизация технологических процессов. – Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2007.

Диссертация посвящена решению важнейшей научно-технической задаче: синтезу АСУ ТП плоского шлифования, обеспечивающей стабильность качества изделий.

Объектом исследования является технологический процесс (ТП) плоского шлифования. Предметом исследования являются динамические, стохастические модели, методы и алгоритмы автоматизации, диагностики и управления технологического процесса обработки заготовок при плоском шлифовании.

Выполненный в работе анализ показал, что параметры технологической системы могут изменяться с течением времени предсказуемым и непредсказуемым образом под действием различных факторов. Важным показателем качества технологических систем (ТС) обработки заготовок и, особенно, ТС финишных операций является их стабильность. Отсутствие стабильности при традиционных технологиях неизбежно приводит к разбросу показателей качества выпускаемой продукции. При форсированных технологических режимах, в силу возрастания чувствительности ТС к возмущающим факторам, наблюдается потеря стабильности ТС и ТП.

Теоретические исследования проводились на базе научных основ теории автоматического управления, технологии машиностроения, теории резания металлов, теории динамики станков, системного анализа, теории оптимальной фильтрации и стохастической оптимизации. При проверке адекватности моделей применены методы моделирования, базирующиеся на аналитическом и численном эксперименте, а также на экспериментальной проверке результатов моделирования в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность теоретических и экспериментальных исследований подтверждается результатами моделирования, опытно-промышленной проверкой и внедрения в производство.

Научная новизна полученных результатов работы состоит в дальнейшем развитии задач построения системы автоматизированного управления технологическим процессом плоского шлифования кругами из сверхтвердых материалов, в которую входит создание автоматического программного управления промежуточными переменными процесса с целью обеспечения попадания качества характеристик ТП в допустимую область; построении динамической модели процесса плоского шлифования, которая учитывает процессы, протекающие в зоне контакта при взаимодействии шлифовального круга с заготовкой; разработке стохастической динамической модели профиля рабочей поверхности инструмента при его взаимодействии с заготовкой, учитывающей влияние вариации формы и ее спектральный состав; создании подсистемы диагностики в виде стохастического наблюдателя Льюинбергера с фильтром Калмана-Бьюсси, обеспечивающего оценку фактической глубины резания непосредственно в процессе обработки с минимально достижимой среднеквадратической ошибкой; разработке АСУ ТП плоского шлифования по отклонению от программного движения, функционирующая в условиях случайных возмущений характеристик ТС, учитывающая влияние вариации формы инструмента, его спектральный состав на характеристики процесса резания, использующая результаты функционирования подсистемы диагностики и обеспечивающая повышение стабильности качества производства деталей.

Результаты выполненных исследований внедрены OOО “ЛУГКРЕПМАШ” г. Луганск в рамках госбюджетной работы “Основы управления качеством при чистовом и тонком шлифовании” (2006-2008гг., номер регистрации 0105V009118). Годовой экономический эффект при обработке деталей штампового оснащения составил 17187 гривен на один станок в год по ценам 2006 года.

Ключевые слова: плоское шлифование, качество, стабильность, диагностика, стохастический наблюдатель, формирующий фильтр, технологический процесс.

ANNOTATION

Sidorov D.E. The automatic process control system of the flat polishing. Manuscript.

Thesis for candidate’s degree by speciality 05.13.07 – “Automation of technological processes”. - Sevastopol national technical university, Sevastopol, 2007.

Dissertation is devoted to the decision of major scientific and technical to the task of providing of stability of indexes of quality at the high-performance flat polishing.

The analysis executed in-process rotined that the parameters of the technological system can change in time, predictable and by unforeseeable appearance, under action of different factors. By the important index of quality of the technological systems of treatment of details and especially ТS finishes operations there is their stability. Absence of stability at traditional technologies inevitably results in variation of indexes of quality of the produced products. At the forced technological modes, by virtue of growth of sensitiveness of ТS to the revolting factors, there is the loss of stability of technological system and technological process.

For the decision of the set problems and aims operation is considered as dynamic system, where the process of surface is explored not only in space but also in time. On the basis of systems approach the structure of operation of polishing is considered, substantive provisions and principles of analysis of polishing process are formulated. At the structural analysis operation of polishing is dismembered on functional signs on subsystems.

On the basis of study of processes what is going on in the technological system at co-operation of detail and circle, the model of dynamic object, characterizing deviations of parameters from the static mode, is developed. For the account of statistical properties of the current declining of diamond-impregnated and purveyance a forming filter is built and his parameters are certain. For diagnostics of technological system on the basis of dynamic model of process a stochastic observer is synthesized with the block of stochastic in the form of filter. On the basis of the got dynamic models and estimations developed to ASC by the technological process of the flat polishing.

Keywords: flat polishing, quality, stability, diagnostics, stochastic observer, forming a filter, technological process.

Сидоров

Денис Євгенович

Автоматична система управління процесом плоского шліфування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підписано до друку 24.07.2007 р.

Формат 6084 /16. Друк офсетний Ум. – др. арк. – 0.9. Обл. – вид. арк.. – 1,0.

Тираж 20 прим. Зам №  . Видавництво “СевНТУ”, 99053, Севастополь,

Стрілецька балка, Студмістечко, ТМЦ, т. (0692) 235-210