Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
Работа выполнена в Донском государственном техническом университете
На правах рукописи
Научный консультант, доктор технических наук
, профессор, засл. деят. науки РФ Флек Михаил Бенсионович Заковоротный Вилор Лаврентьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ Смоленцев Владислав Павлович, ВГТУ, Воронеж ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ МНОГОКООРДИНАТНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ доктор технических наук, профессор Бржозовский Борис Максович, СГТУ, Саратов ОБРАБОТКИ С СИНЕРГЕТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ ФОРМООБРАЗУЮЩИМИ ДВИЖЕНИЯМИ доктор технических наук, профессор Попов Михаил Егорович, ДГТУ, Ростов н/Д 05.02.08 - Технология машиностроения 05.03.01 - Технологии и оборудование Ведущая организация - Национальный институт механической и физико-технической обработки авиационных технологий (г. Москва)
Защита состоится л22 января 2009 г. в __ часов на заседании
АВТОРЕФЕРАТ
диссертационного совета Д212.058.02 ДГТУ по адресу:344000, диссертации на соискание учёной степени г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ. а.2доктора технических наук
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ
Автореферат разослан л Ростов - на - Дону 20
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор В.С.Сидоренко
Общая характеристика работы
пониженную жесткость. Для таких деталей целесообразно осуществлять технологическую подготовку процессов обработки ЧПУ с учетом
Актуальность проблемы. В современном машиностроении, особенно в изменения локальных характеристик жесткости детали и инструмента авиационной и космической отрасли, большинство продукции вдоль траектории их взаимодействия, износа инструмента, динамических выпускается по индивидуальным требованиям заказчика, для чего характеристик приводов исполнительных элементов, возможности используется гибкоструктурное производство на базе диагностирования процесса обработки и его адаптации в реальном быстропереналаживаемого автоматизированного оборудования (станков с времени, что позволит получать без доработки детали с предельно ЧПУ, в том числе с прямым управлением от ЭВМ).
достижимой точностью при минимальной массе.
Большое количество отечественных и зарубежных работоспособных В отличие от традиционного подхода к синтезу управления станков с ЧПУ, имеющихся на предприятиях машиностроения, технологической системой механообработки с ЧПУ, когда на ЭВМ недостаточно эффективно используются из-за ограниченности создаётся геометрический образ детали, ограниченный желаемыми возможностей современных средств разработки и управления траекториями движения инструмента, а затем все координаты движения технологическими процессами. Для решения поставленных станка подчиняются обеспечению этого образа, в работе использован государственных задач по производству конкурентоспособной подход, основанный на синергетической теории управления. Согласно наукоемкой техники (в частности, продукции авиационно-космической ему технологическая система обработки рассматривается как единая отрасли) необходимо разработать новый подход к проектированию эволюционирующая сложная динамическая система, обладающая систем и методов управления, составляющих основу технологических внутренними связями.
процессов гибкоструктурного производства. Предлагаемая в работе Системный синергетический синтез управления включает в уравнения система построения технологического обеспечения механической движения технологической системы не только систему управления обработки на многокоординатных станках с ЧПУ создает условия для исполнительными элементами станка, но и законы преобразования создания и выпуска наукоемких конкурентоспособных изделий, траекторий исполнительных элементов в траектории движения позволяет повысить уровень использования имеющегося инструмента относительно заготовки. При этом учитывается автоматизированного оборудования до нормативных показателей динамическая связь, формируемая процессом резания и объединяющая (обеспечить загрузку не менее чем в 2 рабочие смены) и формирует автономные подсистемы в единую управляемую систему, а также требования к продукции отечественного станкостроения. Это отвечает производится замена скалярного управления векторным. С другой национальным программам развития машиностроения, авиационной и стороны, для обеспечения управляемости процесса обработки в реальном космической техники.
времени должна обеспечиваться его наблюдаемость, т.е. возможность Практика использования современных концепций и методик идентификации достаточного набора динамических параметров, построения систем технологического обеспечения для оборудования с определяющих выходные параметры: точность, качество, ЧПУ, в том числе, результаты работ автора, опубликованные в 1973-19производительность. Основы такого подхода применительно к г.г., показали, что дальнейшее совершенствование технологий технологии многокоординатной обработки ранее подробно не механической и комбинированной обработки на станках с программным рассматривались, хотя опыт авиационной и других отраслей управлением связано с необходимостью создания теоретических основ машиностроения однозначно подтверждает его актуальность и преобразования траекторий исполнительных элементов станка в своевременность разработки на его базе новых методов построения траектории формообразующих движений, с учетом влияния на них систем управления формообразованием и технологической подготовки.
динамики процесса обработки, изменения жёсткости системы СПИД, Сформулированная проблематика фактически порождает новую припуска и эволюционных процессов (например, износа инструмента), предметную область знаний, получение которых определяет научную происходящих в ходе функционирования технологической системы.
актуальность диссертационного исследования. Повышение точности В изделиях авиационной и космической отрасли используют детали с сложноконтурных поверхностей особо ответственных деталей, качества минимальной массой, которые в большинстве случаев имеют 3 поверхностного слоя, производительности процессов формообразования 4. Раскрыть механизм эволюции динамических связей, сокращает трудоемкость последующей доработки, позволяет снизить формируемых в процессе резания, и метод идентификации его основных массу, ускоряет освоение и выпуск отечественной новой техники, параметров.
повышая ее конкурентоспособность. Решение поставленной проблемы 5. На основе установленных закономерностей эволюционных отвечает национальным программам в области машиностроения, в изменений процесса обработки, а также методов расчета изменяющихся частности задачам, поставленным в Федеральной целевой программе характеристик жесткости инструмента и заготовки вдоль "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы формообразующей траектории создать методику синтеза оптимального и на период до 2015 года", а также в "Стратегии развития авиационной векторного управления, обеспечивающего требуемое качество деталей.
промышленности на период до 2015 года", утвержденной 6. Создать новую систему технологической подготовки Правительством РФ. производства (ТПП), базирующуюся на системном синергетическом Целью диссертации является разработка теоретических основ синтезе оптимальных траекторий для технологических процессов (ТП) создания технологии высокоэффективной многокоординатной обработки обработки на многокоординатных станках с ЧПУ.
деталей переменной жесткости на современных станках с ЧПУ с заменой 7. Проверить правомерность созданной методики синтеза принятых систем управления на динамические адаптивные, управления точностью на примере типовых технологических операций, использующие законы преобразования траекторий исполнительных выполняемых на серийном и специальном оборудовании с ЧПУ на элементов в траектории движения инструмента относительно заготовки с предприятиях машиностроения, в том числе, в аэрокосмической отрасли.
учетом внутренних связей между всеми подсистемами технологической Научная новизна работы заключается в следующем:
системы (ТС), формируемых процессом обработки путем корректировки 1. Впервые на основе исследования динамической структуры траектории инструмента до получения максимальной точности обработки автономных подсистем: станка, управления приводами, инструмента и изделия с сохранением требуемых эксплуатационных характеристик.
заготовки, связанных процессом резания в единую управляемую систему, Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
установлены закономерности преобразования вектора управления 1. Разработать научные положения о системном синергетическом (программы ЧПУ) в траектории исполнительных элементов станка, синтезе векторного управления точностью обработки на металлорежущих траектории исполнительных элементов - в траектории формообразующих станках класса CNC на основе раскрытия внутренней динамической движений инструмента. Основанный на принципах синергетической структуры и реализации возможностей ТС, включающей процесс теории, в частности, на принципах расширения-сжатия пространства обработки резанием, комбинированные методы обработки.
состояния и когерентности управления, новый подход создал базу для 2. Разработать математические модели динамики управляемой построения системы ТПП и разработки управляющих программ (УП) для многокоординатной системы обработки, включающие подсистемы многокоординатных станков с ЧПУ, обеспечивающих заданные показатели векторного управления исполнительными элементами станка;
точности, качества и производительности ТП обработки ответственных подсистемы, связывающие траектории исполнительных элементов с сложноконтурных деталей.
траекториями движения вершины инструмента относительно зоны 2. Разработаны математический аппарат, алгоритмы и средства обработки заготовки переменной жесткости с учетом динамических построения УП для формирования вектора управлений, обеспечивающего характеристик процесса обработки.
преобразования траекторий исполнительных элементов ТС в требуемые по 3. На основе разработанных моделей и результатов системных условиям достижения заданных показателей качества, производительности экспериментальных исследований установить закономерности и себестоимости траектории формообразующих движений инструмента преобразования траекторий исполнительных элементов станка в относительно заготовки. Предложены инженерные зависимости, траектории формообразующих движений инструмента относительно аппроксимирующие преобразования траектории исполнительных заготовок переменной жесткости и раскрыть их связь с качеством элементов ТС в траектории формообразующих движений инструмента обрабатываемой детали.
5 для ТП точения, растачивания, попутного фрезерования концевыми 4. Создание программного обеспечения, интерфейсов и фрезами, сверления глубоких отверстий малого диаметра. технических решений, обеспечивающих существенное повышение 3. На основе исследования моделей динамики процесса обработки эффективности ТП обработки на станках с ЧПУ при точении, сформулированы требования к системам векторного управления ТП растачивании, сверлении, фрезеровании маложестких деталей сложной оборудования ЧПУ, обеспечивающие минимизацию машинного времени геометрической формы, которые расширили область использования и при достижении заданных параметров качества обработки. загрузку оборудования на ОАО Роствертол и других предприятиях 4. Разработана модель эволюционных процессов динамической машиностроения.
системы резания с использованием представления параметров системы в 5. Разработку систем динамической диагностики ряда процессов виде интегральных операторов, и на ее основе - метод мониторинга обработки, что ускорило адаптацию ТП к условиям процесса обработки. С использованием нового подхода к определению формообразования на оборудовании в реальном масштабе времени.
параметров износа через мощность необратимых преобразований ТС 6. Создание и внедрение в производство специализированных разработаны алгоритмы идентификации ядер интегральных операторов, станков, в том числе для сверления глубоких отверстий малого диаметра, описывающих динамику износа инструмента.
снабженных микропроцессорными системами синергетического 5. Выявлены неизвестные ранее закономерности влияния управления, что позволило устранить брак дорогостоящих деталей и эволюционных преобразований в динамической системе резания на ускорить ТПП при запуске новых изделий.
показатели качества изделий, и на этой основе разработаны методы и Автор защищает:
средства построения УП, компенсирующие влияние износа на точность и 1. Новую систему технологической подготовки производства, параметры качества ТП механической обработки.
базирующуюся на системном синергетическом синтезе векторного 6. Раскрыты новые механизмы проявления отклонений геометрии управления точностью обработки на станках с ЧПУ, учитывающем деталей от заданной, обусловленные особенностями динамики динамическое состояние процесса обработки в реальном времени.
взаимодействия подсистем станка, процесса резания и самостоятельными 2. Установленные закономерности преобразования вектора процессами в зоне резания, на основе чего предложены технологические управления в траектории исполнительных систем оборудования и рекомендации по устранению этих отклонений, повышению формообразование поверхности заготовки, что позволило разработать и производительности, качества и стабильности ТП.
внедрить в промышленность программно-аппаратные средства ЧПУ с Практическая значимость работы включает:
высокими технологическим возможностями для современного 1. На стадии ТПП создание новой системы формирования автоматизированного оборудования.
векторного управления для ЧПУ, что позволило расширить 3. Синергетический подход к созданию методов синтеза УП для технологические возможности серийных многокоординатных станков и станков с ЧПУ, использующий единое описание системы управления разработать требования к вновь создаваемому оборудованию с ЧПУ.
исполнительными элементами станка, механическими подсистемами 2. Создание новой системы ТПП, позволившей сократить сроки станка, заготовки и инструмента, законов преобразования траекторий освоения новых изделий, повысить качество продукции, увеличить исполнительных элементов в траектории движения инструмента загрузку станков с ЧПУ, поднять уровень конкурентоспособности относительно заготовки и учет динамической связи, формируемой отечественного машиностроения.
процессом резания, в том числе, при его эволюции.
3. Разработку инструктивных материалов для расчета УП, 4. Методы и результаты исследования эволюционных обеспечивающих оптимальное преобразование траекторий преобразований динамической системы резания и их влияния на исполнительных элементов ТС в траектории формообразующих выходные характеристики, определяющие повышение показателей движений инструмента относительно заготовки, что позволило повысить качества изготовления изделий и стабильности ТП.
точность обработки на оборудовании с ЧПУ, особенно изделий малой 5. Алгоритмы управления геометрической точностью деталей, жесткости при большом вылете инструмента.
позволяющие автоматизировать проектирование ТП для перспективного 7 технологического оборудования, повысить точность, снизить Разработанные методы и результаты вошли составной частью в трудоемкость изготовления, сократить число последующих учебники и учебные пособия по дисциплине Технология авиастроения.
технологических операций. Публикации. По материалам выполненных исследований 6. Результаты использования и внедрения результатов на опубликовано 37 трудов, из них 12 в журналах по Перечню ВАК РФ.
предприятиях машиностроения и в учебный процесс технических ВУЗов. Общий объем публикаций 142,5 печатных листа, в том числе соискателю принадлежит 93,6 печатных листа.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, одобрение на следующих конференциях: Проблемные вопросы общих выводов по работе, списка использованной литературы, автоматизации производства, Всесоюзная научно-техническая приложений. Диссертация изложена на 340 страницах, содержит 1конференция, М., 1978; Конструирование и производство рисунков, 17 таблиц, список литературы из 223 источников.
сельскохозяйственных машин, Всесоюзная научно-техническая конференция, Ростов-на-Дону, 1982; Конструкторско-технологическая ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
информатика, V Международный конгресс, МГТУ Станкин. М., 2000;
Проблемы механики современных машин, Вторая международная Во введении обоснована актуальность работы, показана конференция, Улан-Удэ: ВСГТУ, 2003; Контактная жесткость. необходимость разработки новых принципов проектирования УП, Износостойкость. Технологическое обеспечение, Международная раскрывается значение работы для науки и ее практическое применение.
научно-техническая конференция, Брянск: БГТУ, 2003; Проблемы В первой главе выполнен анализ исследований в области определения технологических условий обработки по заданным автоматизированной технологии многокоординатной обработки. В показателям качества изделий, Российская научно-техническая частности, обсуждаются результаты исследований по конференция, Рыбинск: РГАТА, 2003; Нелинейная динамика и совершенствованию технологии автоматизированной обработки, прикладная синергетика, Международная научно-техническая конструкций металлорежущих станков, выполненных Бойцовым Б.В., конференция, Комсомольск-на-Амуре, 2003; Исследование станков и Евсеевым Д.Г., Сусловым А.Г., Васильевым А.С., Смоленцевым В.П., инструментов для обработки сложных и точных поверхностей, Межвуз.
Поповым М.Е., Митрофановым В.Г., Соломенцевым Ю.М., Киричеком научн. конф, Саратов, 2003; Информационные технологии в российской А.В., Аверченковым В.И., Степановым Ю.С., Безъязычным В.Ф., промышленности, Всерос. науч. - практ. конф., СПб., 2004; Динамика Кутиным А.А., Дальским А.М., Демиховым К.Е., Норенковым И.П., технологических систем, VII Междунар. науч. - техн. конф., Саратов.
Браиловым И.Г. Аверьяновым О.И., Бушуевым В.В., Масловым А.Р., гос. техн. ун-т, 2004; Военная техника, вооружение и технологии Прониковым А.С., Пушем В.Э., Портманом В.Т., Решетовым Д.Н., двойного применения, Материалы III Междунар. технолог. конгр., Омск, Черпаковым Б.И. и др. При этом рассматриваются проблемы точности 2005; VIII Международная научно-техническая конференция по динамике позиционирования, жёсткости, износостойкости, тепловых деформаций, технологических систем, Ростов н/Д: ДГТУ, 2007; на отраслевой универсальности компоновок, управляемости и пр. Однако рассмотрение научно-практической конференции Совершенствование производства единой системы, включая динамические связи, формируемые в процессе поршневых двигателей для малой авиации, Воронеж, 2008.
резания, и на этой основе проектирование управляемых движений с Реализация результатов. Методики и технические решения, учётом этих связей остаются актуальными в равной мере для полученные по результатам диссертационной работы, нашли применение существующих станков, находящихся в эксплуатации, и станков на предприятиях оборонно-промышленного комплекса: авиационной современных конфигураций.
просышленности - согласно акту, утвержденному и.о. начальника Непосредственно проблемам управления процессами обработки и Управления авиационной промышленности В.Н. Рыбаковым; на ОАО проектированию УП для технологических процессов, выполняемых на Азовский ОМЗ, г. Азов; на ОАО КВЗ, г. Казань; ВМЗ, г. Воронеж;
автоматизированном оборудовании, посвящены известные исследования НП ОАО Фаза, ОАО НПП КП Квант, ОАО Гранит, ОАО Базрова Б.М., Заковоротного В.Л., Смоленцева В.П., Соломенцева Ю.М., Роствертол, г. Ростов-на-Дону.
9 Сосонкина В.Л., Тверского М.М. и др. Использованные в этих работах формообразующих движений инструмента относительно зоны обработки подходы не охватывают в полном объеме всех факторов, определяющих заготовки; сформулировать требования к модернизации существующего технологические показатели процесса (точность, шероховатость и разработке нового оборудования с ЧПУ; создать методическое, изделий), что ограничивает реализацию возможностей современного алгоритмическое и программное обеспечение для управления автоматизированного оборудования, снижает его технико-экономические оборудованием с учетом требований к обрабатываемым изделиям.
показатели, загрузку, привлекательность для заказчиков. На базе анализа состояния вопроса сформулирована научная Для решения поставленной проблемы требуется разработка системы концепция работы, включающая: методологию синергетического проектирования УП, учитывающих влияние всего комплекса управления процессами обработки резанием на станках класса CNC, динамических связей в управляемой технологической системе на заключающуюся в согласованном (когерентном) управлении всеми достижимую точность выполнения контура изделий. Работа использует координатами пространства состояния системы резания и построении основные положения динамики станков, созданной благодаря работам программы ЧПУ не по геометрическому образу детали, а по Бржозовского Б.М., Вейца В.Л., Городецкого Ю.И., Жаркова И. Г., Зарса инвариантному многообразию траекторий формообразующих движений В.В., Заковоротного В.Л., Каширина А.И., Каминской В.В., Кабалдина инструмента относительно заготовки, обеспечивающим требуемые Ю.Г., Кудинова В.А., Левина А.И., Мурашкина С.Л., Максарова В.В., показатели качества изделий. Как неотъемлемая часть сформулированной Остафьева В.А., Подураева В.Н., Попова М.Е., Пуша А.В. и др. Однако, в концепции ставится задача выбора из этого многообразия оптимальной отличие от них, в части динамики станков в диссертационном траектории, минимизирующей приведённые затраты при изготовлении исследовании анализируются не проблемы устойчивости или партии изделий.
автоколебаний в вариациях относительно некоторой точки равновесия, а Обоснована научная гипотеза, включающая введение понятия проблемы выбора инвариантного многообразия траекторий инвариантного многообразия траекторий формообразующих движений, формообразующих движений инструмента относительно заготовки, обеспечивающих требуемые показатели качества изделий, а также обеспечивающего требуемые технологические показатели качества понятия многообразия траекторий, обеспечивающих требуемое состояние деталей, и вопросы обеспечения устойчивости этих многообразий. Так технологического процесса резания. Эти понятия не только позволяют как динамическая характеристика процесса резания обладает свойством строго сформулировать проблему управления процессами обработки на эволюционной изменчивости, то рассматриваются также вопросы станках, но и отражают новую, не анализируемую ранее, сущность моделирования эволюции системы обработки. При этом для получения любого процесса обработки.
основных теоретических результатов работы используется аппарат Показано, что совершенствование технологической и станочной базы предприятия на основе предлагаемых принципов управления процессами теории управления сложными техническими объектами, основы которой обработки на станках позволяет по-новому решить проблему повышения созданы работами Воронова А.А., Кулебакина В.С., Красовского А.А., качества деталей и машины в целом, обеспечивая, с одной стороны, Красовского Н.Н., Крутько П.Д., Летова А.М., Поспелова Г.С., Петрова существенное повышение качества изделий на существующем Б.Н., и современной синергетической теории управления, разработанной оборудовании, и с другой - возможность и пути создания более в трудах А.А.Колесникова и др.
совершенных станков, управляемых от ЭВМ.
Изложенное обосновывает научную позицию соискателя, согласно На предприятиях оборонно-промышленного комплекса, в частности, в которой повышение эффективности использования и загрузки основного авиационной промышленности, используются типовые детали сложного вида оборудования для гибкоструктурного производства возможно, если:
геометрического профиля, имеющие сложные законы распределения изменить систему технологической подготовки производства на базе матриц жёсткости по траекториям перемещений инструмента. При их синтеза синергетического векторного управления точностью обработки обработке требуется знание закономерностей преобразования траекторий на станках с ЧПУ; установить закономерности преобразования вектора исполнительных движений в траектории формообразующих движений управления (программы ЧПУ) в траектории исполнительных элементов инструмента относительно заготовки, что требует решения связанных станка, траектории исполнительных элементов - в траектории задач динамики станка, управляемых приводов, нестационарного анализа 11 напряженно-деформированного состояния инструмента и обрабатываемой детали. Причем взаимодействие инструмента и детали через процесс резания формирует динамическую связь, объединяющую подсистемы станка, в результате чего образуется единая динамическая система с присущими ей свойствами инерционности, эволюции (в частности, за счет износа инструмента) и др. Такой уровень рассмотрения позволяет по-новому подойти к проектированию программ для станков с ЧПУ, открывает возможность эффективного построения векторного управления точностью формообразования и качеством поверхностного слоя.
На базе анализа состояния вопроса поставлены цель и задачи исследований, приведенные во введении работы.
Во второй главе раскрыт механизм взаимодействия траекторий исполнительных элементов станка с положением инструмента относительно заготовки. Рассмотрены причины отклонений траектории движений инструмента от заданной программой ЧПУ. В их числе:
Рисунок 1. Схема синергетического управления при построении управляющих упругие деформации инструмента и заготовки, вариации припуска и программ по инвариантным многообразиям, обеспечивающим требуемые геометрии инструмента, неидентичность динамических свойств показатели качества деталей регулируемых приводов, эволюционные преобразования, вызванные Синергетическое управление строится на основе принципов износом инструмента, непостоянство жесткости станков во времени.
расширения-сжатия пространства состояния и когерентности управления Существо синергетического подхода, принципиально отличающего с целью достижения предельно возможных показателей точности настоящую работу от общепринятых концепций построения геометрической формы и качества поверхностного слоя деталей, технологических процессов механообработки, заключается в том, что заложенных в технологическом процессе обработки. Расширение проектируются траектории формообразующих движений, которым (увеличение размерности) пространства состояния технологической подчиняются траектории исполнительных элементов и, наконец, вектор системы связано с возникновением дополнительных связей, управления, или программа ЧПУ (см. рис.1). При этом полученному формируемых процессом резания, а также электромеханической многообразию траекторий формообразующих движений будет отвечать подсистемой управления приводами станка. Принцип сжатия многообразие траекторий исполнительных элементов. Следовательно, в пространства состояния заключается в том, что по мере движения основу построения программ ЧПУ закладывается не геометрический координат состояния в диссипативных системах имеет место уменьшение образ детали, а это многообразие траекторий, которое должно быть их фазового объема, т.е. координаты состояния притягиваются к асимптотически устойчивым. Тогда в диссипативной системе к этим некоторым многообразиям, являющимся аттракторами. Размерность многообразиям естественным образом будут стягиваться все траектории.
пространства состояния при этом уменьшается, что и позволяет решить Таким образом, принципиальное отличие двух парадигм построения задачу поиска оптимальной траектории на многообразии при технологических процессов и управления процессом обработки на проектировании технологии и УП.
станках заключается в том, что при традиционном подходе в основе Принцип когерентности управления требует построения управлений лежит чертеж детали, а при синергетическом - многообразие траекторий согласно естественным динамическим свойствам технологической формообразующих движений, обеспечивающих обработку с требуемыми системы. Синергетический подход создает возможность регулирования показателями качества.
дополнительных связей и управляющих воздействий для обеспечения того, чтобы притягивающие многообразия стали теми траекториями 13 формообразующих движений инструмента, которые обеспечивают d4 (t) 4 (t), = 4 (t) требуемые показатели качества. Это, в свою очередь, требует знания dt естественных динамических свойств системы (процесса резания, изменяющейся жёсткости подсистем, в том числе, при изменении направления движения инструмента). XdX dx F( X,, x, ) xИзложенные принципы были положены в основу разработки dt dt X синергетической концепции построения технологических процессов и УП.
xНа основе анализа взаимосвязей между подсистемами ТС, выполненного на примере процесса точения как типовом и наиболее xважном в методическом отношении с учетом сил резания, зависящих, в том числе, от скоростей по всем координатам, получена система X X (t) уравнений, описывающая траекторию движений вершины инструмента, {0,0,0}T испытывающего упругие деформации в процессе обработки dX (t) = V2 (t) 2 2 2 -dt T d x dt + 2T dx dt + c x = с0 F( X2,TM,2V2,x3,TM,3 dx3 dt ), (1) где - T2 - диагональная матрица, элементы которой m/cii- равны отношению массы инструмента к диагональным элементам матрицы X (t) dX (t) = V3 (t) жесткости его подвески; dt - ТМ,i; - диагональные матрицы постоянных времени управляемых Рисунок 2. Система координат управляемой технологической системы двигателей; (на примере токарной обработки) - c0-1 - диагональная матрица, элементы которой равны (cii)-1; элементы После перехода в системе (1) от реального t к безразмерному, матрицы 2T выражаются через отношения элементов матриц ( 2 ( медленному времени = TЭМ)TЭ2 ) / t, описывающему движения в ТС диссипации и жесткости (2T)ij=hij/cjj;
- X={0,X2,X3,4}T, Xc={0,X2,X3}T - координаты положения суппорта, под действием управлений, получены уравнения медленных движений соответствующие вылету недеформированного инструмента, и 4 - угол d TM,1 dX1 d TЭМТЭ 2 = ( ce )-1U( )- ( ce )-1UM ( X1,, x3,0 )- TЭМ - ;
поворота шпинделя, отсчитываемые от нулевой точки X={0,0,0,0}T;
( d d TЭМ)Т( 2 ) d Э (3) - Xu={-x1,(X2-x2),(X3-x3)}T - координаты вершины инструмента с учётом их ( вариаций x={x1, x2, x3}T относительно системы координат суппорта. c x = c01F( X1, TM1) dX1 ), -,, x3, ( 2 ( Таким образом, вектор x представляет собой упругое смещение вершины TЭМ)ТЭ2 ) d инструмента относительно суппорта.
и система дифференциальных уравнений быстрых движений - F={F1,F2,F3}T - вектор силы резания, формируемой в результате (неуправляемых вариаций или колебаний вершины инструмента) в взаимодействия обрабатываемой заготовки и режущего инструмента с реальном времени t учётом его упругих деформаций, причем на величину этой силы влияют 2 2 -1 ( T d x dt2 + 2T dx dt + c x = с0 F( X,TM,2V2,x3,TM ) dx3 dt ), (4) 2,скорости перемещения по всем координатам и эволюционные изменения где V={0,V2,V3,4}T={0, dX2/dt, dX3/dt, d4/dt}T - параметры системы закона формирования сил (см. рис.2).
быстрых движений; элементы матрицы c равны cji/cii; ТЭМТЭ; ТЭМ - ( ( F = F( X,TM,2,dX dt,TM,4,d4 dt,x1,TM ) dx1 dt,TM ) dx3 dt ) (2) 2 2,1,3 диагональные матрицы, составленные из постоянных времени трёх управляемых двигателей; E- единичная матрица; (ce)-1 - матрица, коэффициентов противо-ЭДС двигателей ce(i); U(t)={U1(t),U3(t),U4(t)}T - 15 вектор управления (программа ЧПУ); ={1,3,4}T - вектор частот вращения роторов; UM(X2,TM,2dX2/dt,Еx3 TM,3dx/dt)={UM(2), UM(3), UM(4)}T - вектор моментов сопротивления вращения роторов.
Для количественного определения динамической связи, формируемой в результате взаимодействия подсистем инструмента и заготовки через процесс резания, были построены зависимости сил резания от координат формообразующих движений. Так, для силы резания на передней поверхности инструмента в предположении зависимости модуля этой силы от площади срезаемого слоя F0=(V(P))S, малости изменения Рисунок 4. Схема для определения сил, действующих на главную и скорости резания V(P)=r4+V1 при глубине резания tp(t) и подаче S(t) (см.
вспомогательную задние поверхности инструмента рис.3) получено интегральное выражение Для расчета суммарных сил, действующих на главную и t t t ( (Ф ) ( Ф ) вспомогательную задние поверхности инструмента, получена F0( t ) = { [ V3 Ф )(t )dt ][r(t )- ( t )dt ] - [ (t )dt ]2 }, (5) 2 V V зависимость t -T 0 t-T (max) P{ 0 }( 0 -0 + 2arctg[V3 4r ]) где Т - период вращения заготовки, подача S(t) выражается через, (6) P (V3,4 ) = (max) [(max) + 0 - arctg[V3 4r ][ +1 + arctg[V3 4r ] меняющуюся во времени подачу на оборот Sp(t) и текущие значения углов резания , посредством соотношений S(t ) = SP(t )tP(t ) -SP( t ) ;
где: 0- задний угол; - главный угол в плане; а 01, (max), P{0} - = tgtg 2( tg + tg ), а текущие значения подачи на оборот и припуска параметры смещенной гиперболы, аппроксимирующей зависимости определяются из интегральных формул силы, действующей на заднюю поверхность режущего инструмента, от t t приращения заднего угла, подлежащие экспериментальному (Ф ) (Ф ) (Ф ) SP( t ) = ( t )dt ; tP(t ) = r( X ) - ( t )dt, 3 3 2 определению. Показано, что зависимость (6) адекватно описывает V V t-T экспериментально установленную закономерность резкого увеличения а верхний индекс Ф в обозначениях скоростей указывает на то, что силы, действующей на заднюю поверхность инструмента, при имеются в виду скорости формообразующих движений инструмента.
уменьшении заднего угла до величин близких к нулю и, особенно, при изменении его знака. Это увеличение наблюдается и при колебаниях Ось вращения заготовки инструмента относительно заготовки в связи с изменениями кинематического заднего угла .
Уравнения (3)-(6) показывают, что при деформации инструмента SP происходит поворот его режущей кромки, а, следовательно, изменение (Ф) r(X ) 3 (1) геометрии, что вызывает изменение сил, и, как следствие, формообразующей траектории, отсюда следует вывод о необходимости внесения соответствующих коррекций в управляющие программы.
P Анализом этих уравнений подтвержден вывод о существовании (Ф) X естественных аттракторов формообразующих движений при продольном точении. Установлены технологические ограничения на возможность Рисунок 3. Схема формирования площади срезаемого слоя управления точностью поперечного сечения детали только путем варьирования продольной подачи, т.е. традиционным адаптивным Силы, действующие по задней поверхности инструмента, обусловлены методом, и определены пути реализации многокоординатного управления упругим восстановлением металла после отделения стружки и зависят от для обеспечения заданной точности обработки.
геометрии инструмента и режимов обработки (см. рис.4).
17 Третья глава посвящена разработке методических основ начальной в конечную точку координата его вершины X ( X3 ) + x( X ) для проектирования техпроцессов и управляющих программ, всех X принадлежала множеству допустимых вариаций. Для этого обеспечивающих предельно достижимую точность и оптимальных по система была дополнена уравнениями упругих деформаций инструмента.
критерию приведенных затрат.
Разработанный алгоритм определения требуемого управления включает Предложены структура и алгоритм функционирования адаптивной нахождение множества допустимых режимов обработки системы векторного управления траекторией инструмента в реальном { SP( X ),tP( X ),VP( X )}T TПР., обеспечивающих заданное качество 3 3 масштабе времени. Полученные результаты распространены на ТС, в детали; решение системы дифференциальных уравнений динамики для которых циклические изменения режимов обусловлены схемой отыскания траекторий 2( X2 ), 3( X2 ), 4( X2 ), в свою очередь обработки (например, сверление глубоких отверстий малого диаметра спиральными свёрлами). обеспечивающих требуемые техническими условиями параметры ( ( На примере процесса продольного точения решен ряд проблем, точности r( X3i ) )r0 r и x3i ) x3,0 ; и, наконец, подстановку 3( t ) и имеющих фундаментальное значение для создания нового метода 4( t ) в систему (7), откуда определяются функции управления проектирования технологических процессов и УП для станков с ЧПУ:
( 3 ) ( 4 ) шпинделем и продольной подачей {U (t ),U (t )}. Разработанный алгоритм - определены условия устойчивости траекторий исполнительных элементов вычисления траекторий формообразующих движений автоматически и соответствующих траекторий формообразующих движений;
компенсирует влияние припуска на точность детали, учитывая - определены многообразия траекторий исполнительных элементов, динамические погрешности приводов исполнительных перемещений и обеспечивающих требуемые показатели точности изделий;
упругие деформации инструмента. Эти результаты раскрывают не - разработан метод выбора на полученном многообразии оптимальной изученные ранее факторы динамики ТС с ЧПУ, влияющие на траектории, т.е. технологического процесса обработки.
формирование погрешности деталей, давая возможность реализации Для полученной системы уравнений динамики приводов вращения новой методологии проектирования техпроцессов, УП и шпинделя и поперечных перемещений суппорта совершенствования станков с ЧПУ.
d 3 ( (3) ( (3) dПолученные результаты были обобщены на ТП обработки деталей с (3) ( TЭМ ТЭ3) = (ce3))-1U (t) - (ce3) )-1U3 (t) - TЭМ -3 криволинейной образующей путем порождаемого формой этой dt dt образующей ортогонального преобразования матриц жесткости 3 d3 3 d(3 (3 ( (7) - М) -М)TЭ3)[ - ];
инструмента и детали. В связи с тем, что силы резания и связанные с 4 4 dt (4)2 dt ними упругие деформации меняются с изменением припуска и физико ( ( ( (4) T (4)ТЭ4) d 4 = (ce4) )-1U (4) (t) - (ce4) )-1U4 (t) -TЭМ d4 механических свойств обрабатываемого материала, по мере развития -4 ЭМ dt dt2 износа инструмента, в связи с реакцией привода вращения шпинделя на изменения сил и пр., и априорный учёт всех указанные выше факторов (4) -М 3 (4)TЭ4)[ 1 d3 3 d4 ], -М ( невозможен, предложена и реализована в производственных условиях 4 4 dt dt (4) схема адаптивного векторного управления с обратной связью (см. рис.5), ( i ( ( где U( 3 ),U( 4 ) - вектор управления (В); TЭМ) = Ji Ri (ce i )c( i )), TЭi ) = Li Ri, M автоматически обеспечивающая стабилизацию упругих деформаций, i=3,4 - электромеханическая и электрическая постоянные времени снижая до 10 раз погрешность динамической настройки.
двигателей привода вращения шпинделя и продольной подачи; Условием устойчивой работы предложенной системы является ее ( движение по многообразию траекторий, определяемому соотношением Ui(t ) = Ri [Mi(t )+ TЭi ) dMi(t ) dt] c( i ), i=3,4 - составляющая момента M сопротивления, не связанная с процессом резания, приведённая к t( MN )( X 3 )[V2( X3 )sinMN( X 3 )+V3( X3 )cosMN( X3 )] 4( X 3 ) = const;
P (8) электрической характеристике двигателя; была решена задача определения V2( X )cosMN( X ) = V3( X3 )sinMN( X ), 3 3 такого вектора управления, чтобы при движении инструмента из 19 где MN - текущее значение угла между осью шпинделя и направлением - формулировка задачи оптимизации ТП включала понятие оптимальных касательной к образующей обрабатываемой поверхности. координат переключения циклов обработки, в которых необходимо заменять режущие инструменты или производить их переналадку.
OO Поставленная задача была сведена к минимизации функционала ( f ) 1 p( i )( X,VP ) J( i ) = 1 ( f ) +2 ( f ) i ) 3, (9) ( f ) V3 VP( X ) X3 [ p( ] ( X,VP ) 3 +UПривод где параметры 1 и 2 являются соответственно коэффициентами Датчик продольных силы перемещений стоимости станко-минуты и переналадки ТС из-за достижения ее i-го + U3 параметра предельного значения, обусловленного эволюционными Vпреобразованиями (износа инструмента). Оптимизация функционала (9) Привод выполнялась в пространстве состояния на основе дискретизации поперечных перемещений пространственных смещений инструмента и последующего применения F метода динамического программирования Айзекса-Беллмана с + F+ U использованием полученных экспериментально зависимостей износа от (,3 ) k + U- F скорости по пути резания.
На основе полученного решения оптимизационной задачи была разработана методика проектирования техпроцессов и УП для класса ТС с циклическим изменением режимов, обусловленным схемой обработки.
УЧПУ Частным случаем является ТП сверления глубоких отверстий малого диаметра спиральными свёрлами с периодическим выводом инструмента Рисунок 5. Структурная схема системы стабилизации сил резания путём векторного управления приводами продольных и поперечных перемещений из зоны резания для удаления стружки, охлаждения и улучшения доступа суппорта СОЖ в зону обработки. Для таких ТС определены координаты переключения циклов обработки, минимизирующие функционал Для исключения в процессе резания погрешностей выполнения приведённых затрат заданного размера, вызванных деформацией заготовки, необходимо li выполнить условие постоянства суммарного смещения вершины N i=s С0,y 1k + Vi(l) +2 Пi ) (10) инструмента и отжима детали в зоне обработки t t( = i dl i=1 L min i= li -1 x2 + y2 = x2,y2 = const, (9) где k- размер партии деталей; s- количество переналадок инструмента; N - которое обеспечивается подбором технологических режимов.
количество выводов инструмента из зоны резания при обработке одной При разработке метода выбора оптимальной траектории из отверстия в течение времени ti ; t( i ) - время замены инструмента;
многообразия базировались на следующих положениях:
П - ограничения на технологические режимы определялись i=N L = - общий путь резания.
l i конструктивными особенностями приводов и несущей системы станка;
i=- в качестве ограничивающего критерия принимался не предельный износ В работе показано, что оптимальным координатам переключения инструмента, а достигающие критических значений изменения соответствуют равные между собой минимальные значения скорости динамической характеристики процесса резания (т.е. таких их значений, резания. На этой основе и полученной экспериментально информации о при которых заданные показатели точности обработки еще зависимости оптимальной скорости от пути резания предложен принципиально достижимы варьированием траекторий исполнительных эффективный алгоритм вычисления координат переключения, при элементов станка);
21 которых достигается минимальное значение критерия приведённых В работе существенно использован тот факт, что на затрат на изготовление партии изделий. эволюционирующие параметры ТС оказывают влияние не только Полученные результаты использованы для разработки технологии и текущие значения работы и мощности процесса формообразования, но и построения систем управления специализированными сверлильными их предыстория. Поэтому для моделирования эволюционных изменений головками, снабжёнными управляемыми приводами перемещения ТС использован аппарат интегральных операторов и разработана пиноли и частоты вращения шпинделя. Закон изменения скорости подачи методика идентификации ядер этих операторов.
и частоты вращения шпинделя по координатам перемещения пиноли Основываясь на том, что общая работа сил контактного определялся по критерию минимизации машинного времени при взаимодействия при резании складывается из работы медленно ограничениях на предельно допустимые значения крутящего момента с изменяющихся по пути тангенциальных сил, а также работы циклических учётом накопления стружки в канавках сверла, и режимах, составляющих сил резания в нормальном и тангенциальном обеспечивающих заданные значения увода оси отверстия. Разработанные направлениях для быстрых движений, предложена модель, алгоритмы и программно-аппаратные средства оптимального управления позволяющая на основе измеряемых колебаний и сил определять работу технологическими циклами позволили расширить технологические и мощность необратимых преобразований при резании. Построенная возможности оборудования, повысить точность обработки, стабильность модель (11), вводя агрегированные координаты (i) "ранжирует" работу по ТП и автоматизировать систему ТПП для станков с ЧПУ. частотным диапазонам, позволяя сопоставить каждому физическому механизму производства этой работы свой частотный диапазон, а также - В четвертой главе обоснованы методы прогноза и синергетического идентифицировать мощность каждого такого механизма путем управления эволюционными процессами при обработке деталей в связи с экспериментального наблюдения сигнала виброакустической эмиссии.
разработкой ТП и УП для оборудования с ЧПУ.
Ai К эволюционным преобразованиям в ТС обработки резанием ( i ) ( i ) ( i ) ( Ai ) = iN ( Ai ) + ai i [ Ai, ] N ( )d (11) w относятся износ инструмента, накопление микродефектов, отклонение размеров и микрорельефа поверхности. Эволюционные изменения Здесь wi - идентифицируемые ядра интегральных операторов, с параметров качества изделия, в частности, размера, являются результатом помощью которых моделируется влияние предыстории мощности на эволюционных изменений динамической характеристики процесса интенсивность эволюционных преобразований, в частности, износа;
резания, и уже механизм этих изменений влияет на характеристики - Ai - текущее значение работы i - й частотной составляющей сил качества. Экспериментально установлено и подтверждено работами диссипации;
других авторов, что развитие износа как одного из параметров - N(i)(Ai) - значение i - й частотной составляющей мощности;
эволюционных преобразований приводит к изменениям координат - ai [с/(кг3м2)], i [с/(кг2м)] - параметры модели, подлежащие состояния процесса резания: сил резания, мощности двигателей привода идентификации по результатам эксперимента.
формообразующих движений, сигнала виброакустической эмиссии, В работе предложена методика идентификации ядер интегральных температуры, электрической и электромагнитной эмиссии и пр. Этот факт, операторов в (11) на основе построения авторегрессионных моделей во-первых, сделал возможным учет эволюционных процессов в уравнениях виброакустического сигнала, снимаемого при резании. Доказана динамики ТС, тем самым, обеспечив гарантированное достижение возможность прогнозирования эволюции износа на основе скользящей заданной точности обработки за счет введения соответствующей линеаризации, тем самым, подтверждена адекватность разработанных коррекции УП, и, во-вторых, позволил разработать средства моделей и возможность идентификации их параметров по данным диагностирования износа, оценивания параметров микрорельефа промышленного эксперимента.
обрабатываемой поверхности и показателей геометрической точности на Для выработки метода коррекции программ ЧПУ в связи с развитием основе мониторинга виброакустической эмиссии, что создало предпосылку износа в работе предложен алгоритм предсказания его значения на совершенствования технологических процессов и создания нового момент времени t+t после текущего момента t. Алгоритм предполагает, поколения адаптивных станочных систем.
23 что в ходе обработки имеется возможность наблюдать за координатами В пятой главе представлена общая методология проектирования состояния ТС. В основе алгоритма лежит связь износа с работой и техпроцессов и УП для станков с ЧПУ, основанная на синергетической мощностью сил резания и представление коэффициентов i в формуле (5) теории управления станочным оборудованием, развитой в предыдущих для нормальной (i=1) и тангенциальной (i=2) составляющих сил резания в главах. Положения разработанной методологии иллюстрируются виде интегрального оператора, описывающего эволюцию параметров ТС примерами ее использования в технологии точения и растачивания t t В общей постановке приводится основанная на синергетической ( ( ( i( t ) = 1i ) w1i )(t - )N1( )d + 2i ) i )(t - )N2( )d, i =1,2 (12) w( теории управления процедура проектирования ТП и УП для станков с 0 ЧПУ. Разработанная методика включает в себя три составных элемента, где N1(t ) = F1(t )V (t ), N2(t ) = F2(t )V(t ) - функции мощности сил резания;
реализованных в виде алгоритмов и программных средств:
( ( w1i )(t - ), w( i )(t - ) - ядра интегральных операторов; 1i ), ( i ) - 2 - с использованием информации о желаемых траекториях коэффициенты интенсивности износа.
формообразующих движений станка, параметрах заготовки, инструмента Использование полученных выражений в формуле (5) и далее в и уравнений динамики ТС, учитывающих связь систем управления, уравнениях динамики ТС, которые теперь учитывают эволюцию механической части станка и процесса обработки, определение процесса обработки, дало возможность не только прогнозировать оптимальной траектории исполнительных элементов и соответствующего механизмы изменения показателей качества, но и корректировать этой траектории вектора управления;
управления в (7) для предотвращения выхода ТП на неустойчивый режим - оценка устойчивости полученного решения для медленных и и катастрофического изнашивания инструмента (см. рис.6).
быстрых движений;
Представленная выше методика выбора оптимальной траектории по - проверка ограничений на допустимые параметрами оборудования критерию приведенных затрат сохраняет свою силу и при учете технологические режимы и частотные свойства системы управления.
эволюционности процесса обработки.
Разработанная в соответствии с алгоритмом (см. рис.7) УП ЧПУ (вектор управления) подстраивает траекторию и выполняет для быстрых движений роль управляющих параметров, реализуя, когерентное (согласованное) управление, не противоречащее динамическим свойствам станка и процесса резания. Диссипативные свойства процесса резания и всех подсистем ТС приводят к естественному свойству траекторий притягиваться к траекториям формообразующих движений, обеспечивающих требуемое геометрическое качество - точность обработки изделий.
В разделе представлены предназначенные для использования при разработке техпроцессов диаграммы допустимых технологических Рисунок 6. Эволюционные диаграммы изменения диаметра детали (1) и упругих деформаций инструмента в направлении скорости резания (2) в режимов ряда многокоординатных станков (см. рис.8), а также элементы процессе обработки точением (tкр - момент выхода процесса на режим предложенного алгоритма, включая те, чье содержание лежит вне рамок катастрофического износа инструмента) диссертационного исследования. Это касается метода конечных а - ТС с большими значениями жесткостей и диссипации характеризуется элементов для расчета матриц жесткости и диссипации подвески монотонным ускоренным ростом деформации инструмента на этапе ;
инструмента и заготовки в точках ее контакта с инструментом, методов б - неустойчивость, возникающая в ТС с меньшими значениями жесткости и анализа областей асимптотической устойчивости точек равновесия для диссипации на стадии катастрофического износа, приводит к нерегулярным медленных и быстрых движений ТС.
колебаниям выполняемого размера 25 Рисунок 8. Номограмма допустимых вариаций технологических режимов, обеспечивающих достижимые показатели шероховатости, полученные для станка DMU-125 P/T фирмы DECKEL MAHO при обработке сплава МЛ-В шестой главе приведены сведения по реализации результатов работы в техпроцессах обработки на станках с ЧПУ при изготовлении деталей на станках токарной группы, при растачивании на многофункциональных станках, фрезеровании и обработке глубоких отверстий малого диаметра спиральными свёрлами.
В соответствии с разработанными общим подходом к проектированию техпроцессов и алгоритмами построения УП для различных операций обработки с ЧПУ созданы специальные програмные средства, оснащающие микропроцессоры станков для реализации механизмов синергетического управления. На основе идеально точной траектории ( dX d,X3 ), построенной, исходя из геометрического образа детали, строится траектория ( w( ),dw d,X3( )), которая искажает этот образ, затем производится её отображение в пространство перемещений рабочих органов станка Х и, наконец, из пространства Х - в пространство управлений U, формируя модифицированный текст УП. В частности, для процессов точения и растачивания строится последовательность координат траектории обработки {X }N = {X (T),X (2T ), X (iT)X (NT )} и 3 3 3 3 вычисляется значение упругой деформации инструмента Y3 и заготовки Рисунок 7. Упрощенная структурная схема разработки технологических Z3 на i - ом шаге, если деформации Y3[(i -1)T], Z3[(i -1)T] и скорость процессов и управляющих программ для многокоординатного оборудования с V3[(i -1)T] известны на (i-1) -м шаге. Значение скорости подачи на i - ом ЧПУ с использованием синергетической концепции управления обороте заготовки, которая обеспечивает постоянство упругих деформаций инструмента и заготовки 27 Y3(( i -1)T ) + Z3(( i -1)T ) обеспечивают минимум приведенных затрат. Сравнительные испытания V3(iT ) = kПР, (13) и опыт внедрения созданных станков и управляемых силовых T сверлильных головок, реализующих синергетическую концепцию где kПР - коэффициент преобразования скорости подачи, зависящий от оптимального управления с помощью встроенных микропроцессоров, изменения матриц жёсткости подсистем инструмента и заготовки, показали, что без изменения геометрии и параметров инструмента, СОЖ величины припуска, вычисляемый согласно алгоритму, данному в работе.
и условий обработки производительность ТП увеличивается в два - три Эксперименты, выполненные на деталях трансмиссии из раза, при увеличении в 5-7 раз вероятности обработки без поломок высокопрочной стали 40ХН2МА, показали, что при одинаковой подаче инструмента.
0,18 мм/об использование предложенных алгоритмов построения ТП и Разработаны рекомендации по проектированию технологических УП уменьшает разброс диаметров с 0,018 мм до 0,008 мм, т.е. в 2,5 раза.
процессов и УП для большой группы типовых деталей авиационных При разработке технологических процессов растачивания большой конструкций, обеспечивающие качество поверхностного слоя, приведены группы корпусных деталей, фитингов из деформируемых и литейных номограммы для определения рациональных технологических режимов, алюминиевых сплавов предложены и апробированы три направления обеспечивающих достижение высоких показателей точности линейных обеспечения заданной точности и параметров поверхностного слоя:
размеров, снижения волнистости при обработке на станках с ЧПУ, - регуляризация распределения матриц жёсткости (введение используемых в авиационной и космической промышленности.
конструктивных изменений детали или оснастки, обеспечивающего Разработанная система технологической подготовки производства может постоянство жесткости ТС вдоль траектории обработки);
быть использована, в частности, для проектирования операций - создание управляемого напряжённо-деформированного состояния выполняемых с использованием нетрадиционных видов обработки заготовки;
(электрические, лучевые, комбинированные методы формообразования).
- векторное управление режимами (одновременно подача и скорость резания) для компенсации нерегулярности матриц жесткости с учетом Заключение эволюционных изменений системы резания и разнообрабатываемости (неравномерный припуск, отбел на поверхности и т.п.), диагностируемых Разработаны новая методология технологической подготовки с помощью сигналов виброакустической эмиссии схемой адаптивного производства и технология проектирования УП высокоэффективной управления подач.
многокоординатной обработки с адаптивной системой векторного Представленные в тексте диссертации типовые примеры подтвердили управления автоматизированным оборудованием, основанная на механизм формирования упругих деформаций и преобразования синергетическом описании закономерностей преобразования траекторий управляемых траекторий движения фрезы в функцию профиля при исполнительных элементов ТС в траектории движения инструмента фрезеровании поверхностей, ширина которых существенно превышает относительно заготовки с учетом внутренних связей между всеми диаметр инструмента. Промышленная реализация этого процесса подсистемами ТС, что позволило интенсифицировать технологический выполнялась путем введения ограничений на технологические режимы процесс, повысить точность, качество, эксплуатационные характеристики при построении инвариантного многообразия траекторий. Выработанные изделий, обеспечить повышенные требования к деталям ограниченной на этой основе и проверенные производственным опытом рекомендации жесткости, в частности, авиационной и космической техники, разработать по разработке ТП представлены в работе.
требования к модернизации парка существующих станков и созданию Разработанный алгоритм управления ТП сверления глубоких перспективного оборудования с ЧПУ.
отверстий малого диаметра спиральными сверлами позволил оптимизировать траектории исполнительных элементов силовой головки, Общие выводы которые выбираются таким образом, чтобы силы резания не превышали 1. Сформулирована синергетическая концепция векторного их предельно допустимых значений, упругие деформации сверла не управления технологическими процессами обработки на станках, приводили к его уводу, и из всех траекторий выбраны такие, которые заключающаяся в рассмотрении единой системы обработки, включающей 29 координаты пространства управлений, исполнительных элементов станка медленные смещения точки равновесия динамической системы и инструмента различной жесткости, формообразующих движений резания, и быстрые движения инструмента относительно заготовки.
инструмента относительно заготовки и выходные характеристики Рассмотрено два иерархических уровня подсистем замедленных качества изготовления деталей, а также интегро-дифференциальные движений исполнительных элементов станка, задающих малые скорости уравнения динамики, описывающие взаимосвязь между этими смещения точки равновесия динамической системы резания, в вариациях, подсистемами. Показаны пути её реализации на основе проектирования относительно которых рассматриваются ускоренные движения инвариантного многообразия асимптотически устойчивых траекторий инструмента относительно заготовки. Такая композиция позволила формообразующих движений инструмента относительно заготовки, преодолеть чрезмерное увеличение степеней свободы известных систем обеспечивающих требуемые показатели геометрического качества векторного управления, определить закономерности формирования изделий и соответствующих им траекторий движения исполнительных траекторий формообразующих движений и решить проблему управления элементов станка и вектора управления. Принципиальное отличие траекториями формообразующих движений широкого спектрального развитого подхода от принятого в мировой инженерной практике состоит состава, лежащего за пределами полосы пропускания управляемых в построении технологического процесса и программы ЧПУ не по приводов станка.
геометрическому образу детали, а по проектируемому инвариантному 4. Разработаны адекватные модели преобразования траекторий многообразию траекторий, обеспечивающему заданные показатели исполнительных элементов станка в траектории формообразующих точности, качества поверхности и минимальные приведенные затраты. движений для широкого круга ТП обработки изделий современного 2. Разработаны математические модели преобразования вектора машиностроения. Для инженерного применения при разработке ТП и УП управления в вектор перемещений исполнительных элементов станка и в приведены аппроксимации построенных моделей. Наибольший вклад в формообразующие движения инструмента относительно заготовки (с увеличение точности обработки, особенно нежестких деталей, дает учетом внешних и внутренних факторов), а также в вектор использование разработанных моделей и алгоритмов преобразования геометрического качества и состояния процесса резания, отличающиеся траекторий при проектировании переходных процессов перемещения от известных тем, что впервые преобразование траекторий выполняется в исполнительных элементов станка (врезание, изменение направлений реальном масштабе времени через единую управляющую систему, движений, припуска) за счет учета динамических характеристик процесса учитывающую дополнительные связи, формируемые подсистемами, в резания, характеристик матриц жёсткости подсистем инструмента и том числе, процессом резания. Модели представлены в виде системы заготовки, кинематики движения инструмента относительно заготовки.
интегро-дифференциальных уравнений динамики и управления ТС, что 5. Выявлено и установлено оптимальное соотношение дает возможность реализовать ТС как систему векторного управления, в самостоятельных процессов в зоне резания и формообразующих которой автономные системы управления отдельными исполнительными движений инструмента относительно заготовки при различных видах элементами станка становятся системами связанного управления за счёт обработки.
реакции со стороны процесса резания. Предлагаемые метод и средства На основе изучения методами анализа функций когерентности адаптивного векторного управления позволяют эффективно колебаний по функции профиля детали и авторегрессионного автоматизировать разработку технологических процессов и УП, спектрального анализа соотношения самостоятельных процессов в зоне сформировать требования к создаваемому оборудованию и к резания и колебаний инструмента относительно заготовки в направлении, модернизации имеющегося станочного парка с системами ЧПУ. нормальном к оси вращения шпинделя, при точении и растачивании 3. Реализован принцип проектирования систем управления ТП в определен граничный частотный диапазон, в котором требуемая точность реальном времени, основанный на использовании иерархии систем геометрии детали обеспечивается формообразующими движениями дифференциальных уравнений, описывающих механизм инструмента (от 300-500 Гц до 0,8-1,2 кГц), а также соответствующие формообразования. Рассмотрено два иерархических уровня: подсистема скорости, глубины резания и величины подач для группы авиационных медленных движений исполнительных элементов станка, задающих материалов.
31 В результате анализа преобразования формообразующих движений в Разработанные материалы включают в себя новые принципы геометрию формируемой поверхности при попутном фрезеровании построения ТП и УП для станков класса CNC, а также требования к боковыми режущими лезвиями разработаны технологические модернизации и созданию специализированного оборудования, в рекомендации по созданию УП для типовых схем обработки. частности, управляемого от ЭВМ. Это силовые сверлильные головки для 6. Как важнейший элемент разработанного метода проектирования сверления глубоких отверстий малого диаметра, в основу автоматизированного ТП создана методика определения оптимальных функционирования которых положены разработанные синергетические траекторий на инвариантных многообразиях, главным образом, принципы. Главное прикладное значение работы определяется тем, что оптимизации скорости резания по пути. В основу новой методологии предложенные методы позволяют повысить эффективность проектирования ТП положено то, что оптимальной является не использования и загрузку имеющегося на предприятиях оборудования с координата (например, скорость резания), а траектория скорости по пути, ЧПУ, обосновать пути его модернизации и разработки отечественных что позволяет обеспечить принцип биоптимальности, то есть установить станков нового поколения, сформировать концепцию реструктуризации минимум приведённых затрат на изготовление партии деталей при оборонной отрасли с учетом мирового уровня в машиностроении.
одновременном обеспечении требуемого качества. Развитый подход позволил сформулировать рациональные условия оптимальности ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В переключения (переналадки) циклов обработки. Предложенная методика СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
подтверждена на примерах точения, растачивания, фрезерования и при МОНОГРАФИИ сверлении глубоких отверстий малого диаметра.
1. Флек М.Б. Технологичность и технология механической обработки 7. Обоснован принцип создания УП, учитывающий эволюционные деталей вертолетов на станках с ЧПУ // Ростов н/Д: Терра, 2004. - 224 с.
преобразования в ТС механической обработки, основанный на 2. Флек М.Б. Управление формообразующими траекториями на станках представлении эволюционных параметров системы в форме с ЧПУ. Теория и практика // Ростов н/Д: ДГТУ, 2005. - 160 с.
интегральных операторов, описывающих траектории мощности 3. Флек М.Б. Разработка технологических процессов изготовления необратимых преобразований по совершённой работе. Моделирование деталей летательных аппаратов/ М.Б. Флек, С.Н. Шевцов, С.Б. Родригес и эволюционных преобразований на примерах развития износа др.// Ростов н/Д: ДГТУ, 2005. - 179 с.
инструмента и изменения параметров геометрической точности при 4. Заковоротный В.Л. Динамика процесса резания. Синергетический точении использовано при разработке ТП и УП. Представлены подход / В.Л. Заковоротный, М.Б. Флек// Ростов н/Д: Терра, 2006. - 876 с.
алгоритмы идентификации ядер интегральных операторов, знание 5. Флек М.Б. Построение траекторий формообразующих движений при которых дает возможность достижения заданной точности обработки обработке на станках с ЧПУ // Ростов н/Д: ДГТУ, 2006. - 184 с.
путем введения соответствующей коррекции УП, и создает основу для СТАТЬИ В ЖУРНАЛАХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК РОССИИ разработки нового поколения адаптивных станочных систем, включающих средства диагностирования износа, оценивания параметров 6. Флек М.Б. Моделирование эволюционных процессов при резании микрорельефа обрабатываемой поверхности и показателей точности на интегральными операторами / М.Б Флек, В.Л. Заковоротный, А.Д. Лукьянов, основе мониторинга виброакустической эмиссии.
Волошин Д.А.// СТИН, 2000, № 3, - С.32-8. Эффективность разработанных принципов и алгоритмов 7. Заковоротный В.Л. Определение оптимальных траекторий синергетического векторного управления подтверждена на примерах ТП формообразующих движений при обработке резанием / В.Л. Заковоротный, точения, растачивания, попутного фрезерования концевыми фрезами и М.Б. Флек и др.// Вестник Донского государственного технического университета, Ростов н/Д: ДГТУ, 2001, Т.1, №3(9) - С.86-109.
сверления глубоких отверстий малого диаметра спиральными свёрлами.
8. Флек М.Б. Моделирование развития износа инструмента в виде При этом выполнен комплекс мероприятий по широкому внедрению интегрального оператора// Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион., Техн. науки, синергетической концепции управления для указанных технологических 2003, № 5, - С.75-86.
процессов на предприятиях машиностроения.
33 9. Заковоротный В.Л. Оптимизация вспомогательных перемещений Интенсификация и контроль технологических процессов в пиноли силовой головки для сверления глубоких отверстий малого диаметра сельхозмашиностроении: Сб.ст., Ростов н/Д: ДГТУ, 1975 - С.109-120.
по критерию максимальной производительности / В.Л. Заковоротный, П.Н. 20. Земсков Г.Г. Автоматическое обеспечение точности обработки на Потапенко, М.Б. Флек // Вестник Дон. гос. техн. ун-та., Ростов н/Д: ДГТУ, основе ее прогнозирования / Г.Г.Земсков, М.Б.Флек, Д.Я.Озадовский // 2003, Т.3, №1(15) - С.8 - 23. Механизация и автоматизация производства, №3, 1977. - С.46-49.
10. Флек М.Б. Математическое моделирование предсказания 21. Земсков Г.Г. Автоматическая двухсуппортная токарная обработка с эволюционных преобразований процесса резания/ Изв. вузов. Сев. - Кавк. использованием ЧПУ / Г.Г.Земсков, М.Б.Флек // Механизация и регион., Техн. науки, 2003, № 5 - С.87-93. автоматизация производства, №10, 1978. - С.5-7.
11. Флек М.Б. Определение оптимальных аттракторов 22. Земсков Г.Г. Основные направления оптимизации процесса формообразующих движений при обработке отверстий малого диаметра // обработки на станках с ЧПУ / Г.Г.Земсков, М.Б.Флек // Механизация и Авиакосмическое приборостроение, 2004, № 2 - С.14-23. автоматизация производства, №10, 1980. - С.6-8.
12. Филиппов А.А. Изготовление сборочной оснастки с поверхностью 23. Земсков Г.Г. Прогнозирование точности обработки на токарных двойной кривизны/ А.А. Филиппов, М.Б. Флек и др.//Сборка в станках с ЧПУ/ Г.Г.Земсков, М.Б.Флек // Механизация и автоматизация машиностроении, приборостроении, 2004, №11 - С.29-31. производства, №6, 1982. - С.28-31.
13. Заковоротный В.Л. Моделирование процесса изнашивания 24. Долгов В.В. Пути управления траекториями формообразующих инструмента с помощью интегральных операторов / В.Л. Заковоротный, М.Б. движений / В.В. Долгов, М.Б. Флек, В.Л. Заковоротный, и др.// Флек, А.Д. Лукьянов, Д.А. Волошин // СТИН, 2004, № 3. - С.9 - 14. Проектирование технологических машин, Сб. науч. тр., М: МГТУ 14. Заковоротный В.Л. Преобразование исполнительных движений Станкин, 1996 - С.69-74.
элементов станка в траектории формообразующих движений вершины 25. Флек М.Б. Регуляризация матриц динамической жесткости// инструмента относительно заготовки / В.Л. Заковоротный, К.Б. Мартиросов, Проектирование технологических машин: Сб. науч. тр. /МГТУ Станкин, М. Б. Флек// Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион., Техн. науки, 2005, № 2. - С. 69- М.,1996, Вып.2.-С.14-74. 26. Флек М.Б. Определение инвариантного многообразия траекторий 15. Заковоротный В.Л. Определение оптимальных аттракторов формообразующих движений /М.Б. Флек, В.Л. Заковоротный // формообразующих движений при обработке глубоких отверстий малого Проектирование технологических машин: Сб. науч. тр., М: МГТУ диаметра / В. Л. Заковоротный, Е. Ю. Панов, М.Б Флек и др.// СТИН, 2006, Станкин,1997, Вып.4.-С.22-№ 1. - C. 2-7. 27. Флек М.Б. Учет эволюционных преобразований при управлении 16. Заковоротный В.Л. Определение оптимальных аттракторов формообразующими движениями// Проектирование технологических машин:
формообразующих движений при обработке глубоких отверстий малого Сб. науч. тр., М: МГТУ Станкин,1998, Вып.9. - С.34-диаметра / В.Л.Заковоротный, Е.Ю. Панов, М.Б. Флек и др.// СТИН, 2006, № 28. Флек М.Б. Моделирование эволюционных процессов при резании 2. - C. 2-5. интегральными операторами// М.Б. Флек, В.Л. Заковоротный, А.Д. Лукьянов, 17. Флек М. Б. Синергетическая концепция построения программ ЧПУ И.А. Мялов // Конструкторско - технологическая информатика - 2000, Тр. V при изготовлении деталей сложной геометрической формы. //СТИН, №9, Междунар. конгр./ МГТУ Станкин.-М., 2000.-Т.1.-С.200-22007 - С.12-31 29. Заковоротный В.Л. Моделирование эволюционных процессов при механической обработке интегральными операторами / В.Л. Заковоротный, ПУБЛИКАЦИИ В НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ И СБОРНИКАХ ТРУДОВ М.Б. Флек и др.// Вестник ДГТУ, Сер. Проблемы производства машин., 18. Земсков Г.Г. Некоторые проблемы обработки конструктивных Ростов н/Д: ДГТУ, 2000 - С.58.
элементов деталей на токарных станках с программным управлением / Сев.- 30. Бегун В.Г. О экспериментальном подтверждении Кавк. ЦНТИ / Г.Г. Земсков, М.Б. Флек // Ростов н/Д, 1973, Информ-листок № самоорганизационных явлений при фрезеровании / В.Г. Бегун, М.Б. Флек и 661, 4 с. др.// Нелинейная динамика и прикладная синергетика, Материалы междунар.
19. Земсков Г.Г. К вопросу учёта нелинейностей при расчёте точности науч. конф., Комс.-на-Амуре: Гос. техн. ун-т., 2003 - С.58-62.
обработки деталей на токарных станках с ЧПУ / Г.Г. Земсков, М.Б. Флек // 35 31. Флек М.Б. Типовая технология изготовления панелей приборных досок вертолетов и светопроводов на станках с ЧПУ / М.Б. Флек и др.// Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий: Материалы Рос. науч. - техн. конф., Рыбинск:
РГАТА, 2003 - С.231-233.
32. Волошин Д.А. Методика моделирования упругих деформаций цилиндрических концевых фрез в процессе фрезерования / Д. А. Волошин, М.Б. Флек и др.// Исследования станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей, Межвуз. науч. сб., Саратов: Гос. техн. ун-т., 2003 - С.39 - 52.
33. Заковоротный В.Л. К вопросу об эволюционном моделировании процесса изнашивания режущего инструмента / В.Л. Заковоротный, М.Б.
Флек, Д.А. Волошин, А.Д. Лукьянов// Современные проблемы информатизации в технике и технологиях, Сб. тр., Воронеж: ВГТУ, 2004, Вып.9 - С.151 - 152.
34. Заковоротный В.Л. Закономерности преобразования исполнительных движений станков в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки / В. Л. Заковоротный, М. Б. Флек, К. Б. Мартиросов// Динамика технологических систем: Сб. тр. VII Междунар. науч. - техн.
конф., Саратов: Гос. техн. ун -т., 2004 - С.131 - 135.
35. Заковоротный В.Л. Моделирование эволюционных преобразований с помощью уравнений Вольтерра второго рода / В.Л. Заковоротный, Д.А.
Волошин, М.Б. Флек, А. Д. Лукьянов // Динамика технологических систем, Сб. тр. VII Междунар. науч.- техн. конф., Саратов: Гос. техн. ун -т., 2004- С.126 - 130.
36. Флек М.Б. Конструкторская проработка модернизаций агрегатов летательного аппарата с помощью эволюционных алгоритмов / М.Б. Флек, С.Н. Шевцов // Военная техника, вооружение и технологии двойного применения; Материалы III Междунар. технолог. конгр., Омск: ОГУ, 2005, Ч.I. - С. 82-83.
37. Флек М. Б. Синергетическая концепция построения программ ЧПУ при изготовлении деталей сложной геометрической формы // Труды VIII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, Ростов н/Д: ДГТУ, 2007, Т. I. - С. 215-219.