Нечітка система комбінованого управління технологічним процесом накочування профілів різей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.771.2-52, 621.778.8:621.88-52

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

НЕЧІТКА СИСТЕМА КОМБІНОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ НАКОЧУВАННЯ ПРОФІЛІВ РІЗЕЙ

Спеціальність 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

Алексеєв Ігор Анатолійович

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електроніки та автоматики Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор Бойко Віталій Іванович,

Дніпродзержинський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електроніки та автоматики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ткачов Віктор Васильович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерних систем;

кандидат технічних наук, доцент Єгоров Олександр Петрович, Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри автоматизації виробничих процесів.

Провідна установа:

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра системного аналізу та управління.

Захист відбудеться „_12_” __травня__ 2005 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

формоутворення нечіткий накочування профіль

Актуальність теми. Важливою задачею розвитку промисловості України є впровадження заходів щодо істотного зменшення відходів та витрат металопродукції. Окрім того, вдосконалення техніки та технологій у машинобудівній та металообробній промисловості, яке супроводжується інтенсивною експлуатацією обладнання, потребують застосування принципово нових виробів кріплення. Вони дозволяють отримувати високоефективні, зміцнені та довговічні з'єднання, але одночасно з цим потребують виконання підвищених вимог до точності та механічних властивостей їх профілів.

Ефективний внесок в розвиток прогресивних ресурсозберігаючих технологій може внести широке застосування поперечно-профільної накатки (ППН). Процес у 5-10 разів збільшує продуктивність праці, підвищує коефіцієнт використання металу у порівнянні з різанням на токарних автоматах. Зміцнення зовнішніх шарів накатаних профілів різі сприяє підвищенню їх втомленої міцності та зносостійкості на 20-40 відсотків. Чистота поверхні накатаних профілів відповідає 8-10 квалітету.

Впровадження процесів профільної накатки стримується незначним обсягом випуску відповідного обладнання, недостатнім використанням його резервів і моральним зносом, низьким рівнем автоматизації процесу.

У вказаних умовах стало необхідним вирішення актуальної наукової задачі, а саме створення автоматизованих систем контролю та керування процесом формоутворення на існуючому профіленакатному обладнанні, які дозволять привести якісні характеристики профілів до рівня вимог європейських та світових стандартів (ISO,DIN).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення і результати роботи використані у держбюджетних НДР кафедри “Електроніки та автоматики” Дніпродзержинського державного технічного університету, що виконувались у відповідності до координаційних планів „Основи автоматичного управління точною прокаткою ступінчастих деталей та накаткою профілів на базі нового напівавтомату ЖА-802 (Україна)”- державний реєстраційний номер 0197U002460 1999 р., „Стохастичне дуальне управління технологічними процесами поперечно-клинової прокатки та накатки профілів складної форми" - державний реєстраційний номер 0101U001780 2001 р., "Управління ресурсозберігаючим технологічним процесом комбінованого формоутворення складених профілів" - державний реєстраційний номер 0103U003452 2003 р.

Мета і задачі дослідження: підвищення точності накочування зовнішніх профілів різі шляхом розробки інтелектуальної системи керування, що здатна працювати в умовах нечіткого визначення технологічних параметрів.

Для досягнення мети роботи поставлені та вирішені наступні задачі:

проведений аналіз існуючих засобів, пристроїв та обладнання, що реалізують технологічний процес накочування профілів різі з метою виявлення резервів підвищення точності формоутворення;

побудовані математичні моделі формоутворення профілю різі, що дозволяють проводити розрахунок параметрів технологічного процесу на межі об'єднання режимів накочування у заповнених і незаповнених контурах інструменту;

розроблена методика поточного визначення параметрів профілю, що накатується, на основі нечітких оцінок стану процесу формоутворення;

виконано структурно-алгоритмічний синтез системи автоматичного керування технологічним процесом накочування профілів різей на підставі визначених закономірностей формування профілю та розрахунку керуючих впливів. Розроблено метод обробки, стиску та збереження технологічної інформації;

виконано математичне моделювання, технічну реалізацію синтезованих структур та їх експериментальне дослідження на діючому обладнанні. Розроблені пристрої зв'язку об'єкта керування з обчислювальним комплексом на базі ПК. Створене програмне забезпечення, необхідне для реалізації системи керування.

Ідея роботи полягає в визначені закономірностей керування технологічним процесом накочування профілів різей та синтезу на їх основі автоматичної системи управління.

Об'єктом дослідження є технологічний процес накатки зовнішніх профілів.

Предметом досліджень є автоматизовані системи керування процесом формоутворення різі, що використовують ітераційні алгоритми роботи з нечіткою інформацією.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися: аналітичні рівняння, що описують напружено-деформований стан у диференціальному вигляді - для оцінки впливу технологічних параметрів на точність профілю різі; методи статистичного аналізу результатів експериментальних досліджень - для побудови емпіричних формул та залежностей параметрів профілю різі, що накочується, від технологічних параметрів; методи теорії нечітких множин - для побудови системи автоматизованого керування; математичне моделювання - для аналізу роботи системи у доступних режимах управління.

Основні наукові положення.

1. Проведення процесу формоутворення профілів різей на межі об'єднання режимів накочування у незаповнених та заповнених контурах інструменту, підвищує та стабілізує величину зовнішнього діаметру різі і додатково зміцнює профіль без порушення умов стійкості протікання процесу.

2. Визначення нечітких сумісних оцінок електричного опору зони деформації та координати положення рухомого інструменту дозволяють ідентифікувати параметри профілю, що накочується, і на їх основі визначати коректуючі впливи на технологічні параметри.

3. Використання ітераційних алгоритмів сумісно з методом адаптивної матричної апроксимації добутком ортогональних поліномів функції відгуку бази правил нечіткого регулятора дозволяє отримувати аналітичний опис бази правил та проводити її уточнення відповідно до обраного критерію керування.

Наукова новизна отриманих результатів.

Удосконалена математична модель процесу формування профілів різей на межі накочування у режимах незаповнених та заповнених контурів інструменту, що дозволяє підвищити точність процесу управління формоутворенням.

Вперше запропоновано метод автоматизованого управління зусиллям притиску рухомого інструменту за результатами нечітких оцінок діаметру деталі на основі величини електричного опору зони деформації та координати положення інструменту, який дозволяє значно підвищити точність профілів, що накочуються.

Одержав подальший розвиток ітераційний метод Пайка-Сільверберга з використанням апроксимації векторів, що створюють поверхню, добутком ортогональних поліномів Чебишева та процедура уточнення коригуючих впливів, що дозволило значно спростити процедури фаззіфікації та дефаззіфікації.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю прийнятих у математичних моделях допущень, збігом теоретичних розрахунків з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень в межах похибки 11-15% за методом найменших квадратів, позитивними наслідками впровадження результатів роботи.

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблена інженерна методика розрахунку основних технологічних параметрів процесу формоутворення різі на межі об'єднання режимів накатки у незаповнених та заповнених контурах, яка дозволяє на 15-20% підвищити точність профілю за рахунок зменшення коливань зовнішнього діаметру різі.

Отримана методика поточного визначення якісних показників формоутворення, що дозволяє на 20-30% зменшити час на налагоджування процесу та проводити безпосередній аналіз напружено-деформованого стану зони деформації. Розроблена методика аналітичного опису бази правил нечіткого регулятора за рахунок використання ітераційних алгоритмів, яка дозволяє відмовитись від використання спеціалізованого обладнання для роботи з нечіткою інформацією. Синтезована структура автоматизованої системи керування параметрами накатки різі за умов її функціонування з нечіткою інформацією про стан та параметри процесу, яка дозволяє визначати керуючі впливи та проводити їх уточнення безпосередньо під час формоутворення.

Практичне значення підтверджується впровадженням результатів дисертаційної роботи в “Інституті технології та автоматизації профільної прокатки” Дніпродзержинського державного технічного університету, при виконанні роботи за договором № 195/02, та у навчальний процес ДДТУ.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював мету, задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну і практичну частини роботи, приймав безпосередню участь у проведенні напив промислових випробувань.

В роботах написаних у співавторстві, особисто автором розроблені стратегії управління, структура та алгоритми роботи системи управління, моделі процесу накатки профілів різі. У роботах [1,12,13,14] автором проаналізовані залежності точності геометрії накоченого профілю від зміни технологічних параметрів, у роботах [10,11] розроблено математичну модель процесу формоутворення та проведене її моделювання, у роботах [2,7,8] запропоновані методики вибору керуючих впливів на процес формоутворення, у роботах [5,6,9] запропоновано структуру системи керування та проведено моделювання її роботи, у роботі [3] автором розроблено метод отримання аналітичних рівнянь опису поверхні, що апроксимується.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення дисертації доповідались на всеукраїнській науково-технічної конференції “Азовсталь-98”(м. Маріуполь, 1998 р.) і десяти міжнародних наукових конференціях: “Вычислительная техника в информационных и управляющих системах”, (м. Маріуполь, 2000 р.), "Комп'ютерне моделювання" (м. Дніпродзержинськ, 2000 р.), „Автоматика-2001" (м. Одеса. 2001 р.), “Современные методы кодирования в электронных системах”, СМКЗС-2002, (м. Суми 2002 р.), „Автоматизація виробничих процесів", (м. Хмельницький, 2002 р.), "Комп'ютерне моделювання" (м. Дніпродзержинськ, 2002 р.), „Автоматика-2002", (м. Донецьк, 2002 р.), "VII Міжнародної конференції з контролю і управління у складних системах (КУСС - 2003)", (м. Вінниця, 2003 р.), „Автоматика-2003", (м. Севастополь), „Автоматизація виробничих процесів", (м. Хмельницький, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 14 наукових праць, у тому числі: 5 статей у фахових виданнях, 9 - статей за матеріалами конференцій, 1 стаття написана без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел (77 назв), додатки. Обсяг дисертації 230 сторінок друкованого тексту, у тому числі 68 рисунків та 19 таблиць, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета, ідея та основні задачі досліджень, визначені наукова новизна та практична цінність роботи.

Перший розділ містить питання літературного огляду і аналізу відомих засобів, приладів для реалізації процесу накатки профілів різі. Розглянуто сучасні вимоги до точності обладнання та інструменту. Визначено, що такі параметри різі, як величина середнього та зовнішнього діаметру профілю потребують поліпшення згідно європейських та світових стандартів (ISO, DIN). Їх відхилення для метричної різі загального призначення допускаються в межах 5...20 відносно висоти профілю, що відповідає ступеням точності 4h…8g ГОСТ 16093-81.

Профільна накатка отримала розповсюдження в умовах масового та багатосерійного виробництва та дозволяє отримувати різь практично на всіх конструктивних сталях, та ряді кольорових та жаростійких сплавах. Крім того, процес холодної накатки (без нагріву підкату безпосередньо перед формоутворенням) у ряді випадків, завдяки додатковому зміцненню шару поверхні різі, є єдиним з можливих способів виготовлення особливо відповідальних сполучень.

Аналіз літературних джерел довів, що процес формування профілю різі за методом накатки можливо проводити в одному з двох режимів - накатки в незаповнених контурах (коли вершини профілю різі не доторкуються впадин інструменту), та заповнених контурах (заготівка контактує з інструментом за всією поверхнею, що оброблюється).

При накатці у незаповнених контурах зміцнення поверхні різі практично не відбувається та ступень точності різі не привішує 8g…6e. Накатка у заповнених контурах дозволяє отримувати різь за ступенем точності 6g та вище при одночасному зміцненню поверхні, але при цьому виникає ймовірність руйнування внутрішніх шарів профілю, що недопустимо.

Існуючі системи керування процесом холодної накатки профілів різі зводяться до механічного та електромеханічного обмеження величини робочого зазору поміж інструментом. На відміну від цього, було доведено необхідність розробки автоматизованої системи керування параметрами процесу накатки профілів різі, що дозволить підтримувати процес формоутворення на межі об'єднання режимів накатки в незаповнених і заповнених контурах, та сформульовані мета і основні задачі дослідження.

У другому розділі проведений аналіз напруженого стану в зоні деформації та аналітичне моделювання процесу формування діаметрів профілю різі. Однією з основних причин виникнення неточностей формоутворення є пружна деформація прокатної кліті, що відображається рівнянням Головіна-Сімса.

Для процесу накатки різі за умови використання двохроликових машин рівняння змінилося, у зв'язку з особливостями процесу та інструменту. Значення зовнішнього діаметру різі, що накочується, визначається з рівняння:

де: S₀ - початковий зазор поміж роликами; S^/ - складова поміжроликового зазору, що залежить від швидкості подачі інструменту в зону деформації; S ^// - складова поміжроликового зазору, що залежить від тиску в гідравлічній системі приводу рухомого супорта; Pz - модуль горизонтальної проекції вектора зусилля накатки, що діє на ролик (розпірна складова зусилля); Px - значення за модулем вертикальної складової вектора зусилля накатки що діє на опорний ніж; P_Z(гидр), P_Х(гидр) - значення за модулем вертикальної та горизонтальної складової вектора зусилля притиску рухомого супорту, С_К , С_о.н. - середні, у робочому інтервалі зусиль накатки, значення жорсткості робочої кліті та опорного ножа відповідно.

Початковий зазор поміж роликами та розпірну складову модуля вектора зусилля накатки представили у вигляді функції від ряду незалежних змінних:

S₀ = f ( R ,v_врез, b, Р_гидр, D_вал, t, t_пр… );

Pz, Px = f ( d₀ ,R ,b ,P_гидр,t_пр…) (2)

де: R - радіус ролика що накочує; b - висота опорного ножа; t - кут повороту ролика що накочує; d₀ - початковий діаметр заготівки, t_пр - час накатки одного профілю; D_вал - діаметр ролика, що накатує, v_врез - швидкість подачі інструмента в зону деформації.

Вважаючи, що функції (2) диференційовані у діапазоні робочих зусиль накатки та, що приведена жорсткість кліті і зусилля притиску рухомого супорта Р_гидр = const , записали рівняння (1) в диференційованому вигляді. Аналізуючи складові рівняння провели оцінку впливу основних збурень на діаметральну точність готової деталі.

Проведений аналіз електричного опору зони деформації при пропусканні скрізь нього постійного струму. Повний контактний опір заготівки складається з двох контактних опорів на переходах накатний ролик-заготівка та опору самої заготівки. Для аналізу закономірності зміни електричного опору зони деформації під час формоутворення, останній умовно розділено на чотири етапи: етап врізання інструменту у поверхню заготівки, етап формування профілю різі, накочування у заповнених контурах інструменту, етап руйнування заготівки (аварійний режим). На кожному з етапів отримані аналітичні вирази закономірності зміни величини електричного опору зони деформації, що дозволяє визначати етапи формоутворення під час накочування. Проведене дослідження впливу поверхневих плівок на значення електричного опору довело, що для усунення ефекту “А” та “Б” фріттінгу (миттєвого зменшення опору за рахунок руйнування поверхневих плівок) необхідно дотримувати падіння напруги у зоні деформації більше напруги виникнення “А-фріттінгу”, а саме 0.5-1 В.

У третьому розділі розглянута механіка процесу формоутворення профілів різей та проведено експериментальне дослідження процесу накочування.

У якості вхідних параметрів були обрані: Х1 - діаметр заготівки, Х2 - матеріал заготівки, Х3 - кількість циклів навантаження заготівки, Х4 - зусилля притиску рухомого супорту, Х5 - швидкість подачі інструменту у зону деформації. Як вихідні розглядались параметри: Y1, Y2 - зовнішній діаметр профілю що накатано у середній частині поверхні заготівки та на виході різі відповідно. Y3 - висота профілю різі, Y4 - конусність різі (Y1-Y2), Y5, Y6 - овальність готової деталі за зовнішнім діаметром у визначених перетинах.

Дослідження проводились на різенакочувальній машині типу UPWS-16 яка була додатково обладнана системою вимірювання переміщення рухомого супорту. Система включала у себе: електронний мікрометр мод.276 Т-149 з точністю вимірювання ±0.005 мм; інтерфейс зв'язку, що забезпечує 8-мі бітне квантування вихідного сигналу мікрометра та видачу інформації за протоколом ISA; комп'ютер типу IBM PS с оригінальним програмним забезпеченням, написаному на мові Assembler яке дає можливість фільтрації, візуального аналізу та збереження технологічної інформації. Крім того, сигнал з мікрометру подавався на електронний самописець типу H327-3 для запису на діаграмний папір.

Накатувалась різь типу М14х1.25 інструментом виготовленим зі сталі марки ХА12М, твердість робочої поверхні після термічної обробки 58-62 R_C, з висотою профілю H = 0.676 ± 0.01 мм. Геометричні параметри інструмента контролювали універсальним вимірювальним мікроскопом УИМ-23 з точністю ± 0.005 мм. Вимірювання накатаного профілю проводили мікроскопом інструментальним типу БМИ-Щ з точністю ±--0.002 мм. Для виготовлення підкату використовували сталь марок (Х2): Ст.0, Ст.10, Ст.20, Ст.30, довжина частини поверхні під накатку різі 22 мм.

За отриманими даними побудовані рівняння регресії, значимість коефіцієнтів яких та адекватність в цілому перевірили за критерієм Стьюдента та Фішера відповідно.

Проведений аналіз залежності зовнішнього діаметру профілю різі від величини зміни положення рухомого супорта та електричного опору зони деформації під час формоутворення. При накатці на межі об'єднання режимів накатки існує максимум значення зовнішнього діаметру різі а зміна опору відбувається за рахунок зміни площини поверхні контакту. У режимі заповнених контурів опір спадає пропорційно зменшенню середнього та зовнішнього діаметрів різі за рахунок зниження об'ємного опору заготівки. Таким чином доведено, що електричний опір зони деформації є величиною, що дозволяє проводити непряму, якісну оцінку

заповнення контурів інструмента матеріалом підкату, та відповідно висоту профілю зуба.

Четвертий розділ присвячений синтезу системи керування процесом накочування профілів різі.

Керування забезпечується наступними п'ятьма контурами регулювання:

1. Контур регулювання за обуренням (нагрів та знос інструменту).

2. Контур стабілізації зусилля притиску рухомого супорту.

3. Контур стабілізації робочого зазору поміж накатними роликами.

Рисунок 3. - Структурна схема комбінованої системи керування

4. Нечіткий регулятор.

5. Контур адаптації бази правил нечіткого регулятора.

Контур регулювання за обуренням призначений для компенсації зміни прокатного зазору, яка відбувається під впливом нагріву та зносу інструмента. Контур стабілізації зусилля притиску рухомого супорту призначений для стабілізації зусилля притиску рухомого інструменту у горизонтальній площині.

Контур стабілізації робочого зазору поміж накатними роликами призначений для компенсації зміни прокатного зазору, що з'являється при накатуванні профілю під впливом коливань діаметру заготівки.

Нечіткий регулятор призначений для визначення керуючих впливів на основі нечітких оцінок стану об'єкта керування з використанням лінгвістичної бази знань.

Вхідні лінгвістичні змінні:

RЕ - зміна електричного опору зони деформації;

SЕ - зміна координати положення рухомого супорту.

Вихідні лінгвістичні змінні:

НP - зміна зусилля притиску рухомого супорту;

HN - зміна кількості циклів навантаження.

Негативно велике та позитивно велике відхилення положення супорта і електричного опору зони деформації від базових значень відповідають межам -20% та +20% відповідно.

Правила керування, що зв'язують лінгвістичні значення вхідних й вихідних змінних, мають вигляд: „Якщо зміна опору зони деформації = А_i та, якщо зміна координати положення рухомого супорта = В_i , то зміна зусилля притиску супорта дорівнює С_i а зміна кількості циклів навантаження дорівнює D_i”, де А_i, В_i ,С_i , D_i - лінгвістичні знання.

Контур адаптації призначений для уточнення величин керуючих впливів з врахуванням зміни технологічних характеристик об'єкта керування, а також визначення оптимального керування згідно обраного критерію якості протікання процесу формоутворення.

Узагальнений мультиплікативний критерій керування обрано у наступному вигляді:

де: - середнє за вибіркою значення зовнішнього діаметру різі що накатується при реалізації обраних керуючих впливів, “доход”; - мінімально допустиме значення зовнішнього діаметру; - вірогідність отримання значення при обраних параметрах формоутворення.

Оптимальне керування відповідає максимізації зовнішнього діаметру профілю та вірогідності його отримання при обраних параметрах процесу накатки.

На початковій стадії з однаковою вірогідністю (рівною 1/k) обираються всі керування и₁,..., и_k (зусилля притиску інструмента та кількість циклів навантаження заготівки) й по мері еволюції фіксуються переходи та значення доходів, що отримані (непряма оцінка величини зовнішнього діаметра профілю).

За цією інформацією підраховуються оцінки:

вірогідності переходів, які є частотами:

(4)

де N_ijl(t) є число переходів до моменту t із стану s_i у s_j при керуванні u_l;

2) середніх доходів:

де означає величину доходу при h-м виході зі стану s_i під дією керування u_l. Отримані матриці вірогідності переходів та відповідні їм значення зовнішнього діаметру профілю та величини приросту електричного опору зони деформації вносяться у пам'ять комп'ютера та використовуються для уточнення керуючих впливів та бази правил нечіткого регулятора.

Моделювання роботи системи комбінованого управління проводилось з використанням середовища Matlab-6.5. Робота нечіткого регулятора можлива у наступних режимах: а)нечітке регулювання кількістю циклів навантаження заготівки при одночасній стабілізації зусилля притиску рухомого супорта; б) контур керування притиску рухомого супорта працює за відхиленням, на основі непрямих оцінок зовнішнього діаметру профілю різі, кількістю циклів навантаження управляє нечіткий регулятор; в) корекція числа циклів навантаження відбувається на основі непрямих оцінок зовнішнього діаметру профілю різі, зусиллям притиску супорту управляє нечіткий регулятор; г) нечіткий регулятор управляє одночасно кількістю циклів навантаження заготівки та зусиллям притиску рухомого супорту. Проведене моделювання роботи системи у всіх з зазначених режимів за умови ступінчатої зміни діаметру заготівки з 13.18 до 13.24мм, та з 13.18 до 13.14 мм. У п'ятому розділі розглянуті питання реалізації системи комбінованого управління. Проведений аналіз вибору точності датчиків технологічних параметрів та запропоновано характеризувати датчики відношенням середньоквадратичної похибки прибору до середньоквадратичного відхилення величини, що змірюється. Це дозволило довести, що при похибці датчиків, які використовуються в системі, в межах від 2.2% до 14%, реальна точність виміру складає від 33% до 71%. Для зменшення величини цієї похибки запропоновано застосовувати низькочастотні стохастичні фільтри технологічних параметрів. За таким способом вдалось підвищити відношення сигнал/шум на вході системи керування на 20-40 дБ.

Для можливості реалізації нечіткого регулятора на базі комп'ютера типу ІВМ розроблений наступний метод:

1) одержана поверхня відгуку бази правил нечіткого регулятора розбивалася на прямокутні області (кластери), що включають значення шуканого параметра відповідні якісним областям протікання процесу.

2) в межах одержаних областей, значення шуканого параметра і вхідних величин усереднювалися.

Таким чином виходила матриця розмірністю nxm, де n і m кількість рядків і стовпців матриці, відповідні числу якісних областей, виділених, щодо кожного з вхідних параметрів.

На наступному етапі проводилася процедура аналітичного опису функції відгуку, що дозволяє набувати значення шуканого параметра в будь-якій точці поверхні з наперед заданою точністю. Для вирішення цієї задачі запропонований метод адаптивної матричної апроксимації твором ортогональних функцій за допомогою модернізованого ряду Пайка-Сильверберга. Особливістю цього ряду є розкладання функції двох змінних в ряд по ортогональним власним функціях двох однорідних інтегральних рівнянь з симетричними ядрами, визначеними заданою функцією двох змінних.

Для центрованої функції ряд Пайка-Сільверберга з біортогональною базисною системою з наперед невідомих власних функцій однієї змінної має вигляд:

Після ітераційних процедур пошуку ординат функцій g0, h0 і g_k і h_k, що є функціями від однієї змінної, апроксимуємо ортогональними поліномами Чебишева вигляду:

(7)

Коефіцієнти a_k і b_k визначаємо методом найменших квадратів.

Практично, було помічено, що двох, трьох ітераційних процедур достатньо для знаходження коефіцієнтів полінома вигляду:

Проведені дослідження роботи системи автоматизованого керування процесом накатки різі, у напівпромислових умовах лабораторії „Інституту технології та автоматизації профільної прокатки” Дніпродзержинського державного технічного університету довели, що система комбінованого управління дозволяє зменшити кількість браку з 10-15% до 3-5%, залежно від якості підкату який використовується.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі, поставлена та вирішена науково-технічна задача підвищення точності накочування зовнішніх профілів різі шляхом розробки інтелектуальної системи керування, яка здатна працювати в умовах нечіткого визначення технологічних параметрів, що потребувало: побудови математичної моделі формоутворення профілю різі, розробки методики миттєвого визначення параметрів профілю, що накатується. Це дозволяє проводити розрахунок параметрів процесу на межі об'єднання режимів накочування заповнених і незаповнених контурів, та визначати тип і закономірність зміни керуючих впливів.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Виконаний аналіз технологічних характеристик існуючого накатного устаткування і вимог до точності профілю різі згідно діючих Українських, європейських і світових стандартів. Основними показниками, що визначають клас точності різі, є зовнішній діаметр і висота профілю. Встановлено, що однією з основних причин зниження точності накатаних профілів є використовування у вітчизняній промисловості морально застарілого накатного устаткування з низьким рівнем автоматизації.

2. Шляхом аналітичного моделювання і експериментальних досліджень встановлено, що процес накочування профілів різі необхідно здійснювати на межі об'єднання режимів накатки в заповнених і незаповнених контурах. При цьому вдається одержати переваги кожного з режимів:

- у режимі незаповнених контурів утворення профілю відбувається шляхом об'ємного перерозподілу металу по поверхні заготівки, яке не приводить до руйнування внутрішніх шарів і не відбувається лущення поверхні різі;

- у режимі заповнених контурів, досягається максимальне наближення профілю різі до профілю інструмента; зносостійкість одержаного профілю в 3-4 рази вища, ніж одержаного при обробці різанням і не менше ніж в 2 рази вище - порівняно з формоутворенням у незаповнених контурах.

Одержана математична модель процесу формоутворення враховує стадійність процесу. Погрішність розрахунку за нею технологічних параметрів: зусилля притиску рухомого супорта, кількості циклів навантаження, діаметру заготівки - склала 5-7% для різі типу М14х1.25.

3. Розроблена інженерна методика визначення параметрів накочуваного профілю безпосередньо в ході формоутворення, що не вимагає зупинки процесу. Оцінка висоти профілю зуба і зовнішнього діаметру різі здійснюється на підставі нечітких оцінок величини переміщення рухомого супорта профіленакатної машини і зміни електричного опору зони деформації в ході процесу.

4. Розроблена система комбінованого управління процесом поперечно-профільної накатки, використовує в контурі адаптації нечіткий регулятор. Запропонована інженерна методика уточнення бази правил нечіткого регулятора, що використовує ітераційні алгоритми наближення. Як результат, стало можливим відмовитися від використовування спеціалізованого мікропроцесорного устаткування для роботи з нечіткою інформацією.

5. Експериментальні дослідження роботи системи управління процесом накатки профілів різьблення, підтвердили її ефективність і можливість зниження кількості браку з 10-15% до 3-5%, залежно від якості підкату.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

Бойко В.И., Алексеев И.А., Лыкасов А.Н. Управление процессом накатки профиля сложной формы // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. - Одесса, 2001. - Вып. 3(15).- С. 24-27.

Бойко В.И., Алексеев И.А. Управление процессом накатки наружных резьбовых профилей // Вісник Технологічного університету Поділля. - Том 1. Технічні науки.-Хмельницький 2002.- С. 139-142.

Бойко В.И., Трикило А.И., Алексеев И.А. Сжатие матричной информации модернизированным методом Пайка-Сильверберга // Вісник Сумського державного утверситету.- № 12 (45). Технічні науки. - Суми 2002.- С. 170-174.

Алексеев И.А. Автоматизация технологического процесса накатывания наружных резьбовых профилей // Наукові праці Донецького национального технічного університету.- Випуск 47,- Донецьк 2002.- С 15-21.

Бойко В.И., Алексеев И.А. Комбинированная цифровая система управления процессом накатки профилей резьбы // Вісник Технологичного університету Поділля. - Том 1. Технічні науки. -Хмельницький 2003.- С. 30-34.

Бойко В.И., Алексеев И.А. Управление процессом валковой накатки резьбового профиля// Сб. трудов международной конференции по управлению “Автоматика 2002”.-Донецк, 2002. - С.184.

Бойко В Л., Алексеев И.А. Комбинированная интеллектуальная система управления процессом валковой накатки профилей резьбы // Материалы 10-й международной конференции по автоматическому управлению “Автоматика 2003”.- Севастополь, 2003 г. - С. 9.

Бойко В.И., Алексеев И.А., Лыкасов А.Н. Управление процессом накатки профиля сложной формы // Сб. докладов международной конференции по управлению “Автоматика 2001”.- Одесса, 2001.- С.132-133.

Бойко В.1., Алексеев 1.А. Нечітка комбінована система керування процесом валкової накатки профілів різі// Тези доп. VII Міжнародної конференції з контролю і управління у складних системах (КУСС - 2003).- Вінниця, 2003. - С.7.

Бойко В.И., Алексеев И А. Моделирование процесса формирования диаметра детали для холодной поперечно-профильной прокатки // 36. доповідей Міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання".- м. Дн1продзержинськ.- липень2000р.-С 83.

Бойко В.И., Алексеев И.А. Моделирование процесса валковой накатки резьбового профиля // 36. доповідей Міждержавної науково-методичної конференції „Проблеми математичного моделювання".--Дніпродзержинськ 2002. - С.56.

Бойко В.И., Алексеев И.А., Беловицкий А.Г. Исследование процесса формирования резьбового профиля // Сб. докладов Первой международной научно-практической конференции “Вычислительная техника в информационных и управляющих системах”.-Мариуполь: 2000 г. - С. 82-83.

Бойко В.И., Алексеев И.А. Влияние точности подката на готовую продукцию при поперечно-клиновой прокатке // 36. доповідей науково-технічної конференції “Азовсталь-98”.- м. Маріуполь: 1998 р.- С.31.

14.Бойко В.И., Алексеев И.А. Влияние колебаний диаметра прутка на точность детали // Придніпровський науковий Вісник.-№ 84.- Дніпропетровськ 1998р.- С.72-77.

АНОТАЦІЯ

Алексеєв І.А.Нечітка система комбінованого управління технологічним процесом накочування профілів різей.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”, Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

У дисертаційній роботі виконано рішення актуального науково-технічного завдання підвищення точності накочування зовнішніх профілів різі шляхом розробки інтелектуальної системи керування, що здатна працювати в умовах нечіткого визначення технологічних параметрів.

Виконано аналіз існуючих засобів, пристроїв та обладнання, що реалізує технологічний процес накочування профілів різі з метою виявлення резервів підвищення точності процесу.

Проведено теоретичні та експериментальні дослідження процесу формоутворення профілю різей за двох валковою схемою прокатки, та за їх результатами побудовано математичну модель, що дозволяє проводити розрахунок параметрів процесу на межі об'єднання режимів накочування заповнених і незаповнених контурів.

Розроблено інженерну методику миттєвого визначення параметрів профілю, що накочується, на основі нечітких оцінок стану процесу формоутворення. Запропоновано структурну схему багатоконтурної системи керування.

Визначено тип і закономірностей розрахунку керуючих впливів. Для можливості реалізації системи на базі комп'ютерів типу ІВМ, розроблено метод адаптивної матричної апроксимації добутком ортогональних функцій поверхні бази правил контуру нечіткого регулятора. Проведено експериментальне дослідження роботи системи керування у напівпромислових умовах та моделювання можливих режимів її роботи з використанням сучасного програмного забезпечення.

Ключові слова: автоматизація технологічного процесу накочування різей, електричний опір зони деформації, накочування у заповнених та незаповнених контурах, нечітка система, адаптивна матрична апроксимація.

АННОТАЦИЯ

Алексеев И.А. Нечеткая система комбинированного управления технологическим процессом накатывания резьбовых профилей.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”, Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

В диссертационной работе выполнено решение актуального научно-технической задачи повышения точности накатывания внешних профилей резьбы, путем разработки интеллектуальной системы управления, способной функционировать в условиях нечеткого определения технологических параметров.

Выполнен анализ существующих средств, устройств и оборудования, реализующих технологический процесс накатывания профилей резьбы с целью выявления резервов повышения точности процесса. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса формообразования профиля резьбы для двухвалковой схеме прокатки. По их результатами построена математическая модель, позволяющая проводить расчет параметров процесса на границе объединения режимов накатывания заполненных и незаполненных контуров.

Исследование электрического сопротивления очага деформации показало зависимость закономерности его изменения в зависимости от стадии формирования профиля. На основании полученных результатов, разработана инженерная методика мгновенного определения параметров накатываемого профиля, не требующая остановки процесса, на основе нечетких оценок состояния формообразования.

Предложена структурная схема многоконтурной системы управления содержащей следующие контуры: контур регулирования по возмущению (компенсация изменения величины прокатного зазора при нагреве и износе инструмента), контур стабилизации усилия прижима подвижного суппорта, контур стабилизации рабочего зазора между накатными роликами, нечеткий регулятор, контур адаптации базы правил нечеткого регулятора. Основное отличие предложенной системы управления в том, что усилие прижима подвижного инструмента не стабилизируется, как принято, а наоборот изменяется в зависимости от результатов непрямого измерения диаметра детали и высоты профиля на основе нечетких оценок координаты положение подвижного инструмента и электрического сопротивления зоны деформации. Это позволяет улучшить точность и механические свойства профилей резьбы, которая накатывается, и уменьшить материальные и энергетические расходы.

Определен тип и закономерности расчета управляющих воздействий для каждого из контуров в отдельности, и для системы в целом. Для возможности реализации системы на базе компьютеров типа IBМ, разработан метод адаптивной матричной аппроксимации произведением ортогональных функций поверхности базы правил контура нечеткого регулятора. Проведено моделирования возможных режимов работы системы управления с использованием современного программного обеспечения, ее экспериментальное исследование в полупромышленных условиях на базе “Института технологии и автоматизации профильной прокатки” Днепродзержинского государственного технического университета МОН Украины.

Результаты работы использованы для промышленного внедрения, при проведении госбюджетных научно-исследовательских работ и в учебном процессе.

Ключевые слова: накатывание рези, электрическое сопротивление зоны деформации, накатывание в заполненных и незаполненных контурах, нечеткая система, адаптивная матричная аппроксимация.

ANNOTATION

Аlekseev І.А. Fuzzy combined technological process control system of rolling of types screw-thread.- Manuscript. Thesis for candidate's dissertation in speciality 05.13.07 is “Automation of technological processes”, National Mining University, Dnepropetrovsk, 2005.

In dissertation thesis the decision of actual scientific and technical problem increase of exactness rolling the external types of screw-thread is executed by development the intellectual control system, that able to work in the conditions fuzzy determination technological parameters. The analysis of existent facilities, devices and equipment is executed, that will realize the technological rolling process the type's screw-thread with the purpose exposure backlogs increase exactness process. Theoretical and experimental researches rolling process the type of screw-thread at two are conducted by the roller chart of rolling, and after their results a mathematical model is built, that allows to conduct the calculation of process parameters on verge association the modes rolling the filled and unfilled contours.

The engineering method of instantaneous determination parameters of type is developed, that is rolled, on the basis of unclear estimations the process state of rolling. The flow diagram of the multicontour control system is offered. A type is certain and conformities to the law of calculation the managing influencing. For marketability system on the base computers to the type ІВМ, the method adaptive matrix approximation by work orthogonal functions of surface rules base is developed to the contour fuzzy regulator. Experimental research of work the control and design of possible its office hours system in semiindustrial terms is conducted with the use of modern software.

Keywords: rolling of screw-thread, electric resistance of area of deformation, rolling in the filled and unfilled contours, unclear system, adaptive matrix approximation.

Размещено на Allbest.ru

...