Управление механической обработкой на основе мониторинга критериальной характеристики процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТОГУ

Управление механической обработкой на основе мониторинга критериальной характеристики процесса

Вайнер Л.Г. - д-р техн. наук, проф. Кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

Аннотация

Дано описание основных типов моделей управления механической обработкой. Введено понятие критериальной характеристики процесса, которая однозначно определяет один из контролируемых параметров процесса и является объектом управления. Представлена реализация модели управления на примере процесса двусторонней торцешлифовальной обработки цилиндрических роликов и доказана ее эффективность.

Ключевые слова: механическая обработка, управление, критериальная характеристика процесса, двустороннее торцешлифование.

Abstract

Control of Mechanical Processing based on Monitoring Criteria Characteristics of the Process

Vainer L. G. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation

The main types of machining control models are described. The concept of a criteria characteristic of a process is introduced, which uniquely defines one of the controlled parameters of the process and is an object of control. The implementation of the control model on the example of the process of two-sided face-grinding of cylindrical rollers is presented and its efficiency is proved.

Keywords: mechanical processing, control, criteria characteristic of the process, two-sided face grinding.

Модели управления процессом механической обработки

Традиционно управление процессом механической обработки заключается в выборе и поддержании настроечных параметров технологического оборудования и режимов обработки для данного сочетания факторов технологической среды и условий производства с целью обеспечения требуемых выходных характеристик процесса.

В линейной модели управления (рис. 1, а) вектору X входных технологических параметров при определенном сочетании факторов среды и условий обработки Z однозначно соответствует вектор Y выходных параметров. Данная система управления используется при формировании баз данных справочников по выбору режимов обработки в зависимости от технологических условий. Очевидный недостаток этой модели - непостоянство факторов среды и условий обработки Z могут вносить диссонанс в условие соответствия X и Y. Управление является «слепым», не отражая физико-механические явления.

Более чувствительной к изменяющимся условиям обработки является модель адаптивного управления (рис. 1, б) с обратной связью между одним из контролируемых параметров y и входным параметром х. При изменении параметра y на Ay вводится коррекция на величину Ах.

Рис. 1. Структурно-параметрические модели управления: а - модель статического соответствия; б - модель динамического адаптивного управления

Рис. 2. Структурно-параметрическая модель динамического управления с использованием критериальной характеристики процесса

Наиболее эффективным является управление с использованием критериальной характеристики процесса (КХП) (рис. 2) - физико-механической характеристики, однозначно определяющей один из наиболее значимых выходных параметров - лимитирующий параметр уцт. Данная модель управления открывает возможности направленного воздействия на процесс и выходные характеристики в зависимости от состояния КХП.

Выбор той или иной модели управления зависит от многих факторов, но прежде всего от типа производства и используемого технологического оборудования.

Модель линейного соответствия предпочтительно использовать для единичного и мелкосерийного производства при широкой номенклатуре обрабатываемых деталей. Например, на операции абразивной обработки вала заданным точности и шероховатости поверхности, материалу заготовки ( Y) соответствуют характеристики шлифовального круга, скорости продольной и врезной подач, скорость резания (Л). Длительность операции при данном типе производства не велика, поэтому вектор факторов среды и условий обработки Z можно считать постоянным и не оказывающим значительного влияния на соответствие X и Y.

При серийном производстве возникает необходимость корректировки настроечных параметров и режимов при достаточно длительной обработке партии, поэтому предпочтительно использовать модель динамического адаптивного управления.

При крупносерийном поточном производстве при настройке оборудования на обработку конкретной детали заданного типоразмера факторы среды и условия обработки можно считать постоянными в цикле обработки одной детали, но меняющимися в цикле обработки партии. В данном случае неста- ционарность процесса обуславливается медленно протекающими процессами [1] - изнашиванием инструмента и температурными деформациями, и наиболее эффективно использовать модель управления с использованием КХП, обеспечивая её мониторинг.

Реализация модели управления процессом механической обработки с использованием критериальной характеристики процесса.

Для возможности эффективного управления процессом механической обработки с использованием КХП на высокоточном высокопроизводительном технологическом оборудовании необходимо:

Определить степень влияния основных технологических факторов на функционально-значимые выходные характеристики процесса.

Выявить КХП, определяющую лимитирующую выходную характеристику.

Установить причинно-следственные связи между основными технологическими факторами и КХП.

Определить оптимальные значения КХП.

Разработать способ регистрации КХП для возможности осуществления оперативного управления технологическим оборудованием.

Модель управления процессом механической обработки с использованием КХП была реализована применительно к процессу поточной двусторонней торцешлифовальной обработки цилиндрических роликов.

Кратко рассмотрим содержание вышеперечисленных основных этапов:

Определение степени влияния основных технологических факторов на функционально-значимые выходные характеристики процесса.

Задача, решаемая на первом этапе: отбор из массива входных параметров ограниченного числа управляющих параметров и ранжирование их по степени влияния на лимитирующие выходные показатели процесса.

С это целью была построена интерполяционная модель процесса двусторонней торцешлифовальной обработки роликов с целью общей количественной оценки влияния основных технологических факторов на точность об - работки по лимитирующему параметру - торцовому биению.

Предварительные результаты показали, что наибольшее влияние на точность оказывают углы установки шлифовальных кругов в горизонтальной ун и вертикальной ан плоскостях (или соответствующие им линейные смещения Г и В - разность расстояний между кругами на определенном диаметре), припуск на два торца At и скорость подачи изделий Ур, которые были приняты в качестве факторов.

Для построения математической модели был реализован полный факторный эксперимент 24 [2].

Принятое уравнение регрессии имеет вид:

где Xi, X2, X3, X4 - кодированные значения факторов Г, В, At и Vp, соответственно; b0 - b7 - коэффициенты регрессии.

Разработанная регрессионная модель точности обработки роликов позволила количественно оценить влияние основных технологических параметров на величину биения обработанных торцов. По степени влияния на точность обработки исследуемые факторы можно расположить в следующей последовательности (в порядке убывания влияния каждого фактора): Г(у^ - At - В(ан) - Vp. Наиболее важным условием для обеспечения минимальной погрешности обработки является правильная установка углового положения шлифовальных кругов в горизонтальной плоскости.

Следует ожидать повышения точности обработки при возрастании факторов Г(уд), At, В(ан). При малых значениях припуска At необходимо назначать минимальные значения В(ан), при больших - В(ан) может принимать большие значения.

Поиск КХП, определяющей лимитирующую выходную характеристику - торцовое биение.

Комплексные экспериментальные исследования позволили выявить доминирующий фактор, от которого зависит величина торцового биения - это закономерности вращения заготовки при движении вдоль траектории подачи [3]. механический цилиндрический ролик торцешлифовальный

Таким образом, зависимость частоты вращения ролика от координаты, отсчитываемой от входа в зону шлифования, представляет собой критериальную характеристику процесса - КХП. Было показано, что КХП может быть трех основных видов - 1, 2 и 3 (рис. 3). Минимизация биения торца достигается при реализации КСП третьего вида (рис. 4).

Рис. 3. Виды КХП (fp - частота вращения ролика, L - координата ролика в зоне шлифования протяженностью L3, Lp - длина зоны съема припуска)

Рис. 4. Влияние видов КХП на лимитирующую характеристику Д (1- средние значения, 2 - поле рассеяния)

Установление причинно-следственных связей между основными технологическими факторами и КХП.

Задача, решаемая на этом этапе: установить степень влияния управляющих параметров Xj - Х4 на вид и параметры КХП.

Установлено, что параметры настройки и режимы обработки оказывают существенное влияние на показатели характеристик вращения роликов:

параметр угловой установки шлифовальных кругов в горизонтальной плоскости ун определяет вид характеристики вращения;

параметр угловой установки шлифовальных кругов в вертикальной плоскости ан оказывает доминирующее влияние на максимальную частоту вращения после центра зоны шлифования fPn, от которой в свою очередь зависят такие показатели как длина зоны вращения ролика LB и длина зоны вращения ролика со съемом припуска LBP; при отсутствии углового смещения кругов в горизонтальной плоскости увеличение ан ведет к уменьшению показателя LBP и появлению КХП 1 -го вида;

с увеличением припуска на обработку At вращение ролика становится более стабильным;

увеличение скорости подачи Vp приводит к возрастанию длины участка непрерывного вращения ролика LB и максимальной частоты вращения ролика после центра зоны fPn.

Таким образом, доказано, что степень влияния отдельных управляющих параметров Xi - X4 на торцовое биение, установленная при проведении полного факторного эксперимента, соответствует их влиянию на КХП.

Определение оптимальных значений КХП

Исследование встречающихся разновидностей КХП позволило выявить оптимальную КХП, которую необходимо реализовать при управлении процессом обработки [4]. Это характеристика вращения третьего вида с непрерывным вращением на участке съема припуска, с участком вращения LB > L3, с провалом кривой симметричным относительно центра зоны и максимальным значением fPn. Такая КХП должна служить эталоном при настройке двусторонних торцешлифовальных станков и управлении процесом с целью получения наивысшей для заданных условий шлифования точности обработки по параметру торцового биения.

Оптимальная КХП достигается рациональным выбором таких технологических параметров как углы наклона шлифовальных кругов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, снимаемый припуск и скорость подачи деталей, влияние которых рассмотрено выше.

Разработка способа регистрации КХП для возможности осуществления оперативного управления технологическим оборудованием.

В комплексных лабораторных исследованиях процесса двусторонней торцешлифовальной обработки применялся метод регистрации вращения ролика с помощью световолоконной оптики. Для управления процессом в производственных условиях этот способ имеет известные технические ограничения.

Для настройки торцешлифовальных станков и мониторинга КХП был предложен и внедрен способ регистрации характеристик вращения заготовки по форме вибросигнала [5] с датчика, установленного на неподвижном рычаге диска-сепаратора с обрабатываемыми деталями.

Доказано, что форма вибросигнала однозначно соответствует форме кривой зависимости частоты вращения от координаты заготовки. Как и характеристики вращения, форма вибросигнала бывает трех видов. Сопоставление длины участков траектории ролика, на которых происходит возбуждение колебаний диска, с длиной участков, на кото рых происходит вращение ролика, и возникают силы резания (т. е. происходит съем припуска) показало, что участки возбуждения высокочастотных колебаний соответствуют участкам вращения ролика при съеме припуска и действии сил резания.

Выводы

Доказана эффективность управления процессом механической обработки с использованием критериальной характеристики процесса на примере двустороннего торцешлифования цилиндрических роликов.

Критериальную характеристику процесса можно использовать как для исходной наладки станка, так и для оперативного управления при шлифовании партии деталей.

Библиографические ссылки

1. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем : справочник-учебник. В 3 т. Т. 1. Проектирование станков / А. С. Проников, О. И. Аверьянов, Ю. С. Аполлонов и др. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана : Машиностроение, 1994. 444 с.

2. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. : Наука, 1976. 280 с.

3. Вайнер Л. Г. Характер вращения роликов и точность обработки при двустороннем торцешлифовании // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2010. № 4. С. 111-120.

4. Vainer L. G. Regularities of motion and accuracy of double-sided processing of cylindrical rollers // IOP Conf. Series: Journal of Physics : Conf. Series, 1210 (2019). 012152

5. Sabirov F. S., Vainer L. G., Rivkin A. V. Vibroacoustic diagnostics of bidirectional end milling // Russian engineering research. 2015. Vol. 35, № 6. P. 458-461.

Размещено на Allbest.ru