Разработка математических алгоритмов и программ для динамической диагностики процесса резания

Содержание
Стр.
Введение 5
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 12
1.1. Динамическая система металлорежущего станка по отношению к 15 процессу резания.
1.2. Понятие качества обрабатываемой детали. Исследования, 24 диагностика, управление качеством обработки.
1.3. Эволюция процесса резания. Исследования и диагностика износа 27 режущего инструмента.
1.4. Цель и задачи исследования. 30
2. Исследование взаимосвязи переменных составляющих сил с 33 фазовыми координатами динамической системы процесса резания.
2.1. Постановка задачи 33
2.1.1. Методика разделения движений во взаимосвязанной системе 38 дифференциальных уравнений динамики процесса резания.
2.1.2. Методика идентификации параметров динамической системы 47 станка и переменных составляющих сил резания в вариациях относительно траектории равновесия.
2.2. Идентификация модели станка, приведенного к зоне резания. 51
2.2.1. Общая методика идентификации. 51
2.2.2. Определение порядка модели и идентификация частот и 55 декрел мытое затухал ия.
2.2.3. Определение матриц упругости, диссипации и инерции 63
2.3. Экспериментальная установка для идентификации и изучения 72 циклических составляющих сил и динамической модели станка
2.4. Изучение взаимосвязи сил, действующих на инструмент, с 82 колебаниями.
2.4.1. Методика вычисления силовых потенциалов на основе наблюдения 87
за функциями колебаний.
2
2.4.2. Предварительный анализ зависимости сил от фазовых координат 114
2.5. Исследование закономерностей изменения сил в фазовом 116 пространстве.
2.5.1. Исследование сил в пределах зоны нечувствительности. 117
2.5.1.1. Исследование зоны нечувствительности во временной области. 1 19
2.5.1.2. Исследование зоны нечувствительности в пространственной области. \ 22
2.5.2. Исследование областей вне зоны нечувствительности. 146
2.6. Выводы 149
3. И »учение »во.тюцни износа на основе интегральных операторов. 152
3.1. Взаимодействие износа с координатами состояния процесса резания. 152
3.2. Построение функционала зависимости износа от агрегированных 159 координат
3.3. Методика идентификации ядер интегральных операторов. 161
3.4. Структурная схема программно - аппаратного комплекса управления 175 станком с ЧПУ на основе оценки износа инструмента.
3.4.1. Описание блоков программы. 176
3.4.2. Алгоритм функционирования структурной схемы комплекса. 177
3.5. Выводы 179
4. Изучение связи вибраций с параметрами точности. 181
4.1. Особенности нелинейного взаимодействия инструмента с 181 обработанной деталью при точении при колебаниях относи тельно точки равновесия
4.2. Изучение влияния колебаний на динамическую постоянную 189 составляющую смещения точки равновесия.
4.3. Изучение соотношения интегральных и циклических составляющих 196 сил, формируемых в зоне стружкообразования.
4.4. Влияние циклических составляющих сил, действующих по задней 200 грани инструмента, на динамическую постоянную составляющую.
4.5. Реализация системы корректировки глубины резания. 205
4.6. Выводы 209
3
Заключение и основные вы волы. 211
Список псполыопанпой литературы 216
Приложения 241
Приложение I. 242
Приложение 2. 244
Приложение 3. 245
Приложение 4. 249
Приложение 5. 253
Приложение 6. 254
Приложение 7. 263
Приложение 8. 271
Приложение 9. 274
Приложение 10. 278
•1
Введение
По мере развития науки и техники конструктивно совершенствуются машины и приборы, повышаются требования к долговечности и надежности узлов и их деталей. В связи с этим непрерывно растут и требования, предъявляемые к точности изготовления и качеству поверхности деталей.
Детали на производстве изготавливают последовательной обработкой заготовок в результате осуществления технологических процессов. 11еобходимо отметить, что в результате предварительных операций: литья, обработки давлением - возникают погрешности и дефекты, которые являются столь значительными, что для обеспечения заданного качества деталей во многих случаях необходимо применять уточняющие процессы, называемые процессами размерной и финишной обработки поверхности. 11роцессы размерной обработки материалов резанием еще долгое время будут являться основными и эффективными способами финишной обработки деталей в технологии машиностроения, поскольку другие виды обработки либо слишком дорогостоящи, либо не позволяют достичь необходимого качества обрабатываемых деталей.
Процесс обработки детали на металлорежущем станке (MPC) является исключительно сложным, до конца не изученным и сочетающим в себе механическое взаимодействие всех подсистем станка и обрабатываемой детали, а также физико-химические процессы, протекающие в зоне резания, и релаксационные процессы, имеющие место в обрабатываемой детали. Все указанные процессы вносят свой вклад в формирование обрабатываемой детали, влияя на ее качество. По этой причине исследования и разработки, направленные на изучение процесса резания, всегда актуальны для станковедення и являются независимым направлением исследования в этой области знаний.
В последнее время, в связи с массовой автоматизацией производства, особый интерес проявляется к использованию MPC в составе гибкою автоматизированного производства (ГАП), что требует разработки
5
автоматических систем диагностики процесса обработки, включаемой в состав системы универсального числового программного управления (УЧНУ), позволяющих улучшить качество изготавливаемых изделий. В данный момент наиболее перспективными являются универсальные дистанционные системы диагностики процесса обработки, функционирующие в реальном масштабе времени и выполненные либо как сопроцессор в многопроцессорной системе ЧПУ, либо как диагностический модуль (модули) в локально - распределенной системе УЧНУ ГАП. Увеличение скорости, производительности и объема памяти в микропроцессорной технике определили возможность использования в системах диагностики реального времени специализированных процессоров обработки сигналов, а также достаточно сложных алгоритмов обработки, что дает возможность более точно учитывать физику процессов, происходящих при резании, что в свою очередь уточняет процесс диагностирования.
В последние 20-30 лет в станковедении сформировалось научное направление, раскрывающее динамику MPC. При этом показано, что изучение закономерностей процессов, возникающих при резании, должно происходить на основе представления о металлорежущем станке, как о единой динамической системы, в которую этот процесс входит в качестве дополнительной динамической связи. Необходимо заметить, что все процессы, происходящие при резании (тепловые, силовые, процессы трепня и изнашивания и прочие) имеют единую физическую природу и взаимосвязаны между собой, поэтому раскрытие их может осуществляться на основе ограниченного количества параметров, поддающихся регистрации па основании известных методов.
Таким образом, проблема изучения и диагностики системы резания непосредственно связана с решением проблемы изучения взаимосвязей, формируемых в замкнутой динамической системе станка. Необходимо также отметить, что на формирование конечной детали влияют стохастические процессы, которые в спою очередь увеличивает энтропию всей системы MPC.
Особый интерес представляет мало разработанное в отечественной и мировой практике направление, изучающее “шум” процесса резания, который,
6
несомненно, содержит огромное количество информации о процессах, происходящих в зоне резания.
При рассмотрении динамической системы резания, как сложной самоорганизующейся системы с высокой (и изменяющейся во времени) энтропией, возникает вопрос о зависимости сил, определяющих поведение процесса резания, от координат движения инструмента, а также формирования динамических смещений инструмента, которые, в конечном счете, определяют точность изготовления детали. При этом необходимо отметить, что источником этих смещений является не только упругое смешение, обусловленное квазистатичсскими нагрузками на инструмент в результате контактных явлений при резании, но и смещения, определяемые динамическими явлениями, возникающими в результате взаимодействия инструмента и детали и т. д. Все это говорит о том, что необходимо производить детальное исследование нелинейных эффектов, возникающих при резании.
Актуальным вопросом повышения качества производимых изделий, а также их себестоимости является процесс износа инструмента. В связи со сложными процессами, происходящими при износе инструмента, последний по-прежнему остается малоизученным. При этом, как и для процесса резания, для развития износа не существует единой динамической модели.
Все это в совокупности позволяет развить научное направление исследований в области износа инструмента, а также в области изучения динамической точности обработки металлов резанием. Содержание последнего, на наш взгляд, должно определяться изучением нелинейных связей, формируемых процессом резания, с целью создания универсальных систем диагностики процесса обработки на MPC. Именно эти вопросы являются предметом изучения в диссертации и имеют важное научное и промышленное значение.
Новизна результатов заключается в следующем:
I предложен новый подход к представлению динамической модели MPC, заключающийся в представлении се в виде двух подсистем «быстрых» и
7
«медленных» движений с последующей идентификацией подсистемы «быстрых» движений;
2 на примере динамической системы резания на MPC выявлены основные закономерности отображения динамических характеристик системы, а также изменение динамических характеристик процесса резания в фазовом пространстве;
3 предложен алгоритм идентификации динамической системы MPC в виде системы уравнений второго порядка на основе использования авторегрессивного анализа и метода наименьших квадратов;
4 определены и исследованы две основных части отображения сил резания в фазовом пространстве, в частности, исследована «область
нечувствительности» системы MPC и пространство вне «области
нечувствительности»;
5 проанализировано влияние отображения силовой эмиссии процесса резания на динамическое смещение инструмента в процессе резания, а также возможность идентификации последней по этим отображениям.
6 проаиатнзирована возможность моделирования процесса износа инструмента на основании интегральных операторов, запаздывающих не по времени, а по перемещению инструмента относительно обрабатываемой детали, а также возможность предсказания износа по полученным
характеристикам;
7 разработаны методики и алгоритмы, позволившие идентифицировать параметры ядер интегральных операторов, положенных в основу
идентифицируемой функции моделирования износа инструмента;
8 выявлен ряд ранее неизвестных закономерностей развития процесса резания, в частности, определено, что:
- динамическое смещение является функцией сил, формирующихся на передней
грани режущего инструмента;
- имеется связь между' характеристиками «зоны нечувствительности» и износом
инструмента;
8
- имеется взаимосвязь между «быстрыми» движениями в направлении обрабатываемой детали и динамическим смещением инструмента, являющееся следствием нелинейных эффектов, возникающих на задней грани инструмента;
9 разработаны и доведены до практической реализации отдельные подсистемы и методики автоматической системы динамической диагностики процесса резания и диагностики износа режущего инструмента на базе процессора обработки сигналов ADSP-2105 и портативной микроЭВМ. Эти подсистемы в составе системы многофункционального мониторинга динамического качества MPC внедрены на ФГУП "Азовский оптико - механический завод" (АОМЗ).
Реализация результатов работы. Эффективность и работоспособность новых принципов динамической диагностики процесса обработки на MPC была апробирована п рамках программно - аппаратного комплекса многофункционального мониторинга динамического качества MPC на Азовском оптико - механическом заводе (АОМЗ приложение 1 ).
Основные результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований. Результаты научных исследований, включающие математические алгоритмы идентификации динамической системы станка, идентификации агрегированных координат, нелинейных зависимостей динамического смешения инструмента относительно точки равновесия получены на основе теории динамики машин, положений теории колебаний, теории резания, теории цифровой обработки сигналов и цифровой фильтрации, статистической радиотехники и радиофизики, теории случайных процессов, методов наименьших квадратов.
При этом использованные методы анализа представляют собой адаптированные к особенностям диагностируемого процесса методы динамического и статистического анализа, реализованные либо оригинальными программными средствами, разработанными в лаборатории микропроцессорных систем диагностики ДГТУ (при участии автора), либо реализованные в виде функций для математического пакета MatLab. Основная часть исследований проводилась на токарном станке УТ16ФЗ-01 в условиях ДГТУ и в условиях Азовского оптико - механического завода АОМЗ (г.Азов)
9
мри помощи автоматизированного испытательного программно - аппаратного комплекса на базе портативной ЭВМ IBM PC 586 и плат Л ЦП типа АЦП 12/30 и L-305 под управлением процессора цифровой обработки сиг налов ADSP-
2105.
По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ: из них - 2 на международной конференции, 2 - в российской центральной печати, 1 - на всероссийской научно-технической конференции, I - в межвузовских научных сборниках. Среди них в работе:
- |42] автору принадлежат математические алгоритмы восстановления переменных составляющих сил и фазовых координат, на основе численного интегрирования и метода наименьших квадратов, а также построение аппроксимаций силовых потенциалов в фазовой плоскости;
- [63] автору принадлежат математические алгоритмы процедуры разделения движений во взаимосвязанной системе дифференциальных уравнений динамики процесса резания, а также методика идентификации ядер операторов прогнозирования износа;
- [118] автору принадлежат алгоритмы обработки временных рядов на основе использования метода наименьших квадратов и авторегрессионого анализа, а также алгоритм статистической обработки остатков модели.
Результаты работы были доложены на двух Межгосударственных научно-практических конференциях «Проблемы проектирования и управления экономическими системами» в г. Ростове - на - Дону в 1998 г. и 1999 г.
Диссертационная работа изложена в 1 книге на 281 странице машинописного текста. Она включает в себя введение, четыре главы основной части, заключение, общие выводы, список литературных источников из 250 наименований, 10 таблиц, 120 рисунков, приложения на 40 страницах, содержащие дополнительное описание автоматизированного программно -аппаратного комплекса для проведения экспериментальных исследований и оригинальные программы для ЭВМ.
13 первой главе изложен анализ и состояние вопроса о динамической диа in ости ке состояния процесса резания на MPC, к том числе проанализирована современная теория процесса резания, современные представления о динамике металлорежущих станков, рассмотрены актуальные
ю
методы идентификации динамической системы металлорежущего станка, приведены факторы, требующие учета при создают системы динамической диагностики процесса резания, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе изложен теоретический анализ построения динамической системы металлорежущего станка, приведенной к точке контакта инструмента с обрабатываемой деталью. В ней высказана идея о представления динамической системы станка в виде нескольких подсистем, в частности рассмотрен случай двух подсистем («быстрых» и «медленных» движений), и идентифицирована системы «быстрых» движений. Разработана методика выявления взаимосвязи сил с фазовыми координатами при резании. Па се основе выявлены закономерности формирования сил в процессе резания, а также предложена методика разделения фазовой плоскости на две части, идентификация каждой из которых может осуществляться отдельно. Кроме этого глава включает в себя описание экспериментального стенда и методики проведения экспериментов.
Третья глава посвящена исследованию возможности моделирования процесса износа инструмента в виде интегральных операторов с идентифицируемыми ядрами - агрегированных координат, формируемых в виде работы и мощности диссипативных сил. Предложен алгоритм и описаны методики идентификации отдельных ядер как функций, запаздывающих относительно пути, пройденного инструментом, и функции износа в целом. На основе изложенного материала построена система диагностики износа режущего инструмента, здесь же приведены алгоритм функционирования и структурная схема последней.
В четвертой главе исследованы вопросы взаимосвязи динамического смещения точки равновесия с развитием колебаний инструмента в направлении передней и задней граней инструмента, а также решены вопросы ее идентификации на основе текущих параметров системы. Здесь же приведены алгоритм функционирования и структурная схема системы управления точностью изготовления изделий.
Работа выполнена на кафедре "Автоматизация производственных процессов" ДГТУ в течение 1997-2000 гг.
II
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования.
Основным предназначением металлорежущего станка является
изготовление деталей с заданными показателями качества при обеспечении минимальной себестоимости приведенных производственных затрат, поэтому вопросы повышения точности, производительности и надежности MPC всегда были актуальны для станковедения. В связи с этим можно обозначить следующие основные направления решения этой проблемы:
- конструктивное совершенствование металлорежущих станков в целом и отдельных их подсистем;
- совершенствование режущего инструмента и технологических сред, в которых осуществляется обработка;
- совершенствование системы управления рабочими формообразующими движениями инструмента относительно детали, в том числе его приводов, системы управления рабочими перемещениями.
Необходимо заметить, что в мире основная часть производства (до 80%) [36] приходится на штучное и мелкосерийное производство, наиболее эффективно реализуемое на перенастраиваемых автоматических линиях. Поэтому можно с уверенность говорить о том, что доля автоматизированных станочных систем со сложными распределенными и универсальными системами ЧГ1У будет возрастать среди общего парка MPC. Это обстоятельство определяет актуальность разработки систем диагностики, увеличивающих надежность и качество функционирования станков.
В последнее время превалирующим направлением в развитии станочного производства является совершенствование систем управления на базе ЧПУ. Рассматривая различные реализации систем ЧПУ с точки зрения состава, можно классифицировать их на три [151] класса:
1 однопроцессорные моноблочного исполнения;
2 многопроцессорные блочного и блочно - модульного исполнения (с независи м ы м и п роцессорами);
3 многопроцессорные локально - распределенные модульного исполнения.
13
Причем в настоящее время происходит вытеснение однопроцессорных систем более профессивными системами управления 2 и 3 классов. Это связано с тем, что в многопроцессорных системах за счет включения в состав ЧПУ процессорных модулей управления приводами можно существенно увеличить число управляемых координат, при атом использование процессорного модуля управления дисплеем позволяет обеспечить интерактивный режим работы, визуализацию траекторий, а также упростить диагностику и наладку станочной системы. Многопроцессорные системы позволяют организовать многопрофаммную обработку различными шпинделями, с перемещением каждого шпинделя по своей программе.
Системы ЧПУ второго класса (многопроцессорные блочно-модульные) могут быть организованы либо по равноправному принципу (когда процессоры в системе ЧПУ имеют одинаковый приоритет), либо по подчиненному принципу, когда один из процессоров является управляющим (ведущим), а остальные - ведомыми, работающими под его управлением.
В рамках совершенствования систем управления в особое направление выделилось создание адаптивных систем и комплексов диагностики и управления процессом резания в реальном масштабе времени. В связи с повышением вычислительных мощностей универсальных компьютеров приоритетным стало направление создания систем класса “РС N0”. Данное направление позволяет создавать гибкие автоматизированные системы, позволяющие производить диагностику процесса резания по различным иарамефам, а также по ее результатам выдавать управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Современные технологии управления позволяют на системном уровне обеспечить максимальную гибкость и перенастраиваемость программной среды для решения различных задач управления.
Анализируя состав современных систем управления, можно сделать вывод, что основная вычислительная нафузка перераспределяется на микропроцессорные блоки, отвечающие за интерполяцию и подготовку кадров
13
программы [160], от которых, главным образом, и зависит качество изготавливаемого изделия. Это определяет первоочередное развитие блоков управления и автоматической диагностики для повышения качества обработки. Две описываемые в данной работе универсальные системы диагностики концептуально представляет собой сопроцессор УЧПУ, включаемый в блок управления и производящий диагностику процесса обработки.
В этом направлении работает множество исследователей в частности нашего университета - А. Д. Лукьянов. С. А. Болдырев, С. К. Отаров и др. В основном эти работы посвящены созданию компьютеризированных комплексов, позволяющих диагностировать и корректировать процесс обработки деталей, при этом управляющие функции несет на себе УЧПУ.
Непосредственными задачами, решаемыми при помощи подобных комплексов, является прогнозирование, диагностирование состояния конкретного станка и всех его рабочих органов, а также управление процессом резания и качеством изготавливаемых изделий. Необходимо отметить, что указанные действия должны протекать в реатьном масштабе времени, то есть задержка между получением информации и выдачей соответствующего управляющего воздействия должна быть минимальной.
Таким образом, для решения проблемы управления качеством изготовления деталей на металлорежущих стайках и диагностики состояния инструмента особое внимание необходимо уделить знанию динамических и конструкторских особенностей конкретного станка, а также динамических процессов, сопровождающих функционирование станка. Такая информация и является необходимой и достаточной для диагностики и прогнозирования точности обработки деталей и износа инструмента на конкретном станке непосредственно в процессе резания.
1.1. Динамическая система металлорежущего станка по отношению к процессу резания.
Динамика металлорежущих станков является одним из основных направлении современной теории машиностроения. Над решением вопросов
14
поведения динамической системы станок - приспособление - инструмент -деталь (СПИД) работали и работают многие российские и зарубежные исследователи. В частности, необходимо отмстить ряд основных работ, которые являются основополагающими при исследовании вопроса динамики металлорежущих станков. Это работы: Н.С. Лчеркана (4|, В.JI. Вейца [33,120), И.Г. Жаркова [28], В.Л. Заковоротного [41.45.46,49), В.В. Зарса [70), В.В. Каминской (72,73,76). С. С. Кедрова [781, К.С. Колева (80,81,82,), В.А. Кудинова (87,88,89,90.152), Г. Г. Палагнюка [130 - 132], А.И. Левина [95,96),
З.М. Левиной [97), Л.С. Мурашкина (114), В.А. Остафьева [124,142], В.Н. Подураева (133-136), A.C. Пронникова [140,141,163], В.Э. Пуша [145-147], A.B. Пуша [143,144], Ж.С. Раввы [149], Д.И.Решетова [37], Ю.Н. Санкина [1551, B.C. Хомякова [170], Блэка f 12.131 и многих других исследователей [18.19.26,32,57,122,159,166,172,177,187,188,199,203,210,213,220,237,240,241]. Приведенные исследования велись в двух основных направлениях: это исследование динамических характеристик станка и динамической характеристики процесса резания.
В настоящее время основным положением динамики станков является представление динамической системы станка в виде сложной пространственной совокупности подсистем, объединенных динамическими связями, формируемыми различными физико - механическими процессами, возникающими при резании, включая процессы резания и трения. Изучение взаимосвязи движения координат станка и процессов, возникающих при резании, - одна из фундаментальных задач исследования динамики станков.
Одним из основных направлений анализа динамики процесса резания являются фундаментальные работы В. А. Кудинова и представителей его школы [87-90,92.113,152,171]. Данные работы базируются на представлении динамической системы станка как сложной многоконтурной замкнутой системе с внутренним источником энергии. В них показано, что именно изменение плошади срезаемого слоя ведет к изменениям силы резания. Одной из особенностей этой взаимосвязи является запаздывание силы резания
15
относительно площади срезаемого слоя (38, 70, 88, 136), при этом указанная связь может являться нелинейной (47, 136], что свидетельствует об
инерционности процесса резания. Приведенные выше свойства динамических взаимосвязей, определяемых процессом резания, позволили сформулировать и исследовать такие качественные характеристики, как
- динамическая устойчивость процесса резания;
- формирование автоколебаний - устойчивых предельных циклов;
- переходные процессы, возникающие при резании [111].
Решение задачи анализа процесса резания, предложенное В.А. Кудиновым, базируется па комплексном подходе автора к анализу динамической системы станка, где последний рассматривается как сложная многоконтурная система, объединяющая упруго - диссипативную систему станка, процессы трения и резания, а также электромеханические процессы в приводах. Необходимо отметить, что основополагающие определения динамической характеристики металлорежущего станка, предложенные В.Л. Кудиновым, и в настоящее время сохранили свою актуальность и получили большое распространение во многих работах других исследователей [18,41,45,46,49]. В указанных зрудах советских и зарубежных исследователей упруго - диссипативная суппортная система рассматривается как пространственная упруго - диссипативная конечномерная структура, в которой направление колебательных смещений вершины инструмента относительно обрабатываемой детали может не совпадать с направлением силы, определяющей эти колебания.
В связи со сказанным выше, исследования динамической системы металлорежущего станка направлены на построение станка с заданными динамическими характеристиками (220,221,231,236] и с использованием этой динамической характеристики для управления процессом резания и качеством обрабатываемой детали. Решение указанной задачи может осуществляться поэтапно на различных стадиях его разработки, например:
16
- на этане проектирования станка выполняется расчет собственных частот колебаний основных конструкционных элементов металлорежущего станка на основании чертежей станка и расчет влияния тепловых потоков, приводящих к деформации элементов станка (здесь можно отметит ь исследования Л. В. Пуша [143], В. С. Хомякова, С. И. Досько и Лю Цзой (170], и др.[ 28, 30, 92, 97, 147, 171, 180, 189, 209, 212, 232, 233, 239,245]);
- на этапе проектирования систем управления процессом обработки (29, 194, 238];
- при адаптации системы диагностики к конкретному станку [211,236] во время его эксплуатации и так далее.
На практике построение динамической системы станка осуществлялось на основе следующих представлений о динамике станков.
1. Динамическую систему станка апроксимировалась одним колебательным звеном (7,34,158] при этом математическая модель рассматривалась как линейная система с сосредоточенной массой. В этих работах рассматривается жесткость упруго-диссипативной системы станка (СПИД), где под жесткостью системы СПИД понималось, для токарной обработки, отношение полной силы резания РУ к смещению по оси ОУ , вызванному приложением этой силы.
2. Динамическая система станка рассматривалась как двумерная. Этот подход к рассмотрению динамики станков изложен в работе В.А. Кудинова (88]. Плоскость подсистемы расположена перпендикулярно оси вращения детали, оси коллииеарного и ортогонального направления образуют эллипс жесткости. Для определения центра- жесткости В. Л. Кудинов использовал метод "пеленгации", который основан на возбуждении упругодиссипативной системы по различным направлениям, и на основе реакций делалось заключение о расположении осей эллипса жесткости и месте расположения центра жесткости.
3. Динамическая система станка представлялась в виде пространственной структуры, имеющей три степени свободы, при этом на каждой из
17
ортогональных осей жесткости в этой структуре располагались упруго-лиссипативные элементы. Такой подход к рассмотрению динамической системы токарної о станка изложен в работах В. J1. Заковоротного [43].
4. Одним из новых подходов к рассмотрению динамики токарного станка является описание динамической системы как системы, состоящей из набора сосредоточенных масс абсолютно твердых тел и жестких стержней, связанных между собой невесомыми пружинами [24, 28, 30, 48, 74, 86, 87, 92,97, 111, 143, 152, 155, 170, 171, 173, 180, 182, 189, 209, 212, 220, 231 -233, 239, 241, 245J, при этом число степеней свободы не ограничивается. Во временной области такая упругая система моделируется системой дифференциальных уравнений, а анализ в фазочастотно» области проводится по амплитудо-фазо-частотным характеристикам (АФЧХ) [88,123,155,231].
5. В том случае, когда гребустся уточнение динамических моделей MPC, динамическую систему рассматривают как систему с распределенными параметрами, для анализа которой используется метод конечных элементов [97, 189, 246J, нмпедансного анализа [209] и модального анализа [28, 170, 182, 212, 217, 228, 239, 289), что позволяет выявлять и прогнозировать динамическое поведение отдельных элементов станка во взаимосвязи со всей конструкцией в целом [28, 170]
6. За рубежом широко распространен также "Метод моделирования системы но динамическим данным" [178,197.246], который является некоторой модификацией классического динамического и модальною анализа [179,193], широко используемого в динамике машин и станков (11, 28. 35, 52, 186, 212, 217, 228, 239], однако он не даст принципиальных вышрышей по сравнению с другими методами анализа.
Анализ приведенных в литературе моделей показывает, что динамическая система станка представляет собой сложную пространственную упругодиссипативную систему, для изучения динамических свойств которой достаточно широко применяются “классические” методы анализа временных
IK
последовательностей, случайных процессов, методы корреляционно -спектрального анализа [8, 108, 109, 121, 128, 156, 181, I82J, как, например, сделано в {17, 22, 23, 27, 45. 48. 53, 54. 66. 67. 69, 75, 84. 85, 92, 105, 107, 110, 123, 139, 154, 161, 179, 186, 193, 208, 229, 233, 242, 243, 244, 250], а также анализа временных последовательностей и случайных процессов (7, 8. 41, 49, 108, 109, 121, 181, 182]. .При этом, особое внимание следует уделить рассмотрению динамической характеристики MPC как некоторого динамического преобразователя сил в линейные (а также крутильные) колебания, что, на наш взгляд, позволяет говорить о существовании "преобразующей системы станка", и рассматривать динамическую систему MPC как некий преобразователь, действующий на физико - механические процессы, протекающие при резании, в результате чет формируется обрабатываемая деталь.
Также можно выделить одно обстоятельство, объединяющее большинство исследований. Практически нет работ, в которых бы не проводился общий анализ динамической системы, приведенной к процессу резания, во взаимосвязи с качеством станка и обрабатываемой детали. Обычно исследователи ограничиваются рассмотрением шпиндельной грУппы как самостоятельной подсистемы, отделенной от суппорта процессом резания и базирующейся на станине. Из числа работ, посвященных исследованию динамики станков, можно выделить ряд работ, авторы которых приводят свои рассуждения и выводы, опираясь на взаимосвязь всех подсистем [182]. В работе [21| проведено исследование движения динамической системы станка, содержащей шпиндель, заготовку и задний центр, перемещающейся под воздействием случайной силы резания. Этот подход является перспективным и интересным с позиции диагностики и прогнозирования качества изготовления деталей на станках токарной группы.
Па основе приведенного выше материала можно сделать вывод о наиболее важных свойствах динамических систем станков токарной группы, которым должна удовлетворять математическая модель:
19
- динамическая система станка имеет несколько степеней свободы, причем это пространственная система, поэтому необходимо учитывать именно пространственные колебания;
- силы, действующие на инструмент, вызывают смещение вершины режущего инструмента относительно обрабатываемой детали, эти смещения имеют колебательный характер, и они могут не совпадать с направлением действия сил;
- направления основных векторов упругой и диссипативной подсистем станка могут не совпадать, при этом сами вектора указанных подсистем не образуют ортонормированный базис;
- необходимо учитывать зависимость силы резания от величины срезаемого слоя, результатом этой зависимости является запаздывание силы резания относительно площади срезаемого слоя, что, говорит об инерционности процесса резания;
- динамическая модель стайка должна учитывать влияние всех контуров, формируемых динамической системой станка и оказывающих влияние на обрабатываемую деталь;
- увеличение точности модели, описывающей динамическую преобразующую систему станка, зависит от количества степеней свободы системы, но это также увеличивает и сложность решения.
Моделирование динамической характеристики основано на идентификации се параметров. Однако до сих пор, несмотря на большое количество исследований, посвященных этому вопросу универсальной динамической модели MPC, а также алгоритма идентификации, всесторонне удобного для промышленного использования, не разработано. При этом следует учитывать, что каждый станок обладает индивидуальностью динамической системы, причем последняя может меняться (эволюционировать) в ходе эксплуатации, например, во взаимосвязи с текущим техническим состоянием станка и износом его отдельных узлов и элементов (55).
20
Необходимо отметить, что не только динамическая система металлорежущего станка определяет качество изготовления детали. Огромную роль в формирование качества изготовления вносит сам процесс резания, точнее совокупность физико-механических процессов, происходящих как в зоне резания, так и за ее пределами. Необходимо учитывать сложную динамическую связь, формируемую процессом резания в упругодиссипативной преобразующей системе станка. 'Этому вопросу посвящены работы и фундаментальные исследования, произведенные известными советскими учеными: В. Л. Вейцсм, И.Г. Жарковым, В.В. Зарсом, В.Л. Заковоротным, В.А Кудиновым. В.В. Каминской, А.И. Кашириным [77) , Л.К. Кучмой [126|, Л.С. Мурашкнным [114], В.А. Остафьсвым, В.Н. Подурасвым, Ю.Н. Санкиным, А.П. Соколовским [158], М.Е. Эльязбсргом [174,175], а также ряда зарубежными исследователями: Лемоном, Тлустым, Ломбардом,
Мирским, Опитцем, Полачеком, Тобиасом, Мерритом, Блэком [12, 13, 122. 177, 187, 188, 199, 203, 210, 213, 231, 234, 235, 237]. Из результатов этих исследований следует, что процесс резания, воздействуя на упруго -диссипативную систему станка и формирует динамическую связь, которая, в свою очередь, перестраивает всю динамическую систему.
В связи с изложенными выше представлениями о природе формирования и действия сил резания, можно выделить следующие основные взгляды.
1. Первый основан на гипотезе запаздывания сил резания по отношению к площади срезаемого слоя, что впервые показал В.А.Кудинов [88], а впоследствии был детально доработан рядом других исследователей [38, 45, 47, 49, 50. 93, 162, 174, 222]. В этих работах основной акцент ставился на анализ причин возникновения автоколебаний в системе резания. При этом возникновение запаздывания моделировалось как апериодическое звено первого порядка [А1], однако данное предположение было справедливо лишь в ограниченном частотном диапазоне и не согласовалось с результатами экспериментальных исследований [38, 47, 49, 70, 174|. Другими вариантами построения матсматнчиских моделей запаздывания
2)
были представление как звена чистого запаздывания (38,70.174.175] и модель звена с чистым запаздыванием и коэффициентом перекрывания трассы с предыдущим оборотом [29, 181, 194, 238].
2. Зарубежные исследователи и до настоящего времени используют и развивают [185,204] теорию “регенерации процесса резания”, предложенную
Н.Е.Мерритом [210], определяемую резанием по следу и предназначенную для определения областей устойчивости процесса резания, то есть его качества. Однако зга теория имеет ряд принципиальных ошибок, на которые указал профессор В.Л.Заковоротный еще в 1980 г.
3. Необходимо отметить ряд исследований, в которых делается акцент на наличие “пели гистерезиса” на прямом и обратном ходе инструмента, как показано в работах [38. 119, 142], что свидетельствует о пространственном запаздывании силы резания относительно изменения площади срезаемого слоя. Этот подход, на наш взгляд, является интересным и перспективным
4. Необходимо отметить целый ряд работ, посвященных вопросам включения динамической характеристики процесса резания в замкнутую динамическую систему станка [179,193]. При этом динамическая характеристика процесса резания моделируется, основываясь на представлениях о квазистатическом поведении станка и геометрии режущего инструмента [74,94,205,242,243], а запаздывание силы резания относительно изменения площади срезаемого припуска учитывается путем экспериментальной идентификации этой зависимости.
5. Интересным и принципиально иным является подход разложения силы на две композиционных составляющих, одна из которых - результат влияния смещений режущего инструмента относительно обрабатываемой детали на силу резания, а другая является шумом процесса резания [21,41,45,46,49,50].
6. Наиболее интересным и перспективным является подход, предложенный Блэком [12, 13], в этих работах автор указывает на формирование пространственных периодичностей при формировании функции резания.
22
Основным фактором, объединяющим все перечисленные исследования, является зависимость силы от смещения вершины инструмента относительно обрабатываемой детали, при этом динамическая характеристика резания является заданной и не зависит от свойств упруго диссипативной системы металлорежущего станка. Однако следует отмстить тот факт, что процесс резания оказывает диссипативное влияние на колебания инструмента, что сказывается на качестве обработки, ранее в исследованиях не упоминалось о данном обстоятельстве. Также следует обратить внимание на несгационарность формируемой процессом резания динамической связи, что требует, в свою очередь, введения составляющей силы резания, которая будет учитывать, например, такие явления, как: срыв нароста, процесс стружкообразовапия, формирования поверхностей скольжения и текучести. Обычно исследователи игнорировали факты возникновения автоколебаний в системе, то есть рассматривалось так называемое "стационарное" резание, а как следствие предполагалось наличие сливной стружки, что в реальных условиях не всегда справедливо. Но уже известен ряд исследований в направлении учета влияния стохастических составляющих сил резания, возникающих в результате неоднородности физико-механических свойств поверхности заготовки [3, 58, 247].
В результате вышеперечисленных исследований можно сделать вывод о том, что для математического моделирования динамической характеристики процесса резания необходимо учитывать взаимосвязь инструмента с обрабатываемой деталью, например, ее можно представить в виде вектора функционалов, связывающих трехмерные векторы смещений и скоростей вершины инструмента относительно обрабатываемой детали в трехмерный вектор силы, формируемый процессом резания.
Таким образом, задачу диагностики процесса резания необходимо решать в два этапа:
- на первом этапе должна быть идентифицирована динамическая модель станка, приведенная к процессу резания, при этом с целью упрощения
23
исследования динамическая модель может быть разбита на две подсистемы на "подсистему быстрых движений” и “ подсистему медленных движений ” речь о них пойдет позже;
- на втором этапе должна быть идентифицирована модель процесса резания во взаимосвязи с динамической моделью станка, при этом, должны быть учтены все нелинейные эффекты, возникающие в процессе стружкообразовання и влияющие на качество обрабатываемой детали.
Решение этих двух вопросов является фундаментальной основой создания системы диагностики процесса обработки на металлорежущих станках.
1.2. Понятие качества обрабатываемой детали. Исследовании, диагностика, управление качеством обработки.
Перед началом исследования вопроса качества изготовления изделий на металлорежущих станках токарной группы необходимо дать понятие "качества" изготавливаемых изделий. Под качеством изготовления изделий будем понимать[91) "обусловленную назначением способность обрабатывать детали с заданной точностью, производительностью и надежностью при минимальной себестоимости". Данное понятие будем считать как общее, учитывающее все множество характеристик, которым должен удовлетворять станок для обеспечения отмеченных выше способностей. Из основных характеристик показателей геометрического качества обрабатываемой детали можно выделить наиболее важные: отклонения размеров и формы и параметры шероховатости [ 176].
Анализируя общее состояние вопроса о качестве изготовления деталей можно выделить следующие основные направления в исследованиях.
1. Исследования, в которых анализ характеристик качества изготавливаемых изделий носит обособленный от процесса резания характер [213,235]. В них авторы не учитывают нелинейные связи, формируемые процессом резания.
2. Исследования, в которых в том или ином виде учитывался процесс резания [104.197,212,233]. В этих работах авторы исследовали влияние процесса
24
резания на формирование профиля поверхности обрабатываемой детали и геометрии режущего инструмента. Сюда же можно отнести работы, авторы которых [226] ограничивались рассмотрением динамической системы станка и процесса резания, как системы, в которой геометрические параметры детали формируются главным образом геометрией резца, физико-механическими свойствами обрабатываемой детали, скоростью и неравномерностью подачи, неравномерностью частоты вращения шпинделя и параметрами динамической вибрации станка, что собственно, по их мнению, и вызывает смещение инструмента относительно обрабатываемой детали. Продолжением этих работ можно считать исследования силовых воздействий в зоне резания на геометрические параметры обрабатываемой поверхности [12, 182] на основе оценивания параметров профиля поверхности [216,215], в частности, проводится кинетостатнческий анализ зависимости вероятностных характеристик профиля от оборотной подачи, силы резания и геометрии резца, что, в принципе, не дает представления о действительных силовых процессах, происходящих в зоне резания.
3. Исследования, в которых учитывалась динамика металлорежущего станка. Здесь можно отметить работы Гошнова [236], Тлустого[231 ], Рамамурти [221]. В этих работах авторы определяют приоритетные задачи управления точностью геометрических размеров с позиции динамики процесса резания во взаимосвязи с текущим техническим состоянием металлорежущего станка. Сюда же можно отнести работы зарубежных авторов [218], в которых предлагается использовать параметры качества обработанной поверхности для приемо-сдаточных испытаний станков и выявления изменения состояния станка в процессе тестирования с дальнейшим установлением источников, вызывающих изменение. Используя этот метод, отечественные исследователи в ЭНИМСс разработали комплекс [139] с несколько большими потенциальными возможностями. Он использует методы спектрального анализа поверхности детали для технической диагностики металлорежущего станка. Таким образом, суть предложенной
25
методики - вычисление зависимости между конечным состоянием обработанной поверхности и характеристиками станка. Здесь же следует отметить работт,I В. Д. Кудинова [87, 88, 89, 90, 152], в которых исследуется указанная взаимосвязь, однако в них не учитываются характерные особенности изготовления любого отдельно взятого станка одного и того же типа.
4. Исследования, основанные на нелинейных особенностях формирования зоны резания и, как следствие этого, формирование профиля обработанной поверхности. Однако до настоящего времени этой проблеме не уделялось достаточного внимания. В этом направлении можно отметить работы школы
В. J1. Заковоротного[53,61,63], в частности А. Д. Лукьянова! 102-104, 106], О.
О. Потравко[104,106,137] и др [127, 115]. В трудах этих авторов основной акцент делается на зависимость качества обрабатываемой поверхности от нелинейных связен, формируемых процессом резания. Такой подход, на наш взгляд, является наиболее интересным и перспективным.
На основе анализа указанных научных работ необходимо сказать, что для построения системы идентификации качества изготовления изделий на MPC надо принять во внимание следующие особенности формирования обрабатываемой поверхности:
- параметры конечной системы должны строиться на базе динамической системы станка, при этом необходимо учитывать то обстоятельство, что динамическая характеристика каждого станка является индивидуальной;
- необходимо учитывать упругое смещение, формирующееся под действием сил резания [14, 711 и динамическое смещение [38, 86-90];
- система должна учитывать нелинейные свойства, возникающие при резании, в частности, гистерезисный характер формирования сил по задней грани и перераспределение сил по передней грани.
Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что данная проблема позволяет сформировать новое направление в диагностике
26