CC BY
21
© Г.А. Борисенко, Г.Н. Иванов, Ю.Н. Тимошенко, 2012
УЛК 621.91
Г.А. Борисенко, Г.Н. Иванов, Ю.Н. Тимошенко
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ С ЗАДАННЫМИ КАЧЕСТВЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ В ГОРНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Использование программных средств для автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки деталей типа тел вращения, разработанных в процессе проведения исследований в области обеспечения требуемого жизненного цикла объектов горного машиностроения, позволяет с определенной степенью инвариантности к характеристикам объектов производства, а также производственных систем разрабатывать и реализовывать процессы управления ими. Последние необходимыI для эффективного решения задач изготовления широкого класса выкокоточной продукции, в частности, с помощью технологий абразивной обработки.
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, заданное качество, моделирование, имитационное моделирование, производственная система, абразивная обработка.
Летали типа тел вращения в горном машиностроении составляют значительную часть. Формирование и управление инженерией поверхности деталей типа тел вращение проходит многоэтапный процесс (жизненный цикл изделия): проектирование, изготовление, контроль, испытание, диагностику состояния, эксплуатационные изменения, ремонт, восстановление и утилизацию. Программные средства, разработанные в процессе проведения исследований в области обеспечения требуемого жизненного цикла объектов горного машиностроения, позволяют с определенной степенью инвариантности к характеристикам объектов, а также производственным системам, разрабатывать и реализовывать процессы управления ими. Последние необходимы для эффективного решения задач изготовления, эксплуатации и реновации ши-
рокого класса высокоточной продукции, в частности, с помощью технологий абразивной обработки.
Своевременное и эффективное решение основных задач горного машиностроения в значительной степени возможно за счет обеспечения уже на этапе проектирования заданных динамических, точностных, качественных, экономических и экологических показателей оборудования, реализуемых на нем технологических процессов (ТП) и производимых изделий при их изготовлении или реновации методами высокоточной механической обработки на станках с ЧПУ. Технологические процессы, как разновидность нелинейных непрерывных динамических объектов, реализуются для достижения определенной цели, как правило, за ограниченное время с требуемой точностью в условиях различных пространственных, времен-
ных, физических, экономических, экологических ограничений.
В работе [1] разработан метод синтеза оптимальных законов управления в замкнутом виде. В работах [2,3,4] представлены результаты реализации метода. В развитие метода синтеза оптимальных законов управления в замкнутом виде была проведена работа по имитационному моделированию инженерии поверхностей деталей подвергаемых механической обработке. Результаты работы апробированы при ремонтно-восстановительных работах на валах дробильно-измельчительного оборудования на СтойлГОК.
Проектирование процессов управления технологическим процессом (ТП) механической обработки обусловлены несовершенством используемого математического аппарата, недостаточной степенью адекватности применяемых моделей объектов и процессов, а также их динамики, нелинейностью взаимозависимостей между их параметрами.
В работах [1,2] представлен метод синтеза и технология проектирования оптимальных законов управления в замкнутом виде. Нелинейная модель динамики технологических процессов обработки деталей типа тел вращения при их изготовлении имеет вид:
x(t) = f(x(t), u(t), t) x(t0) = x0; где x(t), u(t) — соответственно, вектора состояния и управления размерности n, m ; отображение f: Rn х Rm ^ Rn+m является непрерывным. Для решения представленной задачи используются принципы построения и метод синтеза систем управления нелинейными динамическими объектами с учетом нелинейных фазовых ограничений [1]. Алгоритм управления строится в виде u(t) = K (t)x(t) + K2 (t)x(t) + K3 (t), при управлении предполагается измене-224
ние или оценивание размера (параметров) в реальном времени векторов x(t), xX(t). Метод автоматизированного проектирования и имитационного исследования позволяет использовать при синтезе оптимального алгоритма линейные нестационарные модели динамического процесса вида
x(t)=/м (x(t), u(t), t)=A(t)x(t)+mut+at)
и обеспечивать заданные характеристики динамики вектора x(t), в том числе устойчивость и качество переходных процессов, а также требуемые значения его элементов с заданной точностью в заданный момент времени при наличии фазовых ограничений и при условии, что такое решение существует. Для реализации задачи разработан программный комплекс автоматизированного проектирования и моделирования (рис.1) [1,2], основой которого являются программные приложения MathCAD, MathConnex, БД на базе Excel, методология процесса проектирования формализована с помощью IDEF3 диаграмм (рис. 2).
Предложенные математические, алгоритмические и программные средства были использованы при решении задач проектирования и имитационного моделирования оптимальных систем управления нелинейной динамикой нетиповых технологических процессов при круг-лошлифовальной обработки тел вращения в горном машиностроении.
На рис. 3. представлены результаты проектирования технологического процесса круглого шлифования и анализ возможности получения заданного размера обрабатываемой заготовки за заданное время.
Анализ полученных результатов моделирования и проектирования ТП круглошлифовальной обработки позволяет сделать вывод о возможности более эффективного использования
Рис.1. Структура программного комплекса для автоматизированного проектирования ТП абразивной механической обработки
Рис. 2. Структура и технология функционирования подпрограммы ПК автоматизированного проектирования абразивной обработки тел вращения
разработанных средств автоматизированного проектирования и имитационного моделирования для повышения точности и качества обработки изделий типа тел вращения в горном
машиностроении. В процессе автоматизированного проектирования и имитационного моделирования была реализована зависимость между интенсивностью съема металла (объем,
снимаемый в единицу времени, Q) и поперечной подачей при абразивной обработке (рис.4) [4], которая имеет вид:
0= пёдЬ^ы [мм3/мин], (1)
где 0 — интенсивность съема металла в мм3/мин, ёд, Ьд—диаметр и длина обрабатываемой поверхности в мм; tм—поперечная подача в мм/мин. Из формулы (1) видно, что значение минутной поперечной подачи при постоянных размерах обрабатываемой поверхности Ьл и ёд пропорционально интенсивности съема металла. Во врезных круглошлифовальных станках используются следующие схемы поперечной подачи: а) по заданной скорости линейного перемещения; б) по заданному давлениию. При этом врезание осуществляется на ускоренной поперечной подаче, в 3 — 5 раз превышающей значение подачи на последующем этапе обработки. Выхаживание осуществляется при выключенной поперечной подаче за счет предварительно созданного упругого отжатия системы, размер определяет ПАК (прибор активного контроля). Радиальная составляющая силы шлифования Ру вызывает отжа-тие системы у, при ее жесткости ]:
Ру=У (2)
Интенсивность съема металла при прочих равных условиях зависит от радиальной силы, прижимающей шлифовальный круг к обрабатываемой поверхности, можно изложить эту зависимость следующим образом:
1) при осуществлении поперечной подачи под заданным давлением:
tм=K1yoт (3)
2) при осуществлении поперечной подачи при заданном линейном перемещении:
Уо= К2 (4)
где величина показателя степени т колеблется в пределах от 1,1 до 1,5. Исходя из наличия зависимости интенсивности съема металла от радиальной силы, можно использовать дифференциальное уравнение (5) [4], описывающее изменение отжатия и интенсивности съема на протяжении всего рабочего цикла:
ф/ ёт = ± Пм Им (у(т)/уо)т (5)
где у — текущее значение отжатия, а следовательно, и натяга системы при неустановившемся процессе; т — текущее значение времени; у0 — исходное отжатие, характеризующее натяг системы при установившемся процессе; I — отношение номинальной поперечной подачи при врезании или выхаживании к поперечной подаче при установившемся процессе. Первый этап — врезание, во время которого постепенно возрастает натяг и в конце достигает значения исходного натяга системы у0. Дифференциальное уравнение (5) описывает закон изменения натяга в системе и интенсивности съема. При ускоренном врезании имеем 1 > 1. Выхаживанию без поперечной подачи соответствует значение /= 0. Замедленному выхаживанию соответствует значение со знаком плюс, причем имеет место 1>1>0. Ускоренному выхаживанию соответствует значение со знаком минус.
Различные результаты объясняются различными начальными условиями, например, при врезании у=0, т=0; при выхаживании у=у0, т=0 и т. д. На основе дифференциального уравнения (5), предложена методика имитационного моделирования режима круглого врезного шлифования [4]. На рис. 4, 5. представлены результаты имитационного моделирования: модель элементов цикла, рис. 3 и рис. 4 — результаты моделирования
Рис. 3. Результаты моделирования заданного размера обрабатываемой заготовки за заданное время при технологическом процессе абразивной обработки
■ |
1000 2000 X Аюг
Рис. 4. Результаты имитационного моделирования работы двигателя подачи, усилия резания и циклограммы врезного круглошлифовального станка
изменения качественных показателей обрабатываемой поверхности в процессе имитации обработки.
В состав ПК для автоматизированного проектирования технологического процесса обработки деталей типа тел вращения:
6.3 2.652
4.1 2.083
Б :=
2.9 1.54
2.1 0.93
а
1.267 0.743
1.1 0.63
0.35 0.32
0.3 0.16
Рис. 5. Результаты моделирования: а — изменение качественных показателей обрабатываемой поверхности в процессе технологического процесса размерной обработки; б — столбиковая диаграмма матрицы изменения качества поверхностного слоя в процессе механообработки; в — матрица изменения качества поверхностного слоя в 30 формате
1. Иерархический комплекс БЛЭТ — диаграмм. Содержит функциональную и информационную модели структуры программного комплекса, а также БЛЭТ модели проектирования технологических процессов и изготовления деталей.
2. Иерархический комплекс взаимосвязанных через гиперссылки МаШСЛЭ файлов, в которых находится с требуемой для конкретного уровня степенью детализации текстовая и необходимая для проектирования и моделирования расчетная информация об интересующей пользователя компоненте.
3. Совокупность баз данных. В стандартной конфигурации это базы данных по инструментам, материалам, станкам, переходным процессам, полученным при имитационном моделировании динамики элементов оборудования, инженерии поверхностей деталей горных машин и процессов обработки.
4. Интерфейсы: пользовательский, связи с модулем разработки ЧПУ — программ.
Автоматизированное проектирование ТП механической обработки предполагает наличие этапов: формирования моделирующей программы в среде МаШСоппех путем заполнения специально разработанного объектно-ориентированного файла в формате *.тхр соответствующими рассматриваемой задаче блоками; отладки программы, моделирования инженерии обрабатываемой поверхности, ТП обработки и получения ЧПУ-программы. Топология указанного файла соответствует топологии БЛЭТ — диаграмм, формализующих технологию автоматизированного проектирования и имитационного моделирования применительно к конкретной задаче, на рис. 2 [4] представлены результаты моделирования ТП чистовой абразивной обработки.
Предложенная технология автоматизированного проектирования и имитационного моделирования нелинейной динамики процессов изменения инженерии поверхностей деталей горных машин, подвергаемых раз-
1. Акаев. А.Б. Проектирование и моделирование нелинейной динамики технологических процессов в машиностроении. — М.: МГТУ «Станкин», 1999, 222 с.
2. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. — М.: Машиностроение, 2006.
3. Акаев А.Б., Иванов Г.Н. Информационные технологии в нелинейной динамике машиностроительный процессов. В сб.: Научным вестник МГТУ ГА №74 (4) серия Информати-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
мерной механической обработке, позволяет формировать ресурсные показатели обработанных поверхностей и выбирать ТП изготовления и восстановления рабочих поверхностей обрабатываемых деталей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ка. Прикладная математика. — М.: МГТУ ГА, 2004. — С. 53—55.
4. Тимошенко Ю.Н. Технология моделирования изменение качества поверхностного слоя в процессе механической обработки». В сб.: Материалы XI научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Стан-кин»- ИМИ РАН» математическому моделированию и информатике» 23-25 апреля 2008 г., ИЦ МГТУ «Станкин», 2008, с.282 Й2Е
Борисенко Г.А. — кандидат технических наук, доцент, Иванов Г.Н. — кандидат технических наук, доцент, Тимошенко Ю.Н. — преподаватель, МГТУ «Станкин».
А
--РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ГЛАВНОЕ УСЛОВИЕ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕГРАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ -ВОВЛЕЧЕННОСТЬ И МЕТОДИЧНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЕРСОНАЛА ВСЕХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ
(№873/03-12 от 26.12.11, 3 с.)
Кузнецов Ю.Н., доктор технических наук, профессор, Московский государственным горным университет, Гусев А.И., кандидат технических наук ГК «ЮУНИПЭ ЦГТТ» г. Челябинск
Приведены результаты исследования положительного влияния количества вовлеченного персонала всех иерархических уровней на повышение интеграционной способности системы управления промышленной безопасностью горнодобывающих предприятий.
Ключевые слова: горнодобывающие предприятия, промышленная безопасность.
THE MAIN CONDITION OF INCREASE OF INTEGRATION ABILITY OF THE CONTROL SYSTEM OF INDUSTRIAL SAFETY - THE INVOLVEMENT AND METHODICAL INTERACTION OF THE PERSONNEL OF ALL HIERARCHICAL LEVELS MINING ENTERPRISE
Kuznecov Yi.N., Gusev A.I.
The article presents the results of a study of the positive impact of all personnel involved the hie rarchi-cal levels to increase the integration capacity of the system safety management of mining enterprises. Key words: the mining enterprises, industrial safety.
