CC BY
34
Свиридов С.В.
Саратов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ ОЦЕНОК ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЛОЖНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ И ДИАГНОСТИКИ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
Постоянная необходимость в обеспечении высокого качества деталей, используемых в автомобильной, аэрокосмической промышленности, а также постоянное расширение номенклатуры используемых материалов для резцов и заготовок делает необходимым проведение поиска оптимального режима резания и мониторинг состояния оборудования в реальном времени.
В процессе исследования предметной области были рассмотрены существующие методы оценки процесса функционирования сложного технологического оборудования. Одной из форм представления сложной нелинейной системы является дифференциальное уравнения n-ого порядка вида
<!Пхвь<х (t)
-----еЫх\ ) +
n dtn n
^П ^Хвых (t)
dtn
+... + a
dXebx (t)
dt
+ а0Хвых (t ) = F (Хвх (t) ■ f ) (1)
Для определения порядка этого уравнения необходимо иметь некоторую априорную информацию об исследуемой системе, также коэффициенты уравнения (1) изменяются во времени, так как при смене операций технологического процесса и при воздействии различных возмущений меняется сама структура модели. Например, при изменении силы трения в точке резания меняется температура в этой точке, а также происходит износ режущего инструмента, что приводит к изменению коэффициентов уравнения (1). Более того зависимость между вектором входных параметров и вектором выходных параметров в общем случае является не линейной. Стоит отметить, что исследователями в области технологий и оборудования для механической обработки чаще всего определялись эмпирические модели ограниченной размерности с эмпирическим коэффициентами, полученными для частных реализаций технологического процесса. При исследовании сложных динамических систем необходимо учитывать тонкие процессы влияющие на качество микрогеометрии обрабатываемой поверхности.Эти процессы описываются уравнениями высоких порядков.
Определение решения такого уравнения затруднительно по следующим причинам. Существующие методы исследования в теории нелинейных систем применяются к моделям ограниченной размерности, чаще всего для систем не больше третьего порядка, что не позволяет их использовать для мониторинга. В теории проверки статистических гипотез использование таких критериев как критерий Колмагорова-Смирнова, критерий Пирсона и др. позволяет получить лишь качественную информацию о протекающем при резании процессе. Таким образом, использовать эти критерии для количественной оценки качества процесса обработки не представляется возможным.
В теории управления для исследования нелинейных нестационарных систем во временной области предлагается использовать метод замороженных реакций. Этот метод заключается в представлении системы в некоторые характерные для нее моменты времени в виде некоторой эквивалентной стационарной системы с аналогичной по виду передаточной функцией. Более предпочтительно использовать критерии оценки функционирования сложного технологического оборудования в частотной области, так как при мониторинге изменения критерия в частотной области возможна локализации узла, в котором возникла неисправность.
Для реализации мониторинга качества функционирования сложного технологического оборудования к критериям предъявлялись следующие требования: оперативность, точность, реализуемость оценки в
реальном времени.
С учетом предъявляемых к оценке требования был выбран критерий отношения амплитуд [1]. При резании наблюдается явление перетекания энергии колебаний из низкочастотной области в высокочастотную область.При этом энергия не концентрируется на резонансной частоте линейного элемента, так как степень перетекания энергии характеризуется свойствами нелинейного элемента. Таким образом, энергия распределена по всему спектру частот. Эффект перетекания энергии возникает из-за рассеивания энергии идущей на поддержание колебательного процесса, то есть этот эффект тесно связан с диссипативными свойствами динамической системы. Применяя критерий St можно количественно оценить этот процесс.
Количественно оценка влияния нелинейного элемента может быть представлена в виде формулы [1]
St = (2)
S2
где
m
S = £Ampj (3)
j=1
n
S2 = £Атр^ (4) i=1
где Ampj - амплитуды на значимых частотах спектра, AmPi - остальные амплитуды спектра. При этом оптимальный режим функционирования станка достигается при минимальном значении величины St
St ® min (5)
В работе был проведен анализ различных формул для числителя S. и знаменателя S2 с целью определения наиболее чувствительной формулы для мониторинга и диагностики состояния сложного технологического оборудования в реальном времени. Для исследования было предложено использовать следующие выражения для расчета числителя или знаменателя. n
S = £ Ampj (6)
i =1
1 n
S = — £ AmPi (7) n i =1
S = £ (Amp, - M )2 ,
i =1
1n
M = — £ Ampi (8)
n i =1
Проверка различных комбинаций формул (6), (7) и (8) для числителя и знаменателя формулы (2)
была проведена с помощью сбора экспериментальных данных и последующей ее обработки. В результате
было получено, что использование формулы (7) в качестве числителя и формулы (8) в качестве знаменателя позволяет проводить поиск оптимального режима функционирования станка (рис. 1) кривая 1.
Также проведенные исследования показали что формула
.. M „ 1 у Л
S = —------------, где M = — ^ Amp, (9)
Z (Amp, - M )2 n =
i =1
является чувствительной к параметрическим и функциональным изменениям на низких частотах вращения шпинделя, что позволяет реализовать алгоритм самодиагностики системы при ее функционировании, который заключается в следующем:
Шаг 1. Определение оптимального режима функционирования станка, при котором выполняется
условие (5).
Шаг 2. Отслеживание изменений критерия отношения амплитуд.
Шаг 3. При возрастании критерия отношения амплитуд перевести систему в режим диагностики,
то есть необходимо перевести систему на меньшую частоту вращения шпинделя.
Шаг 4. Оценить изменения проходящие в процессе функционирования по алгоритму, предложен-
ному в [2] .
Шаг 5. Если изменения были параметрическими перейти к шагу 1, иначе перейти к шагу 2.
Нами были проведены исследования различных способов расчет St критерия. При рабочих скоростях вращения шпинделя изменение этого критерия во времени дает более гладкую кривую, то есть на оптимальной частоте разброс значений критерия мал. Это еще раз показывает, что окончательные данные о динамике станка надо получать на рабочих частотах. Неисправности при функционировании станка можно выявлять на низких частотах вращения шпинделя.
Рисунок 1. Изменение St критерия во времени поперечная полача 2 мм/D, продольная подача 0.07 мм/об. 1 - частота вращения шпинделя 800 об/мин; 2 - частота вращения шпинделя630 об/ мин; 3 -частот вращения шпинделя 400 об/ мин; 4 - частот вращения шпинделя 315 об/ мин; 5 - частота вращения шпинделя 200 об/ мин; 6 - частота вращения шпинделя 125 об/ мин
ЛИТЕРАТУРА
1. Бржозовский Б.М., Мартынов В.В., Янкин И.Н., Бровкова М.Б., Динамический мониторинг технологического оборудования - М.: СГТУ, 2008 - 312с.
2. Мартынов В. В., Мартынов П. В., Статистические методы обработки экспериментальных данных -М.: СГТУ, 2011 - 186 с.
