CC BY
408
УДК 621 941.26.08
М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА ФОРМИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СТАНКА
Предложена методология анализа формирования параметров точности прецизионной обработки, способствующая созданию теоретических основ обеспечения прецизионной обработки на автоматизированных металлорежущих станках повышением точности формообразующих движений рабочих органов.
Автоматизированные станки, прецизионная обработка М^. Vinogradov, A.A. Ignatiyev
METHODOLOGY OF ANALYSIS OF SHAPING THE PARAMETERS OF ACCURACY ON PRECISION PROCESSING ON STAGES OF LIFE CYCLE OF TOOL
Offered analysis methodology of shaping the parameters of accuracy precision processing, creation of theoretical bases for precision work on automated cutting machines by raising the accuracy of shape-generating motions of working organs are under review.
Automated machines, precision work
Обеспечение конкурентоспособности продукции машино- и приборостроения на внутреннем и международном рынках связано с проблемой повышения ее качества. Основной тенденцией развития и совершенствования производства в последние годы является интенсивное внедрение интегрированных систем автоматизации и управления, охватывающих этапы проектирования изделий и разработки технологии изготовления, собственно производства и этап эксплуатации. К этому следует добавить автоматизацию научных исследований, необходимых для организации производства и повышения качества ряда наукоемких изделий. При этом происходит снижение удельного веса операций, основанных на применении физического труда и органов чувств человека. Эти операции заменяются интеллектуальными формами труда с использованием средств вычислительной техники на всех стадиях производства - от проектирования до изготовления [1, 3].
Одной из основных проблем, от решения которой зависит качество продукции, является организация контроля на всех этапах жизненного цикла изделий. Для обеспечения надежного функционирования интегрированной производственной системы необходимо организовать эффективный автоматизированный контроль конструкторской и технологической документации, автоматизированный контроль и диагностирование технологического оборудования, включая режимы обработки и техническое состояние, а также активный контроль качества продукции в процессе изготовления и выходных характеристик готовых изделий. Решение этой проблемы требует учета и анализа
большого числа факторов, определяющих организацию точного и надежного контроля в автоматизированном производстве.
В современном машиностроительном производстве, изготавливающем изделия для развивающихся наукоемких отраслей аэрокосмической, приборостроительной, автомобильной, подшипниковой промышленности и других, наблюдается устойчивая тенденция повышения требований к точности и надежности технологического оборудования. Это обусловлено особенностями эксплуатации прецизионного оборудования в условиях автоматизированного производства, где необходимо сохранять его высокие выходные показатели в течение длительного периода времени функционирования. Указанное объясняется также следующими причинами:
- повышением сложности с полной или частичной автоматизацией оборудования и, как следствие, снижением роли оператора в контроле функционирования;
- повышением интенсивности работы оборудования;
- высокой экономической и технической ценой отказов оборудования при малолюдной технологии.
Возрастающая роль в станочном парке машиностроительных производств автоматизированных прецизионных металлорежущих станков (МРС), обладающих новизной технических решений, и соответствующие условия эксплуатации ставят ряд новых задач в области обеспечения точности обработки и надежности их функционирования. Решение этих задач возможно только в комплексе на основе системного подхода к анализу всех имеющихся на сегодняшний день направлений исследований по проблеме обеспечения технологической надежности и повышения эффективности использования автоматизированного металлорежущего оборудования, включая контроль, диагностирование, испытания и сертификацию станков. При этом рассмотрение проблемы связано со всеми этапами создания МРС и периодом их практического использования (разработка, изготовление, эксплуатация). Кроме того, МРС рассматривается как сложная иерархическая система, на верхнем уровне которой выделяется совокупность трех взаимодействующих подсистем: формообразующая (ФП), управляющая (УП) и вспомогательная (ВП) [5].
С учетом имеющегося опыта исследований разработана концепция системного подхода к организации контроля, диагностирования и испытаний (в дальнейшем в ряде случаев - просто контроля) прецизионных МРС для повышения их точности и надежности в виде многоуровневой структуры (рис. 1). Этапы жизненного цикла станков представлены в ней как уровни организации, причем в них можно выделить подуровни, каждый из которых имеет свой конечный результат [5, 9].
Каждая операция, связанная с анализом состояния станка и процесса обработки на нем, представляет собой определенную совокупность действий (накопление данных для моделирования объектов, оснащение станка средствами контроля, построение системы диагностирования и т.д.), суть которых раскрывается в зависимости от уровня организации. Такой структурный разрез при создании новых и модернизации эксплуатируемых МРС позволяет проследить процесс накопления информации о состоянии объектов и определить целесообразные направления их совершенствования.
На уровне разработки для успешной реализации новых технических решений узлов прецизионных МРС необходимо не только использовать современные средства автоматизированного расчета и проектирования, но и определить основные узлы и их характеристики, которые следует контролировать в дальнейшем, выявить возможные дефекты конструкции и выбрать рациональные диагностические параметры, по которым осуществить конструкторскую проработку встраиваемых в станок и средств диагностирования (СД), а также выполнить ряд испытаний отдельных узлов для уточнения расчетных значений параметров и моделей, причем в ряде случаев целесообразным является использование как детерминированных, так и статистических методов. На основе разработанных моделей, исследований и испытаний (в том числе 42
станков-прототипов) выявляются факторы, оказывающие наиболее сильное влияние на станок, определяются пути создания серийного образца.
Для решения указанных задач необходимо создание диагностических моделей высокоточных МРС различных групп, которые с точки зрения современной теории управления можно рассматривать как сложные динамические системы. В этой связи для построения диагностических моделей объектов достаточно широкого класса целесообразно применение методов пространства состояний, позволяющих выработать единый подход для систем, содержащих элементы различной физической природы.
Анализ влияния скорости процессов в станке Анализ факторов, влияющих на точность обработки Структурный анализ
Внешние, внутренние Иерархическая структура
Медленные, Функциональные
средней скорости, Вход - связи
быстро протекающие технологический процесс -выход Математическое описание
4. 1 і
Обеспечение технологической надежности
прецизионных автоматизированных станков
Этап разработки 1 Этап изготовления Этап эксплуатации
т т
Используемые математические модели Основные направления обеспечения Анализ видов испытаний
Детерминированные, Новые технические решения Статические, динамические,
стохастические формообразующих узлов на надежность
Непрерывные Совершенствование методов
дискретные мониторинга, диагностирования, Исследовательские,
Аналитические, испытаний и технического оценочные,
структурные, обслуживания контрольные,
имитационные, Управление точностью сертификационные
комбинированные обработки
Рис. 1. Системный подход к обеспечению технологической надежности прецизионных автоматизированных металлорежущих станков
Математическая модель рассматриваемых объектов может быть представлена линейными дифференциальными уравнениями в матричной форме для нестационарной системы [3]:
X (t ) = A(t )X (t)+B(t )U (t);
Y(t) = C(t)X(t), (1)
где X(t) - n-мерный вектор состояния; U(t) - r-мерный вектор управления; Y(t) - m-мерный выход датчиков с соответствующими коэффициентами: А(^ - (nxn) - переменная матрица коэффициентов, характеризующих динамику объектов; E(t) - (nxr) - переменная матрица передаточных коэффициентов исполнительных органов; С(1) - (mxn) - переменная матрица передаточных коэффициентов датчиков.
Для стационарной системы
X (t ) = AX (t)+BX (t);
Y (t ) = CX (t). (2)
Накладывая определенные условия на объект, исполнительные органы и датчики в случае возникновения неисправностей в объекте управления, модели записываются следующим образом:
- для случая неисправностей исполнительных органов и изменений в динамике объекта
X (|) = (А + ДА(1)) X (t)+ (В + В(1 ))и (|), (3)
где ДА(1) и ДВ(1) - соответственно матрицы, характеризующие изменение в динамике объекта и изменение коэффициента преобразования исполнительного органа;
- при неисправностях датчиков
Г (| )=(С + ДС (| ))Х (|), (4)
где ДС - матрица, характеризующая изменения коэффициентов передачи датчиков в результате их неисправности.
С учетом вышеизложенного задача диагностирования при различных испытаниях МРС может быть представлена как задача распознавания события в обобщенном объекте и состоит в следующем: известны виды неисправностей и изменения объекта согласно уравнениям (3) и (4), представленные обучающими выборками. Требуется на основании данной выборки найти рациональную систему признаков (диагностических параметров) и построить решающее правило (алгоритм диагностирования), позволяющее по текущим значениям признаков определить класс событий в обобщенном объекте (техническое состояние).
В процессе производства станков необходимо осуществлять контроль паспортных характеристик узлов и станка в целом, диагностирование дефектов изготовления и сборки, а также проводить технологический прогон и специальные испытания станков, в том числе программные, для определения их реальных выходных характеристик. Для автоматизации испытаний вновь разрабатываемых конструкций МРС и серийно изготавливаемых целесообразно создание испытательно-диагностических комплексов (ИДК).
На этапе эксплуатации станков, особенно прецизионных, следует обеспечить выполнение нормативных требований к условиям эксплуатации, изложенным в технических условиях на МРС. Повышение надежности станков, как показали исследования, выполненные в СГТУ, достигается оперативным диагностированием технического состояния МРС с выявлением дефектов отдельных узлов и модернизации МРС, и путем обеспечения оптимальной гибкой системы технического обслуживания и профилактического ремонта [5].
Таким образом, на основе изложенной концепции наиболее полное и экономически рациональное решение задач контроля, диагностирования и испытаний современных высокоточных МРС возможно только в комплексе, причем от правильности решения этих задач во многом зависит качество станков и изготавливаемых на них деталей.
Решение указанной проблемы включает следующие аспекты: рациональную организацию контроля за изменением технического состояния МРС, эффективные методы диагностирования и прогнозирования, определение моментов проведения технического обслуживания и профилактического ремонта, надежные методы испытаний станков, точные и надежные методы контроля параметров изготовленных деталей.
Теоретические основы проблемы организации контроля МРС органично взаимосвязаны с комплексом научных дисциплин, обеспечивающих решение практически всех задач. В качестве основы выделены методы теории идентификации, позволяющие построить адекватные математические модели динамических объектов (систем и процессов). По используемому математическому аппарату их можно разделить на три группы: методы теории управления, методы аппроксимации и методы планирования эксперимента, каждая из которых ориентирована на решение определенного круга задач. Первая группа включает методы, основанные на анализе систем в частотной (определение 44
АФЧХ, АЧХ, ФЧХ) или временной (определение переходных и автокорреляционных функций или переменных состояния) областях. Вторая группа связана с идентификацией моделей точности обработки, точности формообразующих перемещений рабочих органов, тепловых процессов в МРС, законов распределения отказов и погрешностей измерения различных параметров. Третья группа применяется для рациональной организации испытаний станков, в том числе на технологическую надежность, а также для диагностирования.
Таким образом, разработка теоретических положений организации контроля, диагностирования и испытаний МРС, основанная на системном подходе к представлению станков в пространстве состояний, позволяет сформулировать единую методологию создания эффективных методов и средств оперативного контроля как технического состояния прецизионных станков на различных этапах их жизненного цикла, так и параметров качества обработанных деталей. Практическое решение проблемы достигается путем разработки методического, аппаратного, метрологического и программноматематического обеспечения, учитывающего особенности конкретного объекта исследования.
Изучение разработанных и принятых на государственном уровне стратегий структурной перестройки и развития автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также конверсии оборонной промышленности показывает, что в соответствии с мировыми тенденциями развития технологии металлообработки и организации производства основу потребности этих отраслей будут составлять высокоточные автоматизированные виды оборудования для создания гибких быстропереналаживаемых производств [1]. Освоение российскими производителями указанных видов продукции не только позволит решить вопросы удовлетворения потребности и импортозамещения, но и явится базой для дальнейшего развития экспорта.
При разработке теории и методов проектирования новых конструкций механизмов все чаще приходится решать комплексные задачи, т. к. для заказчика представляет интерес разработка не отдельного механизма или узла, а привода в целом. Развитие этого направления сдерживается сложностью моделирования, проектирования, а также технологии изготовления вновь создаваемых конструкций и систем. Это особенно актуально при разработке таких сложных и наукоемких систем, как приводы автоматизированных металлорежущих станков. Кроме того, многообразие методов расчета и классификаций различных типов исполнительных механизмов требует создания универсальных методов проектирования.
Проблема обеспечения заданного качества изготовления деталей на автоматизированных металлорежущих станках (МРС) приобрела в настоящее время важное значение, так как от ее решения зависит повышение качества продукции и ее конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Решение этой проблемы требует системного подхода, базирующегося на учете многих факторов, определяющих точность обработки [2]. Очевидно, что исследование динамики приводов как исполнительных устройств автоматизированных МРС представляется неотъемлемым этапом проектирования, поскольку к ним предъявляются жесткие требования по обеспечению высокого качества формообразующих перемещений. Нестабильность заданного закона выходного перемещения может быть обусловлена такими факторами, как кинематическая погрешность, зазор или самоторможение в передаче, пульсации управляющего момента, колебания нагрузки, высокая виброактивность привода. В результате анализа динамики приводов автоматизированных МРС с несколькими нелинейностями в механической цепи привода (сухое трение, люфт, самоторможение) должны быть определены режимы с потерей устойчивости и возбуждением автоколебаний, определены мероприятия по ликвидации автоколебаний: изменение параметров системы с целью ее вывода из автоколебательного режима; применение
механических средств (устройства выборки зазора, смазка и т.п.); синтез цифровых компенсирующих алгоритмов.
Известно, что при малых перемещениях в станках в условиях трения твердых тел даже при постоянной силе тяги может возникать неравномерность скольжения, представляющая фрикционные автоколебания. Вредными проявлениями этого вида колебаний являются неплавность движения суппортов с режущим инструментом по направляющим и, как следствие, периодичность микрогеометрии обработанных поверхностей и погрешности позиционирования, представляющие рассогласование между заданной и фактической величинами подач [8].
Синтез приводов автоматизированных металлорежущих станков может проводиться в трех направлениях: определение значений конструктивных параметров, обеспечивающих максимальные показатели качества; синтез компенсирующих устройств; синтез алгоритмов микропроцессора, реализующих оптимальное управление.
Первое направление (инженерный синтез), несмотря на свою ограниченность, достаточно широко применяется в силу того, что часто не нужно создавать оптимальную конструкцию, а достаточно выдержать ряд ограничений. Изменение параметров системы в желаемом направлении означает возврат на более ранние стадии (вплоть до пересмотра структуры привода, например, замена ведущего и ведомого звеньев, изменение числа ступеней, выбор двигателя с более жесткой характеристикой, но требующего иной редукции и т.п.).
Второе направление предоставляет больший простор для синтеза оптимальной системы, поскольку корректирующие аналоговые цепи или механические устройства дают возможность вариации выходного закона в некотором классе функций. Этот метод синтеза электромеханических систем управления получил широкое распространение. Синтез механических устройств компенсации может быть продиктован конструктивными или эргономическими соображениями. Как правило, нелинейности механической передачи довольно плохо компенсируются корректирующими устройствами. В свою очередь, цепи коррекции могут быть источником ошибок и нелинейностей, что в итоге влияет на качество синтезируемой системы. Синтез в этом направлении проводится, когда первый способ не позволяет достичь нужного качества, а применение цифровых алгоритмов по каким-либо причинам нецелесообразно.
Наиболее перспективным направлением синтеза приводов автоматизированных металлорежущих станков является синтез микропроцессорных систем управления. Такие системы могут реализовывать любой, сколь угодно сложный закон управления. Синтез алгоритмов управления является в большей степени математической задачей теории оптимального управления. Этот этап требует проведения дополнительных работ по отладке алгоритма, анализа возможности его реализации на имеющейся элементной базе, моделированию работы системы в реальном времени. Качество функционирования МРС можно оценить некоторым обобщенным показателем, имеющим смысл вероятности обработки с заданной точностью, что согласуется с моделью параметрического отказа.
Для случая п параметров решающее правило для признания МРС соответствующим заданному критерию точности
X е 4п), (5)
где X = {х1,х2,...хп}. Параметрическая модель создается в течение ряда этапов. Для реальных технических объектов зависимость показателя качества от значений их основных параметров обычно сложна и получить ее в явном виде можно только для простейших объектов. Создание параметрической модели качества обработки на МРС существенно усложняется необходимостью анализа зависимости показателя качества -точности обработки - от параметров формообразующей подсистемы и процесса резания.
Первый этап такого анализа, в наименьшей степени поддающийся формализации, определение перечня параметров (составляющих вектора), оказывающих влияние на 46
показатель качества. При решении этой задачи всегда требуется индивидуальный подход к рассмотрению каждого объекта (того или иного вида МРС), что затрудняет создание каких-либо общих методов ее решения. Определение полного набора параметров и степени их влияния представляет собой сложную задачу, решение которой основано на изучении функциональной схемы МРС и ее особенностей, связей между ее подсистемами, особенностей процесса формообразования и выбора параметров технологического режима. В первом приближении возможна избыточность выбранного числа параметров, однако анализ МРС подобного вида и экспериментальные исследования процесса обработки позволяют в конечном итоге получить набор параметров {х1,х2,...хп} данного МРС, относительно которого можно утверждать, что он адекватно описывает характер формирования показателя качества.
Второй этап создания параметрической модели заключается в определении в пространстве параметров {х1, х2,...хп} тех их разрешенных значений, которые позволяют
сформировать область Зр), соответствующую заданному значению показателя качества. Оператор связи этих значений параметров с точностью обработки на МРС обычно неизвестен в явном виде. Для решения этой задачи используются методы, основанные на математическом и физическом моделировании, а также экспериментальные исследования с последующим построением экспериментально-аналитических моделей. В конечном
итоге формируются параметрические модель МРС, состоящая из п-мерного вектора X, обеспечивающего исчерпывающее описание объекта исследования, и области ),
задающей разрешенные значения параметров формообразующей подсистемы и технологического режима.
Третий этап построения модели связан с выделением доминирующих параметров, связанных с формообразованием на данном МРС при дополнительных ограничениях, накладываемых на внутренние и внешние влияющие факторы и выходные параметры точности обработки. При этом используются результаты экспериментальных исследований с применением методов математической статистики и планирования многофакторных экспериментов. Указанное позволяет в конечном итоге сократить количество измеряемых параметров вектора X, и осуществить переход от исходной п-мерной допусковой области ) к области с меньшей размерностью 8рт \т < п). Следует отметить, что область ) в этом случае представляет собой т-мерный гиперпараллелепипед. Снижение размерности допусковой области упрощает процесс построения и исследования искомой параметрической модели качества обработки на МРС.
Для токарных станков при дополнительных ограничениях, накладываемых на внутренние и внешние влияющие факторы и выходные параметры точности обработки (при условии достаточно жесткой конструкции, незначительный износ инструмента и т.п.) доминирующими параметрами, связанными с формообразованием, являются точность вращения шпинделя и точность перемещения инструмента (суппорта).
Параметрическая модель точности обработки для двух определяющих параметров х1 и х2 может быть представлена в виде зависимости некоторого критерия Р(х\ х2) (рис. 2). Область Б определяет минимально допустимое значение критерия Рд(х1 х2), а ее проекция на плоскость параметров Зр) - допусковую область нахождения параметров х1 и х2. Для случая токарной обработки параметр х1 - точность позиционирования инструмента (суппорта) на прецизионном токарном модуле ТПАРМ - достиг 0,2 мкм, х2 - точность вращения детали (шпинделя). Эти параметры определяются на стадиях разработки, изготовления и эксплуатации станка [2]. В результате такого подхода при условии минимизации тепловых и вибрационных возмущений точность при обработке деталей из алюминиевых сплавов на прецизионном токарном модуле ТПАРМ погрешность обработки не превышала 0,5 мкм при шероховатости поверхности Яа на уровне 0,04 мкм
[4].
У шлифовальных станков параметрами, определяющими точности обработки в модели, можно назвать точность вращения шпинделя изделия и точность перемещения инструмента (круга). Для суперфинишных станков в качестве доминирующих параметров можно выделить точность вращения шпинделя и точность перемещения инструмента (брусков) [5]. Таким образом, перечисленные МРС имеют сходные доминирующие параметры, улучшение которых даст определенный положительный эффект.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушуев В.В. Тенденции развития мирового станкостроения / В.В. Бушуев // СТИН. 2000. № 9. С. 20-24
2. Игнатьев А.А. Управление точностью обработки на прецизионных автоматизированных станках / А.А. Игнатьев // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1996. С. 73-81.
3. Научные основы прогрессивной техники и технологии / Г.И. Марчук, И.Ф. Образцов, Л.И. Седов и др. М.: Машиностроение, 1986. 376 с.
4. Игнатьев А.А. Параметрическая модель качества обработки на автоматизированных станках / А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С. 9699.
5. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков / А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.А. Добряков и др. Саратов: СГТУ, 1999. 124 с.
6. Виноградов М.В. Совершенствование приводов подачи прецизионных станков / М.В. Виноградов // Вестник СГТУ. 2009. № 3 (41). С. 56-58.
7. Виноградов М.В. Фрикционные передачи в современных прецизионных электроприводах станков / М.В. Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 18-21.
8. Виноградов М. В. Оптимизация параметров четырехступенчатой фрикционной передачи привода подачи прецизионного металлорежущего станка / М. В. Виноградов // Вестник СГТУ. 2010. № 3 (48). С. 37-42.
9. Виноградов М.В. Обеспечение параметрической надежности приводов подачи высокоточных автоматизированных станков / М.В. Виноградов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2010. С. 2528.
Виноградов Михаил Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами»
Саратовского государственного технического университета Игнатьев Александр Анатольевич -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Vinogradov Mikhail Vladimirovich -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of «Automated Control and Managing of Technological Processes» of Saratov State Technical University Ignatiyev Aleksandr Anatoliyevich -Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Automated Control and Managing of Technological Processes» of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 27.07.10, принята к опубликованию 30.11.10
