Оптимизация движений исполнительных элементов станков для обработки глубоких отверстий

Управление процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра осуществляется на силовых сверлильных головках специально созданных для этого процесса. Создание таких сверлильных головок есть комплексная проблема.

Настоящее исследование является результатом дальнейших разработок систем управления процессом сверления глубоких отверстий, которые выполнены на кафедре АЛЛ, а так же в ряде вузов и НИИ страны. Здесь, прежде всего, необходимо отметить работы Тверского М. М., Лещинского Л. Ю., Гуськова А. С., Мурашкина Л. С., Закамалдина В. И. выполненные в ЭНИМСЕ, в Южноуральском техническом университете, Санкт-Питербуржском техническом университете и МВТО имени Баумана. Необходимо так же отметить работы, выполненные в ДГТУ руководством Заковоротного В. Л., это работы Чубукина А. В., Яншахова М. Л., Назаренко Д. В., Панова Е. Ю. Главное внимание в этих работах уделялось проблемам управления собственно рабочих заглублений в процессе каждого единичного заглубления. Необходимо так же отметить исследования по совершенствованию режущего инструмента. В частотности использования шнековых инструментов, т. е. инструмента с большим подъемом спирали, а так же сверлению оружейными сверлами, вибрационному сверлению и прочее. Кроме этого используются сверла фирмы GUHRING, у которых осуществляется принудительный подвод СОЖ через специальные отверстия в инструменте, что также способствует улучшению процесса обработки. В последние годы при создании оборудования для сверления глубоких отверстий существенно расширилась номенклатура деталей. Кроме типичных для топливной и гидроаппаратуры деталей, например штуцеров и шпинделей гидросистем вертолетов, создано оборудование для обработки например трубных досок пароконденсаторов энергетических паровых турбин.

Тем не менее, несмотря на совершенствование режущего инструмента, все станочные системы созданные для сверления глубоких 4 отверстий представляют собой достаточно сложную управляемую динамическую систему, в которой необходимо разумно сочетать вспомогательные перемещения, в задачу которых входит быстрый вывод инструмента из зоны обработки для очистки инструмента от стружки и улучшения доступа СОЖ в зону резания и подвод инструмента к зоне резания, при обеспечении требуемых показателей точности координаты и скорости заглубления, обеспечение траектории рабочих заглублений, определение координат переключения каждого заглубления и прочее. Таким образом, следующим естественным этапом совершенствования автоматизированных управляемых станочных систем является системный подход к управлению движениями исполнительных элементов силовых сверлильных головок. Именно этот этап и определил актуальность диссертационного исследования и его значения для науки и практики, что отвечает требованиям ВАК РФ.

На защиту выносятся теоретическое обобщение и практическое решение научно-технической проблемы повышения производительности и технологической надежности процесса сверления глубоких отверстий. В частности, автор защищает следующие взаимосвязанные положения, в целом составляющие решение поставленной задачи:

1. Разработать математическую модель движений исполнительных элементов управляемой силовой сверлильной головки для сверления глубоких отверстий, включающую вспомогательные перемещения, переход на траекторию рабочих заглублений и траекторию рабочих заглублений с учетом реакции со стороны процесса резания.

2. Для математической модели разработать имитационную модель, позволяющую изучать и оптимизировать все стадии движения исполнительных элементов с учетом реакции со стороны процесса резания.

3. Разработать математические алгоритмы и программы для синтеза систем оптимального по быстродействию управления вспомогательными перемещениями пиноли силовых сверлильных головок, обеспечивающих заданную точность позиционирования при подходе инструмента к зоне резания.

4.Разработать математические алгоритмы и программы для синтеза систем оптимального по быстродействию управления рабочими заглублениями, отличающиеся от известных тем, что управление является векторным с одновременным изменением скоростей подачи и частоты вращения шпинделя сверла.

5. Разработать математические алгоритмы и программы для определения координат переключения циклов рабочих заглублений, при которых время обработки отверстия будет минимальным при решении задач по первым двум пунктам.

6. Выполнить экспериментальные исследования вероятностных свойств параметров имитационной модели, позволяющей определить координаты переключения циклов управления движением пиноли силовой сверлильной головки.

7. Создать систему управления в совокупности с силовой сверлильной головкой, обеспечивающую оптимизированный алгоритм управления. Изучить эффективность различных алгоритмов ивнедрить их в производство.

Методы и приемы исследования. В работе использовался классический подход к решению задачи оптимизации процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра. Здесь необходимо отметить два принципа к подходу решения задачи. Первый заключается в качественном решении этого вопроса. Он определен теоретической постановкой задачи, а результат достигается использованием более точной модели. Второй, количественный, заключается в использовании датчиков с большей точностью и быстродействием, это дает возможность получать поток данных адекватных проистекающему процессу, а также использование более производительных вычислительных систем способных обрабатывать поток информации от датчиков и реализовать сложные алгоритмы управления в реальном масштабе времени.

Результаты работ получены путем теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования включают в себя выдержки теории резания (сверления), теории автоматизированного электропривода, численных методов решения задач динамики, методов цифровой обработки сигналов и цифровой фильтрации, теории случайных процессов. Экспериментальные исследования были произведены на специально созданной установке, основу которой составляла силовая сверлильная головка, разработанная на кафедре «Автоматизация производственных процессов» ДГТУ и изготовленная на Азовском оптико-механическом заводе. Оборудование работало под управлением ПЭВМ Pentium 233. Для обеспечения функции управления и снятия данных использовалась специализированное программное обеспечение. Все статистические расчеты, а также математическое моделирование производились на ПЭВМ в математическом пакете MATLAB.

Практическая ценность результатов работы заключается в. том, что все алгоритмы управления, включая управление вспомогательными перемещениями, рабочими заглублениями и координатами переключения циклов обработки реализованы на конкретном оборудовании внедренном на ОАО «Роствертол» и ОАО «Калужский турбинный завод».

Практическое значение работы заключается так же и в том, что разработанные алгоритмы могут быть после некоторой доработки перенесены на другие технологические процессы и металлорежущие станки. Например алгоритмы синтеза систем оптимальных по быстродействию при заданной точности позиционирования можно использовать в позиционных системах программного управления станками.

Практическая ценность результатов работы определяется так же тем, что созданные серии управляемых силовых головок позволили: для ОАО «Роствертол» на 30−35 процентов повысить производительность, практически исключить брак по поломке инструмента и уводу оси отверстия;

— для ОАО «Калужский турбинный завод» применение системы адаптивного сверления глубоких отверстий на базе координатно-сверлильного станка 25 500С1000МФ4 позволило более чем на 30% уменьшить время сверления глубокого отверстия при обработке трубных досок пароконденсаторов паровых турбин. Кроме повышения производительности обработки, указанный алгоритм снижает брак отверстий в высокоответственной детали по уводу оси отверстия — на 70%, по поломке инструмента — на 95% и исключает катастрофический износ дорогостоящего твердосплавного инструмента, позволяя довести количество переточек сверла до 10, а общую стойкость инструмента (с учетом переточек) до 12 001 500 отверстий. Экономический эффект от внедрения системы управления составил 375 тыс. руб. в год (в ценах 2006 года).

Научная новизна диссертационного исследования заключается прежде всего в разработке комплексной оптимизации траекторий исполнительных элементов управляемых силовых сверлильных головок для обработки глубоких отверстий в единстве оптимизации вспомогательных перемещений, рабочих заглублений и определения координат переключения рабочих заглублений на вспомогательные перемещения. При решении этой общей проблемы получены следующие новые научные результаты:

1. Сформулирована и решена задача оптимизации вспомогательных перемещений по критерию минимума времени при обеспечении заданной точности подхода инструмента к зоне резания. При этом под точностью понимается, характеристики распределения пространственных координат вершины инструмента и скоростей врезания инструмента в заготовку.

2. Доказано, что максимальной глубине каждого единичного заглубления при ограничениях на осевое усилие и крутящий момент соответствует траектория одновременного изменения скорости подачи и частоты вращения шпинделя. Разработана методика определения этих траекторий и предложена схема физической реализации.

3. Предложена имитационная модель всего цикла сверления включающая, как уравнение динамики, так и все циклы обработки. Выполненные на имитационной модели исследования позволили определить оптимальные координаты перехода от быстрых вспомогательных перемещений к рабочим заглублениям. Траектории рабочих заглублений и оптимальные координаты перехода от рабочих заглублений к вспомогательным перемещениям. В частности показано, что эти координаты зависят, как от глубины сверления, так от текущего их значения.

4. На основе экспериментальных методов осуществлена идентификация параметров имитационной модели для случаев: диаметр отверстия 1,92,5 мм (глубина 30 мм) и 12−16,4 мм (глубина 100 мм). Идентификация проведена для случаев первого и последующих заглублений.

Апробация результатов исследования. Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях кафедры «Автоматизация производственных процессов» Донского Государственного Технического Университета. Были произведены испытания на предприятии ОАО «Роствертол», а также на ОАО «Калужский турбинный завод» и получены акты внедрения. Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях в г. Ростове-на-Дону, г. Воронеже.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, приложений и списка литературы, включающего 116 наименований, содержание работы изложено на 214 страницах машинописного текста, всего 89 рисунков.

4.9 Выводы^.

1. Системный подход к построению автоматизированного оборудования для сверления глубоких отверстий включает в себя не только определение координат переключения отдельных циклов обработки, но и выбор оборудования, обладающего требуемыми метрологическими и точностными свойствами.

2. Показано, что для оценивания траекторий (скоростей и перемещений) пиноли специализированных сверлильных головок наиболее целесообразным является использование оптических цифровых датчиков, обладающих требуемыми — метрологическими свойствами и хорошо совместимых с микроконтроллером, на базе которого выполнена система управления.

3. Экспериментальные исследования временных диаграмм перемещения пиноли в процессе рабочих заглублений и выполненная статистическая обработка этих траекторий позволили определить рациональные1 значения^ пространственных задержек при переходе движения пиноли от рабочих заглублений’К вспомогательным перемещениям. 1.

4. Одним из факторов, влияющих на координаты переключения от вспомогательных перемещений к рабочим заглублениям, обусловлен характеристиками разброса момента сопротивления движению пиноли. Выполненные экспериментальные исследования вероятностных характеристик распределения момента сопротивления позволили конкретизировать значения уставок системы управления автоматизированной сверлильной головки.

5. Выполненные исследования элементов системы управления, дополненные предложенными алгоритмами, позволяют существенным образом повысить управляемость процесса сверления, обеспечивая, при исключении брака по поломке инструмента, либо существенное повышение производительности, либо существенное повышение стойкости инструмента, либо любой промежуточный режим обработки. Следует признать, что наиболее эффективным использование специализированных систем глубокого сверления, как части технологии глубокого сверления, включающей в себя ряд предварительных операций по подготовке изделия перед обработкой (предварительное засверливание отверстий, использование шаблонов), использование современного инструмента для высокопроизводительной обработки, а так же использование масляных СОЖ под большим давлением.

6. Выполненные исследования, дополненные рациональным выбором оборудования, позволил создать специализированную систему, внедрённую в условиях ОАО КТЗ. Подобный комплексный подход к задаче создания оборудования для сверления глубоких отверстий позволяет повысить производительность в 2−3 раза. А если учесть исключение из технологического процесса операций зенкерования и развертывания, необходимых после ручного сверления, то время изготовления деталей сократится в 4−5 раз.

7.Дополнительным выигрышем от внедрения систем созданного оборудования является существенное снижение требований к квалификации рабочих, обслуживающих станки. После модернизации радиально-сверлильных станков типа «Chepel» на участке сверления трубных досок ОАО «КТЗ» в спецстанки для сверления глубоких отверстий в труднообрабатываемых ' материалах стало возможно вместо квалифицированных сверловщиков 5−6 разряда использовать учеников сверловщика с квалификацией 1−2 разряда, что позволило решить остро стоящую кадровую проблему недостатка квалифицированного персонала.

Заключение

.

В данной, работе, на основе теоретических и экспериментальных исследований, а также имитационного компьютерного моделирования, решена актуальная научно-техническая проблема автоматизации процесса сверления глубоких отверстий.

В ходе выполнения исследований была осуществлена системная постановка задачи оптимизации времени сверления глубоких отверстий, заключающаяся в учете взаимовлияния скоростей рабочих и вспомогательных движений, а также временных и динамических характеристик станочного оборудования.

Решена задача оптимизации времени вспомогательных перемещений пиноли силовой сверлильной головки при сверлении глубоких отверстий, что предполагает оптимальное по быстродействию управление при обеспечении требуемой точности терминального состояния управляемой системы. В связи с дополнительными требованиями по точности терминального1 состояния системы, к рассмотрению были приняты статистические параметры процесса' обработки и учитывались статистические свойства координат переключений и времен задержек, что привело к формированию трубки фазовых траекторий, зависящей от выбранного доверительного интервала. Выбранный подход привел к формированию по математическому ожиданию параметров и времени переключения дополнительного пути, который должна пройти пиноль при подходе к точке контакта инструмента с заготовкой.

Решение вопроса минимизации величины дополнительного пути в большой степени и определяет скорость быстрых перемещений, при которой общее время становится минимальным. Ограничения, накладываемые на значение скорости врезания инструмента в заготовку, зависят от состояния режущего инструмента и величины просверленного на предыдущих этапах отверстия. Установлено, что значение оптимальной скорости зависит от величины ограничений, накладываемых на скорость врезания инструмента в заготовку.

Для проверки теоретических расчетов была создана математическая модель подсистемы перемещения пиноли, с помощью которой было проведено имитационное моделирование вспомогательных перемещений пиноли. Построены фазовые траектории переходных процессов, на основе которых были определены величины задержек переключения от вспомогательных к рабочим заглублениям. В частности установлено,* что оптимальное значение скорости, быстрого подвода пиноли к зоне резания зависит от величины просверленного отверстия. Поэтому необходимо дополнительно корректировать значение управляющего напряжения, подаваемого на якорь двигателя при его подводе к зоне резания.

Выполненное имитационное моделированиесинтеза различных законов" управления, позволило определить основные требования^ к элементной базе при физической реализации системы управления, а также определить, стратегию-переключения на рабочие заглубленияпри-движении пиноли в. сторону заготовки. Показано, — что основным, фактором, приводящим, к образованию оптимальной скорости подвода пиноли на участке быстрых движений, является временной разброс точки переключения. Кроме этого установлено, что наиболее рационально осуществлять переключение на рабочие движения не по координатам перемещения, а по скоростям. В частности показано, что при переключении по координате перемещения существует область, в которой терминальное состояние является не достижимым.

В результате выполнения работ автором были получены следующие существенные научные результаты, определяющие-принципы и условия создания оптимальных по условию производительности систем автоматизации процесса сверления глубоких отверстий:

1. На основе предложенной имитационной модели сверления • глубоких отверстий спиральными сверлами включающей вспомогательные перемещения пиноли шпинделя силовой сверлильной головки, рабочиезаглубления с одновременным изменением скорости подачи и частоты вращения шпинделяи переключения циклов обработки, выполнена системная оптимизация траекторий исполнительных элементов головки.

2. Изучение траекторий вспомогательных перемещений позволили предложить алгоритм управления реализующий минимальное время вспомогательных перемещений при обеспечении заданной точности траектории вершины инструмента при подходе к зоне резания. Показано, что одним из основных факторов влияющих на неопределенность траекторий при подходе к зоне резания является вариация момента сопротивления в силовой сверлильной1 головке, обусловленная прежде всего изменениями сил трения, а так же разброс во времени срабатывания управляющих элементов обеспечивающих переключение от вспомогательных перемещений к рабочим заглублениям. Существование оптимальных законов управления" в этом случае определяется не только ограничениями на* вектор управленияно< в большей степени противоречием между увеличением. скорости вспомогательных перемещений И' связанным с ним разбросом, трубки* фазовых траекторий. При увеличении разброса требуется для обеспечения заданной точности режущему инструменту проходить дополнительный путь на рабочей подаче.

Показано так же, что оптимальные координаты переключения вспомогательных перемещений на рабочие заглубления зависят от глубины обрабатываемого отверстия. Для учета этой зависимости экспериментально-модельным путем получены интерполяционные поверхности зависимости силовых характеристик процесса резания от параметров и условий обработки, являющиеся основой для разработки алгоритмов оптимального управления.

3. При изучении на имитационной модели траектории рабочих заглублений показано, что для обеспечения максимально достижимой глубины каждого единичного заглубления требуется одновременно изменять частоту вращения шпинделя и скорость подачи. Это вытекает из зависимости полученных экспериментально модельным путем при варьировании скорости и подачи поверхностей числовых характеристик процесса резания, имеющих экстремальные точки, зависящие от текущей величины заглубления, выполненные исследования при различных алгоритмах управления (обработка на постоянных режимах с выводом инструмента из зоны резания по критическому моменту, стабилизация крутящего момента, путем изменения скорости подачи, векторное управлениена основе одновременного изменения скорости подачи и частоты вращения шпинделя), показали, что наиболее эффективным является алгоритм векторного управления, позволяющий не только уменьшить время каждого единичного заглубления, но и обеспечить его максимальную глубину.

4. Показано, что динамика управляемых движений исполнительных элементов силовой сверлильной головки имеет переменную структуру, поэтому определены условия переключения от одной структуры к другой по критерию максимальной производительности. В частности показано, что при переключении от рабочих заглублений к вспомогательным перемещениям критерию максимальной производительности соответствуют постоянные и< равные между собой значения минимальной скорости подачи, такие значения определяются на имитационноймодели на основе перебора количества заглублений для обработки деталей заданной глубины.

5. Разработаны алгоритмы, реализующие различные автоматического стратегии управления процессом сверления глубоких отверстий, в частности: алгоритм стабилизации крутящего момента и алгоритм векторного управлений процессом сверления. Проведено сравнительное имитационное моделирование и экспериментальное исследование эффективности различных алгоритмов, показавшее оптимальность алгоритма векторного управления, однако необходимо подчеркнуть, что этот алгоритм является и наиболее сложным с позиции аппаратной реализации.

6. Выполненный системный анализ управлениятраекториями исполнительных элементов станка по критерию максимальной производительности позволил создать ряд специализированных силовых сверлильных головок и осуществить модернизацию существующего оборудования в условиях ОАО «Роствертол» и ОАО «Калужский турбинный завод».

Практическим результатом выполнения работы явилось создание и программная реализация алгоритма векторного управления сверлильной головкой, позволяющего повысить производительность и технологическую надежность процесса сверления глубоких отверстий за счет оптимизации времени как. вспомогательных, так и рабочих перемещений.

Предложены алгоритмы и программы, проиллюстрированные на примере сверления отверстия диаметром 2,0 мм в стали 20Х, включают в себя построение поверхности равных значений сил, которым соответствуют значения частот вращения’шпинделя и скоростей подачи по мере увеличения единичного заглубления. На этих поверхностях выбирается траектория, позволяющая обеспечить компромисс между желанием увеличить-величину единичного заглубления и уменьшить время’обработки в пределах каждого единичного заглубления.

Созданные силовые сверлильные головки позволили: для ОАО «Роствертол» на 30−35 процентов повысить производительность, практически исключить брак по поломке инструмента и уводу оси отверстия, а также высвободить персонал на изнурительной операции ручного управления глубоким сверлением;

— для ОАО «Калужский турбинный завод» более чем на 30% уменьшить время сверления глубокого отверстия при обработке трубных досок пароконденсаторов паровых турбин., Кроме того, повысить производительность обработки, указанный алгоритм снижает брак-отверстий в высокоответственной детали по уводу оси отверстия — на 70%, по поломке инструмента — на 95% и исключает катастрофический износ дорогостоящего твердосплавного инструмента, позволяя довести количество переточек сверла до 10, а общую стойкость инструмента (с учетом переточек) до 12 001 500 отверстий. Экономический эффект от внедрения системы управления составил 375 тыс. руб. в год (в ценах 2006 года).