Full Text

Введение Отклонения формы деталей в поперечном сечении оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей и узлов. Одним из следствий влияния погрешности формы на эксплуатационные свойства является то, что в действительности тела контактируют между собой не по поверхности, а лишь отдельными участками, что приводит к интенсивному изнашиванию. Учитывая тенденцию развития промышленности, которая заключается во все более широком использовании оборудования с числовым программным управлением, остро стоит вопрос об обеспечении требуемых выходных параметров процесса обработки (шероховатости, точности формы и размеров). Традиционно для решения указанной выше задачи производится определение (установление) режимов резания, которые обеспечивали бы заданные выходные параметры [1-13]. Однако при этом не учитываются изменения состояния технологической системы (износ инструмента, наростообразование и др). Поэтому для решения данной проблемы необходимо, прежде всего, разработать решения, которые дают возможность в автоматическом режиме производить контроль выходных параметров процесса обработки и с учетом состояния технологической системы вырабатывать управляющее воздействие. При этом для оценки параметров состояния технологической системы достаточно часто используются виброакустические методы. Однако в большей степени данные методы используются для оценки ресурса режущего инструмента, а не выходных параметров процесса обработки. Цель исследования состоит в разработке системы автоматического обеспечения параметров некруглости при обработке на стенде, включающем токарный станок с числовым программным управлением. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: - изучить текстуру профиля поверхности (в поперечном сечении), получаемой при токарной обработке на станке с ЧПУ; - выбрать параметры, которые будут использоваться для оценки погрешности формы при обработке на станке с ЧПУ; - выбрать методологический аппарат и разработать модель системы автоматического обеспечения параметров точности формы при обработке на станке с ЧПУ. 1. Материалы и методы исследования Многочисленными исследованиями [14-16] установлено, что на обеспечение выходных параметров процесса обработки влияет состояние технологической системы. Для того чтобы эффективно установить взаимосвязь между входными и выходными параметрами, прежде всего необходимо выбрать показатели для оценивания погрешности формы. На основе исследований, проведенных в работе [17], было установлено, что для этих целей подходит корреляционный анализ. При этом профиль представляется в виде реализации корреляционной функции вида [17, 18]: (1) Учитывая, что профиль измерялся дискретно, в выражении (1) интеграл надо заменить на знак суммы: , (2) где y(t) -ординаты профиля; τ - временной сдвиг. Использование корреляционных функций для оценки погрешности формы дает возможность не только количественно оценивать величину погрешности формы, но и производить анализ текстуры профиля. Иными словами, на основе вычисления корреляционной функции можно оценить соотношение случайной и систематической составляющих в текстуре профиля. Установленное соотношение составляющих позволяет оценить вклад случайных процессов в формирование конечного профиля обработанной поверхности. Расчеты производились в разработанном программном обеспечении. Интерфейс программы для анализа профилей обработанных поверхностей представлен на рис. 1. Рис. 1. Интерфейс программы для анализа профилей Для оценки вибросигнала Sw использовались мощность и корреляционная энтропия K [17, 18]: , (3) где T - длительность сигнала; - преобразование Фурье сигнала x(t). , (4) где - корреляционный интеграл; - выражение, которое описывает функцию Хевисайда; p - расстояние между точками фазовой траектории (аттрактора), m - количество координат на фазовой траектории, которое принимается в расчет. В качестве режущего инструмента были использованы стандартные токарные резцы из твердых сплавов. Обрабатывались конструкционные стали. Вибросигнал записывался при помощи датчика-акселерометра, который устанавливался в непосредственной близости от зоны обработки (рис. 2). На основе предварительных исследований [18] было установлено, что для оценивания параметров некруглости целесообразно использовать виброакустический сигнал в частотном диапазоне от 6 до 12 кГц. Обработка производилась при различных значениях скорости резания и подачи, а также при фаске износа инструмента по задней поверхности от 0 до 2,4 мм. Рис. 2. Экспериментальный стенд Пример серии экспериментов: - станок 1И611ПМФ3; - материал деталей сталь 45, 40Х; материал резца ВОК60. Термообработка (ТВЧ), твердость до 54 HRC. Диаметр заготовок 50 мм, глубина резания t = 0,2 мм. Число оборотов 630 об/мин. S = 20;40;60;80;100;120 мм/мин. Запись производилась с одного датчика по оси Z, на задней части резца. Измерение формы детали проводили на станке. Цена деления индикатора 0,001 мм. Данные записывались в файл, угол поворота детали 3° (120 измерений на диаметре). При составлении экспериментальных исследований были применены такие источники, как в работах [19, 20]. На основе предварительных исследований [17, 18] было установлено, что для оценки состояния технологической системы целесообразно использовать мощность вибросигнала Sw и корреляционную энтропию К. Для нахождения взаимосвязи между входными и выходными параметрами целесообразно использовать нейронечеткую модель [21-25]. При этом модель содержит нейросетевую базу знаний и логический блок, который основан на нечеткой логике. В рамках данной работы модель была реализована в программном комплексе MatLab. Структура модели приведена на рис. 3. Рис. 3. Структура нейро-нечеткой модели 2. Результаты исследований и их обсуждение Примеры результатов проведенных экспериментов приведены на рис. 4-7. 10 20 30 40 50 S, мм/мин 1 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 2 3 K(0) Рис. 4. Зависимость K0 = f(S) 20 40 60 80 100 120 S, мм/мин 10-5 Дб 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Рис. 5. Дисперсия вибросигнала (*10-5) от подачи 0 0,42 0,84 1,26 1,68 2,1 h3/мм Sw 0,00644 0,00552 0,0046 0,00368 0,00276 0,00184 0,00092 1 2 3 Рис. 6. Зависимость между мощностью вибросигнала и износом резца 0 0,24 0,48 0,72 0,96 1,2 1,44 1,68 1,92 2,16 2,4 h3/мм K 9,88 9,12 8,36 7,6 6,84 6,08 5,32 4,56 3,8 3,04 3 2 1 Рис. 7. Зависимость между корреляционной энтропией и износом резца Важно отметить то, что характер зависимостей корреляционной энтропии и мощности вибросигнала от износа резца аналогичен форме классической кривой износа, что позволяет использовать данные параметры для оценки износа режущего инструмента. Зависимости, приведенные на рис. 5-7, использованы в качестве исходных данных для построения нейронечеткой модели, структура которой приведена на рис. 3. Соотношения между переменными задавались системой правил вида (общее количество правил в базе - 15): ЕСЛИ K = K1 И Sw = v1 ТО K(0) = mf1. В качестве функций принадлежности были выбраны термы треугольного вида, значения переменных K, Sw, K(0) принимались равными экстремальным точкам, которые соответствуют началу и концу промежутков, обозначенных цифрами 1-3 на рис. 4, 6 и 7. Приведенная выше система правил позволяет выполнять оценку корреляционной функции профиля K(0), которая используется в качестве характеристики погрешности формы деталей в поперечном сечении. На рис. 8 приведены результаты тестирования модели на точность. В результате тестирования на обучающей и тестовой выборках было установлено, что погрешность модели не превышает 10 %. Анализируя зависимости, которые представлены на рис. 6 и 7, можно сделать вывод, что они даже внешне соответствуют классической форме кривой износа. Полученные результаты были использованы в качестве исходных данных для разработки модели системы автоматического обеспечения параметров точности формы. Разработанная модель была реализована в виде программного комплекса. При испытании разработанной модели в качестве образцов были взяты штоки задвижек ЗКЛ 13004-050, ЗКЛ 13004-080М, ЗКС 13014-150. Для сравнения использовались данные обработки с использованием модели и без неё, результаты представлены на рис. 9. Рис. 8. Тестирование точности модели 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 17,65 17,6 17,55 17,5 17,45 17,4 17,35 17,3 17,25 17,2 17,15 2 3 13,75 13,7 13,65 13,6 13,55 13,5 13,45 13,4 13,35 1 3 5 7 9 11 Координата сечения при измерениях х Координата сечения при измерениях х а б Рис. 9. Результаты обработки модели: а - результаты обработки без использования модели (шток 1, шток 2); б - результаты обработки с использованием модели (шток 3) Заключение Полученные результаты дают возможность сделать ряд выводов: - в ходе исследований было установлено, что использование параметров вибросигнала (мощности и корреляционной энтропии) дает возможность не только оценивать износ инструмента, как это делается в большинстве аналогичных работ, но и реализовывать активный контроль выходных параметров процесса обработки (в данном случае погрешность формы в поперечном сечении); - использование нейронечетких моделей позволяет получить взаимосвязь между диагностическим признаком (параметрами вибросигнала) и выходными параметрами процесса обработки (точностью формы в поперечном сечении) с погрешностью не более 15 %; - результаты испытаний показали, что использование предлагаемых решений дает возможность повысить точность изготовления деталей запорной арматуры на 20-30 %. Научная новизна результатов обусловлена тем, что полученная модель системы позволяет производить оценку параметров точности формы с учетом состояния технологической системы. Также важным аспектом научной новизны является то, что подход является универсальным и за счет применение самообучающихся моделей (нейро-нечетких) может быть использован на любом станке. К недостаткам предлагаемых решений можно отнести то, что не в полной мере можно учитывать влияние жесткости обрабатываемой детали на точность. Поэтому полученные результаты требуют корреляции с методикой автоматизации технической подготовки производства за счет автоматизированной коррекции управляющей программы по трансформируемой CAD-модели заготовки.

About the authors

V. E Ovsyannikov

Tyumen industrial University

R. Yu Nekrasov

Tyumen industrial University

Yu. A Tempel

Tyumen industrial University

V. I Vasiliev

Kurgan state university

References

Statistics

Views

Abstract - 69

PDF (Russian) - 29

Refbacks

• There are currently no refbacks.