НЕФТЬ И ГАЗ

ИРО станка с ЧПУ, соответствующих обработке ее отдельных конструк-

тивных элементов Ai, Bi, Ci, … Fi.

Для реализации представленной выше схемы диагностики разработаны алгоритмы управления процессами нагружения деталей и измерения отклонений расположения элементов ТС с использованием системы диагностических модулей, оснащенных шаговыми приводами исполнительных механизмов с управлением от PCNC. Управление от PCNC процессом диагностики реализовано в полуавтоматическом режиме с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего согласованные перемещения исполнительных устройств диагностического и нагрузочного модулей с «привязкой» к системе координат XOY станка с ЧПУ.

	БЦИ	PCNC	6	7	8
	3	4
			Py
А	1
		A
	2	i		5
				Si
				поп

1- индикатор перемещений; 2 - каретка диагностического модуля; 3 - измерительный стержень; 4 - элемент детали; 5 – пружина; 6 - нажимной элемент; 7 – нагрузочное устройство;

8 - инструментальная головка станка

Рисунок. Схема нагружения и диагностики отклонений расположения детали при использовании нагрузочного устройства

При предварительно настроенной и отлаженной системе электроавтоматики станка в процессе диагностики (см. рисунок) включением поперечной подачи суппорта Siпоп нажимное устройство 7, установленное в инструментальной головке 8 токарного станка с ЧПУ, приводится во взаимодействие с закрепленной в патроне деталью 4, имитируя ее нагружение в направлении технологической составляющей PYj силы резания. Нажимным устройством 7, при включении поперечной подачи Siпоп= const, в установленных точках (Аi, Bi,…Fi) осуществляется нагружение заготовки силой

51

iqi

PYj. В процессе последовательного нагружения каждого конструктивного элемента детали постепенное сжатие пружины 5, обеспечивает плавное возрастание нагрузки PYj. Данные об изменяющихся отклонениях расположения конструктивных элементов Аi, Bi,…Fi детали и определяемых ап-

паратно соответствующих изменениях величины рассогласования положения iqi в следящем приводе поперечных подач станка при этом синхронно регистрируются на жесткий диск PCNC.

В результате диагностики [49] в PCNC формируется система данных соответствия величин отклонений расположения отдельных конструктивных элементов детали iqi величинам рассогласования положения iqi в следящих приводах подач станков с ЧПУ.

Сформированная система данных соответствия iqi =f( iqi) с использованием представленных ниже зависимостей (3.6) преобразуется к виду iqi =f(PXiYi), что позволяет получить адекватные модели отклонений расположения каждого конструктивного элемента конкретной детали при его нагружении в конкретной ТС и на этой основе реализовать в режиме «реального времени» определение и ввод соответствующих коррекций в траектории движения ИРО станка с системой ЧПУ класса PCNC.

Таким образом, разработана и реализована система предварительной и оперативной диагностики процессов нагружения и деформирования элементов ТС при обработке на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC, которая обеспечивает возможность измерения и регистрации величин составляющих силы резания и соответствующих деформаций фасонных деталей. При этом обеспечивается регистрация системы параметров диагностики на жесткий диск ПЭВМ с целью дальнейшего их использования при определении величин и вводе коррекций в траектории движения ИРО станков для компенсации погрешностей обработки, выявленных при диагностике.

Представленные выше системы диагностики, программное обеспечение и аппаратные ресурсы станков с ЧПУ, а также базы данных диагно-

стики позволяют формировать в PCNC математические модели нагрузочных характеристик приводов и модели отклонений расположения эле-

ментов ТС при их нагружении и, тем самым, реализовать комплексную диагностику процессов обработки на станках с ЧПУ.

Диагностику процессов нагружения элементов ТС и приводов станков с ЧПУ, как было показано выше, целесообразно разделять на предварительную и оперативную, что обеспечивает снижение трудоемкости наладки конкретных ТС и соответствует требованиям, предъявляемым к реализации гибких технологий обработки. На этапе предварительной диагностики необходимое установление нагрузочных характеристик конкретных приводов станков (при удовлетворительном состоянии систем электроавтоматики технологического оборудования) целесообразно проводить 2 - 3 раза в течении календарного года при двухсменной эксплуатации станков с ЧПУ.

52

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана система диагностики отклонений расположения элементов ТС, включающая нагрузочные устройства, динамометрическую аппаратуру, диагностические модули и высокоточные индикаторы перемещений. Это позволяет с использованием PCNC формировать системы данных диагностики для дальнейшего определения и ввода коррекций в управляющие программы станков с ЧПУ при компенсации погрешностей обработки в конкретных технологических системах. С учетом изложенного, на основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы:

Список литературы

1.Ковенский И.М., Некрасов Р.Ю., Путилова У.С. Повышение эффективности управления обработкой высокопрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ // Известия высших учебных заведений. нефть и газ, №2, г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2008. - С. 116-118.

2.Ласуков А.А., Дурев В.В. Стружкообразование при обработке конструкционных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Том 2, №12. -

Москва, 2011. - С. 314-322

3.Янюшкин А.С., Сафонов С.О., Лобанов Д.В. и др. Совершенствование технологических процессов машиностроительных производств. - Братск: Изд-во БрГУ, 2006. - 302 с.

4.Шаламов В.Г. Математическое моделирование при резании металлов: учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮжУрГУ, 2007.

5.Шаламов B.Г., Савельев Д.А., Сметанин C.Д. Получение порошковых материалов ротационным точением // Вестник машиностроения. – 2012. – № 11. – С. 56-58.

УДК 621.9.06-529

НЕЙРОСЕТЕВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПЕРАТИВНЫЙ ВВОД КОРРЕКЦИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА СТАНКАХ С ЧПУ

А. И. Стариков, Р. Ю. Некрасов, У. С. Путилова

г. Тюмень, Тюменский государственный нефтегазовый университет

Для повышения точности обработки на станках с ЧПУ предусматривается использование специализированных управляющих программ, в которых траектория движения формообразующего инструмента предварительно искажается с целью компенсации прогнозируемых отклонений расположения элементов технологических систем, возникающих при изменении входных параметров процесса резания. Определение параметров предварительных коррекций обуславливает необходимость прогнозирования силовых и температурных нагрузок и диагностирования процесса обработки с учетом вариации припусков на обработку, изменений износа инструмента, колебаний твердости заготовок и др. Решение задачи определения

53

коррекций осложняется тем, что в условиях современного отечественного производства в эксплуатации находится технологическое оборудование, имеющее существенно различающуюся, а, зачастую, и высокую степень износа (до 80% станков с ЧПУ по нормам точности выработали свой ресурс). При этом параметры жесткости даже однотипных станков, различаются настолько, что в общем случае расчетный метод определения погрешностей обработки становится неприемлемым.

В современных металлорежущих станках используются различного рода диагностические системы, основной функцией которых является контроль параметров состояния элементов технологических систем (например, изнашивание инструмента) в процессе обработки. Однако большая часть этих систем предназначена для использования в статическом режиме и, соответственно, диагностирует статические отклонения. Для диагностики текущих изменений отклонений, которые возникают в процессе резания и зависят от жесткости технологической системы, функциональных изменений сил резания и др., использование традиционных расчетных методов также не применимо.

Суммарная погрешность механической обработки проявляется как результат совместного влияния факторов, вызывающих появление погрешностей. Определить суммарную погрешность простым арифметическим сложением составляющих погрешностей нельзя, так как направление вектора отклонений расположения элементов технологических систем в процессе обработки, например, сложных фасонных поверхностей на станках с ЧПУ, как правило, непрерывно изменяется. Меняется и степень влияния переменных параметров процесса резания на точность обработки, т. е. на величину результирующей погрешности. Поэтому, чаще всего, отдельные погрешности, возникающие при механической обработке, рассматривают как случайные, т. е. такие, о которых нельзя заранее сказать, когда они появятся и каково будет их действительное значение при обработке очередной заготовки.

Создать систему диагностики и управления, которая в режиме реального времени обеспечивает не только определение возникающих погрешностей механической обработки, но и оперативно вводит коррекции в траекторию движения инструмента с целью компенсации непрерывно изменяющихся отклонений расположения элементов технологических систем, позволяет нейросетевое моделирование. Построение данной системы возможно по схеме диагностики и оперативного ввода коррекции в траекторию движения исполнительного рабочего органа (рис. 1), представленной в работе Н.А. Проскурякова [5]. Использование предлагаемой системы обуславливает целесообразность замены работающего по методу аппроксимации интерполятора при применении которого кривая задаваемой функции проходит точно через определенные предварительными расчетами точки и в режиме реального времени не позволяет вводить изменение их координат.

54

Рис. 1. Схема диагностики и оперативного ввода коррекции в траекторию

Анализ показывает, что априорной информации об уравнении модели не существует и для решения поставленной задачи наиболее подходит метод непараметрической идентификации, который реализуется с использованием нейросетевого подхода и нейронной сети [2]. Нейронная сеть - это программная реализация математической модели, основной задачей которой является прогнозирование возникающих погрешностей и оперативное вмешательство в процесс управления.

На рис. 2 [1] изображена схема нейронной сети, использование которой применимо к решению поставленной задачи.

Рис. 2. Схема нейронной сети

55

На рис. 2 под цифрами обозначены: 1 – входные сигналы от органов управления и диагностики механообрабатывающего оборудования; 2 – сумматор входных сигналов; 3 – вычислитель передаточной функции; 4 – выходные сигналы.

Нейроны, в основном, классифицируют на основе их положения в топологии сети и разделяют на входные, выходные и промежуточные. Выходные нейроны — представляют из себя выходы сети, в которых производятся какие-либо вычислительные операции. Промежуточные нейроны — выполняют основные вычислительные операции [4]. Применительно к рассматриваемым условиям обработки на станках с ЧПУ зависимости (1,2) целесообразно использовать для определения единственно возможного выходного параметра через его входы, которые представляются в виде

	y f u ,	(1)
	n
	u i xi 0 x0 ,	(2)
где: i	i 1
	— сигналы на входе нейрона,
xi	— вес входа,
u	— функция или индуцированное локальное поле,
f u	— передаточная функция.

Определение передаточной функции позволяет получить зависимость сигнала на выходе нейрона от взвешенной суммы сигналов на его входах. В большинстве случаев она является монотонно возрастающей и имеет область значений [-1,1] или [0,1]. Искусственный нейрон полностью характеризуется своей передаточной функцией. Использование различных передаточных функций вносит нелинейность в работу нейросетевой модели, что позволяет определять погрешности, возникающие при механической обработке на станках с ЧПУ. На рис. 3 приведена непараметрическая кривая погрешностей механообработки.

Рис. 3. Непараметрическая кривая погрешностей механообработки

Представленная на рис. 3 кривая на отдельных участках описывается различными зависимостями, которые могут быть представлены математическими уравнениями линейной функции. Таким образом, если уменьшить

56

частоту дискретизации, то можно воспользоваться линейной передаточной функцией нейросетевой модели (формула 3).

f x tx ,

(3)

где t – параметр функции.

Вискусственных нейронных сетях со слоистой структурой нейроны

слинейной передаточной функцией, составляют входной слой. Кроме простой линейной функции могут быть использованы ее модификации. Например: полулинейная функция [7] или шаговая (линейная функция с насыщением), может быть представлена в виде (4)

		x 0
	0 if
f x	1 if	x 0
			,	(4)
	x else

При этом сдвиг функции (в рассматриваемом варианте – коррекция траектории перемещения исполнительного рабочего органа станка с ЧПУ) возможен по обеим осям. Недостатками шаговой и полулинейной активационных функций относительно линейной можно назвать то, что они не являются дифференцируемыми на всей числовой оси, и, следовательно, не могут быть использованы при обучении нейронной сети по некоторым алгоритмам [8].

Таким образом, проведенный анализ и обоснование позволяют сделать заключение о возможности и целесообразности реализации нейросетевого подхода при проектировании системы диагностики и оперативного управления процессами обработки на станках с ЧПУ.

Список литературы

1.Дьяконов В.П, Круглов В.В. MATLAB 6.5 SP1/7/7 SP 1/7 SP2 Simulink 5/6.

Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики. М: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. – 456 с.: ил.

2.Геометрические параметры и модель разрушений режущего лезвия инструмента Силич А.А., Утешев М.Х., Некрасов Р.Ю., Путилова У.С., Некрасов Ю.И. // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2012. № 2. С. 108-113.

3.Капалин В.И., Прокопов Б.И. Методы идентификации. М. МИЭМ. 1998.-89с.

4.Круглов В. В., Борисов В. В. — Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия – Телеком, 2002. — 284 с.

5.Проскуряков Н.А. Разработка интегрированной системы диагностики и управления процессами обработки на токарных станках / Дисс. на соиск. учен. степ.

к.т.н. // Тюмень. 2005. – 302 с.

6.Пупков К.А., Капалин В.И., Ющенко А.С. Функциональные ряды теории нелинейных систем. М: Наука, 1976. – 448 с.: ил.

7.Терехов В. А. — Нейросетевые системы управления. М.: "Высшая школа", 2002. - 183 с. [10]

8.Усков А.А., Кузьмин А.В. Интеллектуальные технологии управления. Искусственные нейронные сети и нечеткая логика. М.: Горячая линия -Телеком, 2004. – 143 с.

57

УДК 621.9.02.01

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Д. С. Альмагамбетова, Н. О. Позднякова, О. В. Сырцева

г. Тюмень, Тюменский государственный нефтегазовый университет

Всовременных условиях эффективность производственной деятельности предприятий машиностроения в значительной мере определяется использованием современной инструментальной и технологической оснастки, важнейшим элементом которой является режущий инструмент. В конструкциях режущего инструмента все более широкое распространение приобрело механическое крепление сменных многогранных пластин (СМП) из различных инструментальных материалов, чаще из металлокерамического инструментального твердого сплава, так как не требует пайки

изаточки, исключает появление микротрещин, создает благоприятные предпосылки для унификации, использования стандартных узлов и элементов, способствует повышению производительности обработки, а также росту экономической эффективности процессов металлообработки.

Существует большое количество практических рекомендаций в инструментальных каталогах и справочниках по применению сборного режущего инструмента, однако до сих пор не разработаны инженерные методики выбора и расчета СМП, направленные на повышение прочности и работоспособности.

Принципиально новый подход для решения этой проблемы стал возможным с появлением мощных программных комплексов на основе метода конечных элементов. Поэтому повышение эффективности применения сборного инструмента на основе исследования напряженнодеформированного состояния и прочности СМП при механической обработке путем создания инженерного метода расчета основных параметров СМП на основе «прочностного подхода» и определение условий их «максимальной работоспособности», является актуальной проблемой [1].

Вработе Е.В. Артамонова, А.Ю. Свиридова, М.Ю. Чернышова «Проблемы прочности и работоспособности сборных сверл» [2] установлены основные причины, определяющие характер разрушения и износа режущих элементов таких инструментов:

1) высокие силовые и температурные нагрузки;

2) износостойкость и прочность твердого сплава;

3) неоптимальные геометрические и конструктивные параметры. Анализ работы [2] позволяет сделать вывод о том, что оптимизиро-

вать конструктивные, геометрические параметры и условия нагружения

58

режущих элементов из твердых сплавов, необходимо на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

При использовании инструмента с СМП одной из немаловажных становится проблема выбора конструктивных и геометрических параметров пластин. При обработке напайным инструментом его параметры необходимо довести до нужной геометрии с использованием заточки, что неприменимо при обработке сборным инструментом с СМП.

Всвязи с разнообразием форм изготавливаемых деталей возникает необходимость классифицировать их по какому-либо признаку. Для этого обработка «разбивается» на отдельные переходы, а затем выбирается пластина. Основные типы пластин различают по четырем конструктивным признакам: по числу рабочих граней, по форме передней грани, с отверстием и без отверстия, с задним углом, большим или равным нулю. При выборе формы передней поверхности режущей пластины необходимо учитывать с одной стороны получение оптимальных значений переднего угла режущего лезвия, переднего угла на фаске и ширины фаски, обеспечивающих высокую износостойкость, прочность и виброустойчивость инструмента, а с другой – гарантирование дробления стружки при данных условиях обработки [1].

Вработе Е. В. Артамонова, В. В. Киреева «Напряженнодеформированное состояние сменной режущей пластины червячной фрезы» [3] для анализа процесса фрезерования червяной фрезой в системе «Компас-3D» было графически промоделировано движение заготовки и червяной фрезы и построены контуры режущих кромок зубьев червячной фрезы. При исследовании влияние какого-либо параметра СМП на их на- пряженно-деформированное состояние сравнивались величины и характер распределения главных напряжений 1 , полученные при расчете конечно-

элементных моделей СМП.

Граничные силовые характеристики авторы определяли по методике профессора Ю. А. Розенберга, что позволило исследовать напряженнодеформированное состояние СМП с использованием графического определения «пятна контакта», и определять НДС пластины в любой момент фрезерования [3]. Таким образом, была разработана методика определения НДС пластин в зависимости от «пятна контакта» по передней поверхности зуба сборной фрезы для обработки зубчатых колес.

По данным авторов, неточный подбор марки инструментального твердого сплава (ИТС) также является причиной разрушения и износа режущих элементов. В настоящее время ИТС выбирают исходя из данных справочных таблиц или рекомендаций заводов изготовителей ИТС. Однако, по этим источникам для конкретного обрабатываемого материала трудно подобрать подходящую марку ИТС, так как рекомендации общие и предлагается несколько марок твердых сплавов, а следует выбор одного материала.

59

Вработе Е.В. Артамонова, Д.С. Василеги, А. М. Тверякова «Диаграмма выбора инструментального твердого сплава по обрабатываемому материалу» предложена «модель выбора ИТС» по обрабатываемому материалу для конкретных условий с учетом характеристик как инструментального, так и обрабатываемого материалов.

По Е. В. Артамонову «температура максимальной работоспособности» твердого сплава определяется по его физико-механическим характеристикам [4] и она является «оптимальной с точки зрения ИТС». Температура «максимальной обрабатываемости», определяется по механическим характеристикам обрабатываемого материала [5] и является «оптимальной

сточки зрения обрабатываемого материала», что соответствует условиям «максимальной обрабатываемости». Следовательно, по данным авторов, «идеальным» будет вариант совпадения этих температур и из этого условия, очевидно, следует производить выбор ИТС.

Это условие было положено в основу модели выбора ИТС по физи- ко-механическим характеристикам инструментального и обрабатываемого материалов. Предложенная модель хороша еще тем, что помимо выбора марки ИТС, определена и температура, при которой необходимо производить обработку данного материала. А по известной температуре, подобрать режимы резания «не составляет большого труда» [6].

Вработе Е.В. Артамонова, Д.С. Васильева «Определение рациональных режимов резания по виду стружки» указано, что данные справочной литературы «не позволяют в полной мере определить» режимы резания для материалов новых марок. Несмотря на их «одинаковые физические характеристики», в процессе резания обрабатываемые материалы ведут себя совершенно по-разному. Для определения оптимальных режимов резания и условий «максимальной работоспособности инструментов» необходимы трудоемкие и дорогостоящие стойкостные лабораторные испытания, что ведет к существенным финансовым затратам, а также к потере времени.

Авторами были «спроектированы и собраны» несколько экспериментальных установок, с помощью которых был проведен ряд лабораторных опытов и разработана экспериментальная методика определения оптимальных режимов резания для новых обрабатываемых и инструментальных материалов. При этом использовалось устройство с «одноинструментальной» естественной термопарой. Исследование проводилось как при «разных режимах резания» (S=0,11; S=0,21 и S=0,52), так и «разных скоростях резания», а «режимные условия формировались» так, чтобы охватить

весь температурно-скоростной диапазон, начиная с температуры 200 С и заканчивая «температурой потери формоустойчивости» режущего клина из

ВК8 - более 9000 С [7].

При анализе данных, полученных Е.В. Артамоновым и Д.С. Василь-

евым, в ходе экспериментов ими прослеживалась «общая закономерность для всех материалов» в зависимости от температурного диапазона:

- температурный диапазон от 200 С до 3000 С - стружка элементная;

60