Анализ состояния вопроса

ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества изготовления деталей – одно из важнейших требований к технологии механической обработки и станкам. Это особо актуально при внедрении компьютеризированного производства, строящегося на принципах безлюдной технологии (автоматизированные заводы, базирующиеся на активном применении SCADA технологии). Под качеством будем понимать совокупность показателей точности обработки, безотказности и производительности.

Один из перспективных путей повышения качества обработки заключается в создании и применении интеллектуальных систем управления технологическим оборудованием, обеспечивающих изготовление деталей с учётом технических характеристик и состояния станка, режущего инструмента, заготовки и информационно-измерительной подсистемы.

В настоящее время интенсивно развиваются и находят широкое воплощение такие актуальные научные направления как интеллектуальное управление и мехатронные системы. Первое из них охватывает широчайший круг проблем и приложений, начиная от бытовой техники с микропроцессорным управлением и заканчивая космическими аппаратами и сложнейшими организационными системами. Второе, касающееся машин различного назначения с компьютерным управлением, включает интеллектуализацию управления как необходимую составляющую современных мехатронных объектов.

При проектировании интеллектуальных систем управления мехатронными объектами разработчику требуется обладать необходимыми знаниями не только в области общих принципов построения интеллектуальных систем, но и в области поведения конкретной технологической системы с учетом специфики решаемой технологической задачи. База знаний системы управления должна отражать опыт управления с учетом свойств, как самого технологического объекта, так и свойств объекта обработки, свойств процессов технологического преобразования и анализа его результатов.

Необходимость автоматизации данной задачи заключается в том, что на предприятии существует большое количество технологического оборудования, и нет единой системы учета всех индивидуальных характеристик каждого технологического объекта в частности и управления ими в целом.

1.      АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Общеизвестно, что качество изделий характеризуется совокупностью свойств и мерой полезности изделий, удовлетворяющих определенным потребностям в соответствии с их назначением. Качество определяется при совместной оценке технических, эксплуатационных, конструкторско-технологических параметров, норм надежности, долговечности и пр.  Комплексный критерий качества промышленных изделий – степень соответствия технико-экономических и потребительских свойств уровню изделия, служащего эталоном качества.

Важнейшей характеристикой качества большинства приборов, технологических машин, в том числе, металлорежущих станков, вычислительных машин, управляющих устройств и многих других изделий машиностроения и процессов является их точность. Обычно точность характеризуется некоторой совокупностью параметров и степенью соответствия рассматриваемого параметра предмета, вещества или процесса к его теоретическому номинальному значению.

Современные мощные и высокоскоростные машины не могут функционировать при недостаточной точности их изготовления в связи с возникновением дополнительных динамических нагрузок и вибраций, нарушающих нормальную работу машин и вызывающих их ускоренный износ и разрушение.

Повышение точности изготовления деталей и сборки узлов увеличивает долговечность и надежность эксплуатации механизмов и машин. Этим объясняется непрерывное повышение требований к точности изготовления деталей машин в целом. В настоящее время для многих точных изделий требуются детали с допусками в несколько микрометров или даже нанометров.

Многообразные причины, вызывающие появление погрешностей при обработке деталей, можно разделить на два основных вида: причины систематического характера и причины случайного характера.

Систематической называется такая погрешность, которая для всех деталей рассматриваемой партии остается постоянной или же закономерно изменяется по времени или по длине пути резания.

Случайной называется такая погрешность, которая для различных деталей рассматриваемой партии имеет различные значения, причем ее появление не подчиняется никакой видимой закономерности.

Суммарная погрешность обработки в станках с ЧПУ формируется проявлением множества взаимосвязанных ошибок, возникающих в несущей системе станка, в приводе его рабочих органов, в системе управления и контроля, в инструменте и самой обрабатываемой детали.

Классификация погрешностей при обработке на станках с ЧПУ:

1.  Виды погрешностей детали:

•          размеров поверхностей,

•          формы поверхностей,

•          взаиморасположения,

•          шероховатости.

2.   Источник  возникновения погрешностей:

•          заготовка,

•          инструмент,

•          оснастка,

•          несущая система станка,

•          механизмы привода,

•          источники механической энергии - двигатели,

•          система управления,

•          измерительная система,

•          программа ЧПУ,

•          процесс обработки – резание,

•          процессы износа и старения,

•          начальная настройка,

•          внешняя среда.

3.  Причины, порождающие погрешности обработки:

•          начальные геометрические  и кинематические погрешности станка,

•          нестабильность геометрических параметров заготовки и свойств материала ( неоднородность физико-механических свойств),

•          нестабильность процесса резания по вектору усилия резания (динамика) и тепловыделениям,

•          нестабильность процессов трения,

•          износ инструмента,

•          упругие силовые деформации,

•          температурные деформации,

•          колебания параметров энергоснабжения (силового питания),

•          помехи  в системе управления и преобразования информации,

•          стохастичность динамических  характеристик системы автоматического управления,

•          погрешности датчиков,

•          погрешности программы,

•          износ, старение элементов несущей системы и передач,

•          погрешности установки заготовки и начальной настройки станка,

•          внешние воздействия.

4.  Характер погрешностей:

•          систематические постоянные,

•          систематические переменные (функционально изменяющиеся),

•          случайные.

5.  Период возникновения: начальные, образующиеся до периода резания,

•          в процессе резания,

•          после окончания обработки.

6.  Длительность действия:

•          быстропротекающие, возникающие в процессе резания, динамические,

•          процессы средней длительности (например, температурные деформации),

•          длительные процессы (износ, старение).

Следует учитывать, что в процессе обработки, и в основном через этот процесс, источники образования погрешностей (подсистемы) находятся в сложной совокупности взаимосвязей.

На данный момент существует системы, способные частично решать поставленную проблему. Одним из таких решений является система цифрового макетирования.

Информация об объекте, содержащаяся в PLM-cистеме является цифровым макетом этого объекта.

Цифрово́й маке́т — совокупность электронных документов, описывающих изделие, его создание и обслуживание. Содержит электронные чертежи и/или трёхмерные модели изделия и его компонент, чертежи и/или модели необходимой оснастки для изготовления компонент изделия, различную атрибутивную информацию по компонентам (номенклатура, веса, длины, особые параметры), технические требования, директивные документы, техническую, эксплуатационную и иную документацию.

Цифровые макеты применяются при разработке и производстве на следующих предприятиях в России:

•          Павловский Автобусный Завод

•          Ульяновский автомобильный завод

•          Гражданские самолёты Сухого

Главным недостатком такой системы по сравнению с разрабатываемой системой является отсутствие методов аналитики, проектирования баз знаний об объекте и возможности осуществлять интеллектуальное управление на основе полученных баз знаний. Однако такая система вполне может быть положена в основу разрабатываемой. Для этого рассмотрим более детально состав цифрового макета.

Состав цифрового макета:

•          Система управления документами — один или несколько программных комплексов, организующих документы цифрового макета в единое целое и управляющая их жизненным циклом. В настоящее время в качестве системы управления используются системыPDM или PLM.

•          Система управления составом изделия — даёт возможность создавать абстрактную структуру изделия, не имеющую жёсткой связи с файлами САПР-систем, что позволяет легко изменять состав изделия в зависимости от конфигурационных вариантов или целевого исполнения. При наличии системы управления составом изделия возможно применять один и тот же цифровой макет для выпуска и обслуживания всех модификаций и исполнений изделия.

•          Система управления жизненным циклом документов — включает в себя средства коллективной работы по просмотру, верификации и утверждению новых документов и по внесению изменений в ранее утверждённые документы. При использованииэлектронной подписи или принятого на предприятии её аналога возможна разработка и эксплуатация изделия по полностью безбумажной технологии.

•          Система управления жизненным циклом изделия — является набором средств и настроек для представления цифрового макета на различных этапах создания и существования изделия: конструировании, производстве, обслуживании и утилизации.

•          Трёхмерная модель — совокупность файлов одной или нескольких САПР-систем, представляющих объёмные модели частей и компонент изделия. Взаимное и абсолютное позиционирование в небольших изделиях может управляться САПР-системой, для больших проектов управление позиционированием осуществляется PDM-системой.

•          Облегчённая трёхмерная модель — модель, полученная при помощи фасеточной аппроксимации модели из исходной САПР. Применяется для просмотра и анализа модели изделия средствами системы управления документами без использования САПР. Также, из-за меньшего объёма и простоты требует гораздо меньше машинных ресурсов для своего отображения. Наиболее употребимыми форматами облегчённого представления являются JT и CGR.

•          Атрибутивные данные — данные, характеризующие и описывающие элементы цифрового макета. Например, для разработанной на данном предприятии детали атрибутивными данными будут: имя и отдел разработчика, материал, вес, набор и значения контролируемых параметров. Для стандартных изделий: обозначение ГОСТа, типоразмер. Для покупных изделий: наименование поставщика, номенклатура поставщика, список альтернатив.

•          Технологические данные — данные, содержащие необходимые указания для производства: используемые инструменты, материалы, технологии, средства контроля и так далее. Результаты расчётов различных средств CAE.

•          Производственные данные — данные по организации производства: проектирование и изготовление оснастки, технологические процессы, библиотеки операций и переходов. Программы для станков ЧПУ. Результаты моделирования средствами CAM.

•          Документация — всевозможные документы, так или иначе связанные с изделием. Например, директивные документы, изменяющие этапы жизненного цикла элементов цифрового макета. Эксплуатационная и ремонтная документация, связанная как с изделием в целом, так и с отдельными деталями и узлами изделия.

Вся вышеперечисленная информация также соответствует концепции автоматизированного интеллектуального сопровождения технологического объекта в его жизненном цикле.

1.1 Анализ объекта управления

В качестве объекта управления был выбран многоцелевой сверлильно-фрезерно-расточной горизонтальный станок 2204ВМФ4.

Таблица 1 – основные технические характеристики станка 2204ВМФ4