Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор состояния вопроса 10
1.1. Развитие комбинированных методов обработки в аспекте повышения качества продукции 10
1.2. Методы технической диагностики объектов 14
1.2.1. Оценка показателей качества обработанной поверхности средствами технической диагностики 17
1.2.2. Выбор сигнала для диагностики процесса 19
1.3. Анализ методов оценки технологических показателей процесса 23
1.4. Анализ методов моделирования 28
1.5. Цель и задачи исследования 31
2. Системный подход к анализу комбинированного технологического воздействия 33
2.1. Подсистема управления качеством в структуре технологической системы, реализующей комбинированное технологическое воздействие 33
2.1.1. Структуры подсистем, входящих в технологическую систему 3 5
2.2. Моделирование взаимосвязей явлений, составляющих комбинированное технологическое воздействие 40
2.2.1. Системный подход к описанию явлений, составляющих комбинированное технологическое воздействие 40
2.3. Пути совершенствования комбинированного технологического воздействия в условиях управления качеством 51
2.4. Методика функционирования подсистем управления качеством и технической диагностики 54
2.5. Выводы 60
3. Прогнозирование показателей качества поверхности при комбинированном технологическом воздействии 62
3.1 Обработка регистрируемых сигналов 62
3.2. Разработка моделей теоретического сигнала и процесса для оценки показателей качества обработанной поверхности ...69
3.3. Математическое описание механического воздействия 75
3.3.1. Математическое описание профиля инструмента 75
3.3.2. Кинематика механического воздействия 77
3.3.3. Математическое описание режущей поверхности шлифовального круг 81
3.3.4. Влияние силовых факторов на кинематику механического воздействия 86
3.3.5. Математическое описание макро- и микро профиля обработанной поверхности 89
3.4. Определение параметров электрохимического воздействия 91
3.5. Схема замещения цепи технологического тока 95
3.6. Алгоритм адаптации моделей и результаты моделирования 104
3.7. Выводы 113
4. Управление показателями качества поверхности на основе оптимальных решений 114
4.1. Поиск оптимальных решений в подсистеме управления качеством 114
4.2. Управление показателями качества криволинейных поверхностей при алмазном электрохимическом шлифовании 119
4.2.1. Факторы, влияющие на показатели качества поверхности пера лопаток ГТД при АЭХШ 119
4.2.2. Стабилизация показателей качества обработанной поверхности вдоль профиля поперечных сечений 121
4.2.3. Стабилизация показателей качества обработанной поверхности вдоль профиля продольных сечений 128
4.3. Выводы 132
5. Средства оснащения теоретических и экспериментальных исследований 134
5.1. Методическое и аппаратурное оснащение проведенных экспериментов 134
5.1.1. Описание основных элементов измерительного комплекса 135
5.1.2. Экспериментальное оборудование 136
5.1.3. Условия проведения экспериментов 138
5.2. Модели временных выборок и вейвлет-спектров сигналов 141
5.3. Блок обработки регистрируемых сигналов 146
5.4. Управляемый источник технологического напряжения 149
5.5. Выводы 153
Основные выводы 154
Список использованных источников 156
Приложение 170
- Оценка показателей качества обработанной поверхности средствами технической диагностики
- Системный подход к описанию явлений, составляющих комбинированное технологическое воздействие
- Разработка моделей теоретического сигнала и процесса для оценки показателей качества обработанной поверхности
- Стабилизация показателей качества обработанной поверхности вдоль профиля поперечных сечений
Оценка показателей качества обработанной поверхности средствами технической диагностики
Качество закладывается в изделие в процессе его разработки и производства, а оценивается при эксплуатации. Поэтому качество изделия, оцениваемое количественными и качественными характеристиками, планируется как при его проектировании, так и при разработке процесса его изготовления [20].
Контроль качества осуществляется путем сравнения запланированного показателя качества с реальным его значением. Цикл управления и обеспечения требуемого качества включает в себя: обнаружение отклонения показателей качества от заданных их значений, поиск причин его появления, корректировку процесса производства, контроль скорректированных показателей качества [45, 70, 112].
Одной из основных составляющих качества, на которое обращается особое внимание, является качество процесса производства. В свою очередь качество процесса характеризуется его результативностью, эффективностью и гибкостью и во многом зависит от четырех элементов [20, 45]: - высокотехнологического оборудования, позволяющего осваивать новые технологии; - метода обработки, расширяющего технологические возможности оборудования; - кадровой политики, направленной на переобучение и побуждение рабочих работать более качественно; - стандартов по качеству и эффективности. Оперативность реагирования производства на изменения требований рынка обеспечивается за счет непрерывного и планомерного улучшения качества всех элементов, составляющих процесс производства.
К новым высокоэффективным методам, позволяющим повысить качество обработки труднообрабатываемых материалов, обеспечить долговечность и износостойкость изготовляемых деталей относятся методы электрохимической, электроэрозионной, ионно-плазменной, лазерной, электронно - лучевой и т.п. обработки [5, 44, 47, 87, 98]. Эти методы значительно отличаются между собой природой технологического воздействия на материал, областью применения, технологическими показателями и эффективностью.
Расширение технологических возможностей данных методов обеспечивается при их комбинировании, как между собой, так и с методами механической обработки [14, 32, 44, 62, 76, 84].
Несмотря на многообразие возможных сочетаний методов обработки [1, 14, 32, 44, 99] широкое распространение получили механо-физико-химические методы, основанные на комбинации механического воздействия на обрабатываемую поверхность с электрохимическим и электроэрозионным воздействиями. Данная группа комбинированных методов обработки (КМО) включает: алмазное электрохимическое шлифование (АЭХШ), алмазное электроэрозионное шлифование (АЭЭШ), электрохимическое хонингование (ЭХХ), алмазно-электролитическую обработку (АЭО) электроэрозионно-механическое упрочнение (ЭЭМУ), гальвано-механическое осаждение (ГМО). Высокие технологические показатели этих КМО объясняются синергетическим эффектом.
На этапе внедрения новых процессов на основе КМО были выработаны рекомендации по выбору схем технологического воздействия, реализуемой технологической системой (ТС) [5, 39, 87, 98], рабочих режимов [69, 87, 88, 98, ПО, 118], получены модели, раскрывающие основные физические закономерности КМО [5, 14, 21, 39, 84, 98, 130]. В настоящее время решается задача повышения эффективности КМО, которая включает в себя [5,78]: - повышение качества обработанных деталей за счет: по вышения точности изготовления деталей, достижения необходи мого качества обработанной поверхности (волнистости, шерохо ватости), создания поверхностного слоя с заданными физико механическими свойствами, устранения следов технологической наследственности (наклепа, прижогов, растравливания, трещин и др-); - повышение производительности процесса за счет преобра зования пространственно-временных и энергетических условий существования составляющих комбинированного технологиче ского воздействия; - повышение гибкости процесса за счет выявления новых технологических возможностей. Для повышения качества обработанных деталей используют два пути. Первый заключается в разработки нового оборудования и технологической оснастки для реализации КМО. Однако данный путь характеризуется большими временными и стоимостными затратами. Второй путь заключается в оптимальном использовании большого потенциала технологических возможностей КМО с учетом конкретных особенностей обрабатываемой поверхности, состояния оборудования и технологической оснастки. Такой путь повышения качества базируется на использовании современных средств контроля, управления и диагностики. В большинстве работах, посвященных КМО, при оценке показателей качества обработанной поверхности не учитывается влияние параметров, характеризующих текущее состояние элементов технологической системы [14, 39, 50, 61, 84, 102]. В этих работах задача повышения качества решается за счет варьирования параметрами режима и схем обработки. Например, в работе по АЭЭШ [84] экспериментальные исследования влияния параметров режима обработки на точность, шероховатость и физико-механические свойства поверхностного слоя обрабатываемой детали позволили автору выработать рекомендации по выбору зернистости, марки связки шлифовального круга, рабочего напряжения и характеристик источника питания, схемы шлифования (встречное, попутное).
В работе [14] представлена методика выбора рациональных режимов обработки на основе результатов моделирования и экспериментальных исследований процесса АЭХШ. Методика включает выбор электролита, глубины шлифования, числа проходов, частоты вращения шлифовального круга, продольной подачи, рабочего напряжения, зернистости круга. В качестве оптимизируемых технологических показателей обработки использовались: производительность, точность и шероховатость поверхности. На основе полученных зависимостей определялся оптимальный режим обработки, обеспечивающий максимальную производительность.
Системный подход к описанию явлений, составляющих комбинированное технологическое воздействие
По степени принадлежности к энергетическим источникам, возникающим от непосредственного воздействия инструмента на обрабатываемый материал, сигналы можно разделить на две группы. К первой группе можно отнести сигналы, источники которых генерируют от первичного преобразования вводимой энергии. Сигналы первой группы дают представление о характере преобразования, передачи и использования вводимой энергии.
Ко второй группе относятся сигналы, возникающие вследствие излучения избыточной энергии, появление которого связано со стремлением любой системы к состоянию с минимумом энергии. Поэтому сигналы второй группы отражают динамические и статистические характеристики процессов, происходящих при технологическом воздействии.
Известно [47], что наибольшей информативностью с точки зрения диагностики процесса обладают сигналы первой группы. Так как техническая реализация прямого измерения интересующих параметров и показателей при комбинированных технологических воздействиях, как правило, затруднена, в основном при исследовании используются косвенные измерения, основанные на контроле характеристик физических полей, генерируемых явлениями в процессе технологического воздействия. При этом используются акустические, тепловые, радиационные, электрофизические, радиоволновые и оптические методы технической диагностики.
При исследовании технологических показателей механо-физико-химических процессов, содержащих механическое воздействие на материал, распространение получили виброакустические [6, 16, 46, 51, 94, 106], тепловые [36, 107] и электрические сигналы [46, 84, 106, 120].
Виброакустическое излучение представляет собой упругую энергию, которая генерируется зоной разрушения или деформации твердого тела. Акустический сигнал [48, 58, 80, 129] регистрируется пьезоэлектрическим датчиком, воспринимающим ударные волны, возникающие при высвобождении энергии. Достоинствами метода виброакустической диагностики является возможность регистрация акустического сигнала в широком диапазоне частот, простота технической реализации съема сигнала. Однако ряд особенностей виброакустической диагностики: отражение звуковых волн на границе раздела сред, неоднородность передающих сред, дисперсия и затухание звуковых волн приводят к тому, что основными методами моделирования механического воздействия на основе информации, представленной виброакустическим сигналом являются методы моделирования [24, 46, 106] статистического и распознавания образов. При использовании последних, возможно получение достоверной оценки только частот колебаний, возникающих при технологическом воздействии, что недостаточно для раскрытия связей информации, содержащейся в сигнале, с технологическими показателями обработки, а также для исследования технологического воздействия.
В тепловых методах, основанных на измерении температур по тепловому излучению, для регистрации сигнала используют радиационные пирометры и тепловизорные приборы [48, 58, 80]. Широкое распространение эти методы не получили, из-за значительных технических трудностей регистрации сигнала и невозможности применение аналитического метода моделирования теплового воздействия вследствие значительной интерференции в рабочей зоне тепловых волн.
Методы технической диагностики, основанные на использовании электрических сигналов нашли применение при механической обработке [33, 36]. Возникающие колебания в процессе микрорезания возбуждают волны различных частот, которые генерируют ЭДС, соответствующую частотам всего спектра колебаний. Переменная составляющая ЭДС, характеризует колебания энергии на контактных поверхностях режущего инструмента -детали и зависит от физико-механических свойств инструмента и детали, а также силы резания, фактической площади контакта, вибрации, адгезии. Таким образом, электрические сигналы несут комплексную характеристику процессов микрорезания. Однако, регистрация таких сигналов возможна при механической обработке токопроводящим инструментом, при этом наблюдается наложение сигналов от комбинируемых с ним процессов электрической природы, что приводит к сложности моделирования процесса на основе такой информации.
При выборе сигналов немаловажно учитывать степень влияния на их информативность пространственно-временного удаления от источников точек их регистрации. В связи с этим сигналы подразделяются на зависимые и независимые, или рассеивающие и направленные. К зависимым, рассеивающим сигналам можно отнести тепловое электромагнитное излучение, волны акустической эмиссии напряжений и виброакустическое излучение. К независимым и направленным сигналам относится электрический сигнал.
Разработка моделей теоретического сигнала и процесса для оценки показателей качества обработанной поверхности
Группа D включает в себя совокупности явлений (от преобразования вводимой энергии), которые формируют энергетические потоки, несущие информацию об условиях существования последовательностей явлений, относящихся к группам А, В, С.
Последовательность явлений, входящих в группу А формирует энергетический поток, направленный в обрабатываемый материал. Совокупность явлений, входящих в группу В распространяет энергетический поток в обрабатываемый материал и формирует условия для возникновения явлений четвертой группы, позволяющих использовать энергетические потоки в качестве информационных. Совокупность явлений, входящих в группу D распространяет энергетический поток в рабочую среду и инструмент, а также создает условия для возникновения явлений четвертой группы, позволяющих использовать энергетические потоки в качестве информационных.
Например, при микрорезании в результате возникновения явлений, входящих в группу А, от первичного преобразования механической энергии (движение и размножение дислокаций, разрыв атомных связей) осуществляется упругопластическое деформирование и трещинообразование. При этом в результате возникновения явлений, входящих в группы В и С часть энергии в процессе деформации и трещинообразования расходуется на нагрев зон контакта заготовки и инструмента, на образование волн упругих напряжений и виброперемещений и на образование ЭДС. Дальнейшее преобразование и передача энергии за счет явлений, входящих в группу D формирует энергетические потоки, которые используются в качестве информационных, например, тепловое электромагнитное излучение, волны акустической эмиссии напряжений и виброакустическое излучение.
При электрохимическом воздействии явления (от первичного преобразования электрической энергии), входящие в группу А, протекают в двойном диэлектрическом слое, осуществляя электролиз, окисление, ослабление металлических связей кристаллической решетки. В результате возникновения явлений, входящих в группы В и С, часть электрической энергии в процессе анодного растворения расходуется на нагрев рабочей среды и электродов, газообразование. При этом дальнейшее преобразование и передача электрической энергии за счет явлений, входящих в группу D формирует энергетические потоки, которые используются в качестве информационных, например, тепловое излучение, газовыделение, электрический ток.
При электроэрозионном воздействии в результате возникновения явлений, входящих в группу А, осуществляется нагрев металла - излучение фотонов метастабильными атомами, образование канала разряда - электронная эмиссия, образование плазмы - ударная ионизация. В результате возникновения явлений, входящих в группы В и С, часть электрической энергии расходуется на нагрев рабочей среды и зон воздействия, газообразование, на образование волн упругих напряжений, на фазовые, структурные и химические превращения. В результате возникновения явлений, входящих в группу D, образуются информационные потоки: тепловое излучение, волны акустической эмиссии напряжений и виброакустическое излучение.
На основе проведенной систематизации явлений, составляющих одно технологическое воздействие, предложено следующее описание пересекающих связей явлений при комбинировании технологических воздействий: где X, Y, Z - множества явлений, составляющих комбинируемые технологические воздействия; А, В, С, D - обозначение групп систематизированных явлений; П - существование пересекающихся связей между группами явлений, структурно принадлежащих комбинируемым технологическим воздействиям; і -характер связей (і = 17 - позитивный, / = Я - негативный); j -вид связей {j = 77 - прямой, j = К - косвенный). Под косвенным видом связи понимается влияние на условия существования последовательности явлений, принадлежащих группе А. В свою очередь под прямым видом связи понимается непосредственное влияние на существование последовательности явлений, принадлежащих группе А.
На примере АЭХШ и АЭЭШ рассмотрим построение моделей структурных связей явлений, составляющих комбинированное технологическое воздействие.
Основной особенностью процесса АЭХШ является комбинированный механизм съема металла за счет механического воздействия (микрорезание), электрохимического воздействия (анодное растворение), и электроконтактного и электроэрозионного воздействий (тепловое разрушение). Поэтому микрорезание осуществляется в условиях снижения сопротивления материала пластической деформации в результате сопутствующих процессов адсорбционного понижения прочности, ослабления металлических связей кристаллической решетки, окисления металла и теплового разрушения стружки.
Введем обозначения: М - явления, возникающие в результате механического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки; ЭХ, ЭЭ, ЭК - явления, возникающие в результате электрохимического, электроэрозионного и электроконтактного воздействий на обрабатываемую поверхность заготовки.
Стабилизация показателей качества обработанной поверхности вдоль профиля поперечных сечений
Процессора DSP56002. Он является специальным про цессором для цифровой обработки сигналов фирмы Motorola и имеет следующие основные характеристики: - скорость до 30 миллионов операций в секунду; - точность - 24-разрядные данные. Промежуточные данные хранятся в 56-разрядном аккумуляторе; - параллелизм - каждое из операционных устройств на кристалле, память, периферийные операции независимы и работают параллельно, благодаря развитой системе шин; - низкое энергопотребление. 5. Двух блоков памяти (ОЗУ-Х, ОЗУ-Y) и блока памяти программ. В ОЗУ-Х и ОЗУ-Y хранятся исходные данные (отсче ты) и данные, полученные в результате ВП преобразования сиг нала. В блоке памяти программ зашит протокол обмена данными между БОС и компьютером, а также алгоритм ВП преобразова ния. БОС работает по следующей схеме. В случае готовности данных для фильтрации, компьютер на шину адреса выставляет код 36F. Первые четыре бита адреса подаются на ячейку И (DD1.1). Пятый бит адреса инвертируется и подается на вход 01 ячейки (DD5.1), а на вход 02 ячейки (DD5.1) поступает шестой бит кода адреса. Четыре старших бита адреса подаются на первые входы ячеек (DD5.1, DD5.2, DD5.3, DD5.4). На вторые входы этих ячеек заводятся сигналы с переключателя адреса. Переключатель адреса позволяет, в случае необходимости, выбирать значение адреса ВЦФС из диапазона 360... 36F.
Параллельно с кодом адреса вырабатывается сигнал RESET DRV, который сбрасывает в исходное состояние RUS и DSP, а шину данных отключает.
По положительному фронту сигнала IOW в RUS с шины данных записывается управляющее слово. С выхода 02(RUS) логическая единица подается на управляющий вход HR/W процессора DSP56002 и подготавливает его к приему данных.
В следующем цикле компьютер на шине адреса выставляет адрес первого внутреннего регистра процессора ТХН, а на шину данных (Н0...Н7) подает старший байт данных и положительным фронтом сигнала HEX записывает байт в регистр ТХН.
После записи старшего байта на шину адреса выставляется адрес регистра ТХМ для приема второго байта данных. По переднему фронту сигнала HEX второй байт данных записывается во внутренний регистр ТХМ. Младший байт данных записывается в регистр TXL. Таким образом, из трех байтов в регистрах ТХН, ТХМ, TXL формируется 24-разрядное слово данных, которое процессором DSP56002 переписывается в ОЗУ БПС. Количества пересылаемых слов определяется управляющей программой со стороны компьютера.
Пересылка обработанных данных из БОС в компьютер осуществляется через регистры процессора (RXH, RXM, RXL) путем побайтного считывания, начиная со старшего байта. Количество пересылаемых слов определяется управляющей программой со стороны процессора DSP56002. Процессор вырабатывает для управления памятью программ и данных следующие сигналы: - RD выбор памяти программ или данных; - WR чтение/запись данных в ОЗУ-Х или ОЗУ-У; - Х/У Выбор ОЗУ-Х или ОЗУ-У; - DS выбор кристалла ОЗУ; - PS чтение кода программы из ПЗУ блока. Необходимость использования управляемого ИТН вытекает из результатов решения задач стабилизации и оптимизации показателей качества обработанной криволинейной поверхности. Основываясь на результаты моделирования были определены требования к выходным параметрам ИТН и режима его работы. Импульсный режим работы должен обеспечивать: - независимое регулирование амплитуды и частоты импульсов напряжения в пределах U=4...20 В; f = 1 ...20 кГц. - формирование пакетов импульсов с независимым регулированием частота пакета в пределах/= 0,3...5 кГц Режим постоянного выпрямленного напряжения должен обеспечивать регулирование амплитуды в пределах U=4...20 В. Конструктивно ИТН состоит из автономного инвертора напряжения (АИН), системы управления АИН, АЦП, БОС и ПЭВМ. В основу АИН положен последовательный инвертор с коммутирующим LC-контуром. Для обеспечения надежного режима работы, исключающего срывы инвертирования при перегрузках, выбор коммутирующей емкости и индуктивности при переменной нагрузке RH осуществляется по максимальному току в импульсе, проходящему через контур за полупериод выходной частоты инвертирования. Первоначальный заряд коммутирующего конденсатора С2 проходит через шунтирующие сопротивления R],R.2. При этом в интервале времени проводимости тиристоров Tj, Т4 или Tj, Т2 диоды Д2 или Ді вступают в работу только при опережении включения тиристора Tj или Tj (рис. 5.8). 1. При подаче на высокочастотный вход Uf сигнала импульсный режим задается генератором тактовых импульсов G(l), с которого импульсы проходят через последовательность схем совпадения, обеспечивающих их распределение по каналам силовых тиристоров. Согласование очередности включения пар силовых тиристоров осуществляется триггером ТВ(3) и распределителем, выполненным на схеме совпадения 8, 9, 10, 12. При этом обеспечивается по парное отпирание тиристоров Tj и Т4,
