Оценка качества прецизионного технологического оборудования при эксплуатации

С.В. Свиридов,
М.Б. Бровкова,
проф., д.т.н., доц., bmbsar@mail.ru,
СГТУ, г. Саратов

В данном докладе предлагается система критериальных оценок состояния машин с учетом нестационарных связей. Рассмотрены критерии, как во временной, так и в частотной областях.

This report describes the system of criterion evaluation of machine performance with regard to rheonomic constraints. It examines the criteria in time and frequency domains.

В настоящее время отсутствуют технические средства, обеспечивающие оценку качеству формообразования. Все измерения производятся после завершения технологической операции, Для целей автоматического или автоматизированного контроля целесообразно реализовывать методы непосредственно в процессе резания. Многолетние исследования этой проблемы обозначали новые возможности косвенного контроля качества. Нами реализованы интеллектуальные методы первичной информации с виброакустических датчиков, характеризующую относительные колебания инструмента и заготовки. Технологическое оборудование, обеспечивающие прецизионную механообработку, имеет ряд особенностей, как по функционированию, так и по контролю рабочих и вспомогательных процессов. Это связано прежде всего с наличием нестационарных и нелинейных функциональных связей отдельных блоков и устройств, которые при прецизионной обработки проявляются в виде нестационарных (квазистационарных) многочастотных колебаний инструмента относительно заготовки, определяющих микрогеометрию обработанной поверхности. Изнашивание инструмента приводит к разладке технологического процесса, который ранее был оптимально сформирован в процессе первичной наладки. Таким образом, в определенные моменты времени требуются новые оптимальные сочетания режимов обработки.

Исследования показали [1] низкую «наблюдаемость» и «управляемость» технологического оборудования в реальном времени при эксплуатации. Нами была разработана и реализована стратегия обеспечения эксплуатационной надежности [3] и точности прецизионной механообработки в реальном времени.

В данной статье выделена проблема обеспечения мониторинга сложного технологического оборудования при эксплуатации. Объект рассматривался во временной и частотной областях, для которых и были выполнены исследования. Это связано с тем, что с позиций теории множеств для целей мониторинга должны быть введены множества состояний оборудования Y и готовых деталей Z, которые определенным образом соотносятся с первичными показателями качества X, заданными чертежом детали, и соответствуют друг другу в пространстве возможных состояний. Рассматриваемые множества имеют разную физическую природу и являются непересекающимися. Характеристики множеств X, Y, Z являются нечеткими и могут определяться в пространстве состояний как совокупность упорядоченных пар, составленных из элементов X, Y, Z, универсальных множеств X, Y, Z и соответствующих степеней принадлежности. В общем случае обеспечение требуемого соответствия между представленными множествами возможно двумя путями: оператором за счет интуитивных и априорно накопленных знаний и автоматизированной системой с искусственным интеллектом. Обращение к системе, обеспеченной искусственным интеллектом, связано с "нечеткостью" рассматриваемых объектов. При этом нечеткость образов, представлений и понятий человека вводятся в формальные модели различными способами, которые можно классифицировать по виду представления нечеткой субъективной оценки какой-либо величины (нечеткого множества); по виду области значений функции принадлежности; по виду области определения функции принадлежности; по виду соответствия между областью определения и областью значений (однозначное, многозначное); по признаку однородности или неоднородности области значений функции принадлежности. Оценку качества можно производить по этим характеристикам множеств Y и Z, сопоставляя (отображая) его результаты со свойствами множества X. С этих позиций и рассмотрим формирование разовых принципов оценивания. Во-первых, выбранные множества и их элементы должны быть состоятельными оценками оборудования или технологических процессов. Во-вторых, они должны однозначно характеризовать состояние рассматриваемых объектов в пространстве состояний. В-третьих, они должны быть доступны для измерений. В-четвертых, динамический мониторинг эффективен в том случае, если без большой вычислительной работы можно определить динамическое состояние оборудование или процессов по прямым или косвенным характеристикам.

Для подобного анализа в теории автоматического управления используют временные, частотные и коэффициентные методы. В последнем случае качество системы управления оценивается, например, по коэффициентам передаточной функции без построения переходного процесса. В нестационарных системах с нелинейными свойствами это возможно для мгновенных значений указанных оценок без интерпретации или прогнозирования состояния в других интервалах времени и при смене режимов функционирования. В противном случае возникают сложные проблемы. Задачи анализа качества, если их необходимо решать для большого числа систем, становятся трудоемкими. Можно обратиться к опыту исследования (описанного в литературе) узкого класса нелинейных систем, имеющих единственное равновесное состояние (или единственную зону равновесного состояния и показателей качества переходной функции). Эти системы характеризуются двухтемповыми движениями, где "быстрые" парциальные движения описываются нелинейными, а "медленные" парциальные движения - линейными стационарными уравнениями. Если отношения соседних коэффициентов первого уравнения для всех возможных будут существенно больше отношений соседних коэффициентов второго уравнения и решения этих уравнений будут асимптотически устойчивы, то показатели качества рассматриваемой модели будут определяться вторым звеном. Оценить априорно этот факт напрямую из-за отсутствия моделей не является возможным. Однако в проводимых нами экспериментальных исследованиях при разделении частотной области на две части адаптация к указанным условиям возможна. Нелинейные свойства, в свою очередь, приводят к многочастотным колебаниям, основные режимы которых в соответствии с так же лежат в разделимых областях Фурье-образов. Следовательно, является достоверным и перспективным динамический мониторинг по двум разделенным областям множества Фурье-образов с последующим переходом при необходимости во временные пространства состояния обратным преобразованием Фурье. По результатам оценки возможностей использования приведенных выше классификаций и с учетом особенностей рассматриваемых объектов для целей динамического мониторинга предложены обобщенные показатели качества их состояния в реальном времени. При этом учитывались изложенные факторы и общепринятые в теории управления показатели качества и методы моделирования и идентификации сложных нелинейных систем с нестационарными параметрами.

Кроме того, было принято во внимание следующее. Строгие аналитические выражения в целом для нелинейных систем, а особенно для сложных конфигураций системы и числа нелинейных элементов свыше одного, отсутствуют и тем более отсутствуют количественные оценки показателей качества с параметрами передаточной функции. Особые нелинейные стационарные системы имеют указанные выше приближенные оценки, но для рассматриваемой предметной области эти реализации редки и априорно установить их невозможно. В связи с этим можно использовать некоторые модельные представления на ЭВМ с целью отработки принципов создания мониторинга и выбора приближенных границ критериев качества рассматриваемого класса нелинейных систем. Структурный анализ различного металлообрабатывающего оборудования определил модели, включающие нелинейные и линейные элементы, причем приведение нелинейностей к процессу резания не представляется возможным, так как в общем случае нелинейные элементы разделены линейными. Для имитационных исследований нами были использованы модели в виде комбинаций линейных элементов как колебательных звеньев второго порядка и нелинейных элементов с существенно нелинейной характеристикой типа "зазор" ("сухое трение"). Это является наиболее общим представлением элементов и дает возможность, осуществляя вариацию параметров, адаптировать модель к реальным характеристикам звеньев технологической системы оборудования различного назначения, в котором рассмотренные выше существенно нелинейные характеристики проявляются по-разному.

Вычисляемые с помощью моделей обобщенные критерии качества желательно иметь однотипными для станков различной реализации и типов, поскольку по существу оценивают похожие свойства системы управления в низкочастотной области, достаточно точно описываемые вырожденным дифференциальным уравнением, решением которого являются медленные парциальные движения. В высокочастотной области содержатся результирующая информация, но о более тонких процессах. Правда, в нелинейных системах она связана даже в двухтемповом представлении управления. Априорное моделирование с указанными ограничениями для мониторинга, и, соответственно, оценки качества позволяет принципиально создать с некоторой «грубостью» эталонную модель, использование которой может быть связано с определением общих свойств идеальной системы, структурной моделью для адаптивной настройки и для определения диапазонов основных частот при, например, модальном анализе или для оценки узкополосной фильтрации в узких областях при наличии базы данных в процессе. В некоторых случаях это является необходимым и очень эффективно реализуется при оценивании качества изделий в реальном времени по косвенным оценкам, например, по виброакустическим сигналам.

В процессе эксплуатации необходимо получать количественные оценки состоянии оборудования при обработке изделий для конкретных реализаций технологической системы. Существующие сегодня методы при использовании их в процессе эксплуатации дают лишь качественные характеристики. Предлагаемая система интегративно учитывает все изменения технологического оборудования, адаптивно настраивается на различные технологические процессы и позволяет количественно оценивать их состояние. Таким образом, разработана система критериальных оценок состояния преобразующей системы оборудования с учётом связей, формируемых процессами обработки. Рассмотрим применение критерия состояния технологического оборудования в частотной области.

В качестве объектов исследования приняты динамические системы токарных и шлифовальных станков. Исследована нелинейная модель динамической системы токарного станка. Проведены классификация нелинейных элементов и их группировка, показавшие, что в большинстве случаев они представляют собой результат наличия различных кинематических погрешностей в станке или процессов трения в его узлах и механизмах. Нелинейные элементы в основном имеют характеристику типа зазор или сухое трение. Идентификация линейных элементов при моделировании позволила представить их колебательными звеньями второго порядка, которые формируют вместе с нелинейными элементами регистрируемый при экспериментах стохастический многочастотный спектр колебаний на выходе динамической системы.

Для реализации процедуры моделирования процессов, протекающих в динамической системе, было выполнено исследование ее типового соединения: линейный элемент – нелинейный элемент. Результаты исследования позволили установить, что при прохождении сигнала через типовое соединение имеет место эффект перетекания его спектра из области низких в область высоких частот, причем степень этого перетекания в значительной мере определяется параметрами нелинейных элементов. Это позволило ввести в рассмотрение показатель эффективности стабилизации преобразующих свойств (коэффициент преобразования спектра St), представляющий собой отношение амплитуд колебаний динамической системы на резонансных частотах (Amp1i) к суммарной амплитуде ее колебаний на остальных частотах спектра выходного сигнала (Amp1j):

(1)

При этом, как показали результаты исследований, преобразующие свойства в направлении диссипации энергии колебаний тем выше, чем меньше значение показателя, т.е. чем более явно проявляется эффект перетекания энергии колебаний в область высоких частот анализируемого спектра. Это означает, что по результатам вычисления данного коэффициента можно реализовать следующую стратегию обеспечения стабилизации состояния динамической системы: St ® min .

Рассмотрим применение критерия состояния технологического оборудования во временной области. Проведенные нами многочисленные экспериментальные исследования технологического оборудования показал, что на определенных сочетаниях технологических параметров существуют однородные реализации колебаний упругих подсистем, которые соответствуют наилучшим показателям качества изготовленной детали. При других сочетаниях параметров возникают неоднородности колебательных процессов по амплитуде в различных областях наблюдаемого частотного диапазона. Это приводит к увеличению работы системы управления. Таким образом, это явление может служить основой для формирования критерия оптимизации параметров технологических режимов. Нами был апробирован критерий «Обобщенная работа при резании» [2] эффективность применения которого экспериментально подтверждена [1].

Для вычисления оценки этого критерия предложен подход, основанный на представлении информации о колебаниях, зарегистрированных в течение времени, смешанной дискретной моделью авторегрессии со скользящим средним и последующим вычислением по ней интеграла функции Грина, которой является ее (оценки) статистическим аналогом.

Апробация была произведена для автоматизированных металлорежущих станков различного технологического назначения (токарные, шлифовальные и т.д.). Исследования показали высокую эффективность предложенной оценки качества функционирования то. Сопоставление с частотными критериями [1] приводят к совпадению результатов вычислений.

Работа выполняется при поддержке гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых - докторов наук МД-7455.2010.8.

Литература

1. Бржозовский Б.М., Мартынов В.В., Янкин И.Н., Бровкова М.Б. Динамический мониторинг технологического оборудования. Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2008. - 312 с.

2. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 464 c.

3. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Ч.2 / Б.М. Бржозовский, А.А. Игнатьев, В.А. Добряков, В.В. Мартынов. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1994. – 156 с.