Повышение эффективности мониторинга технического состояния металлорежущего оборудования на основе разработанной информационно-измерительной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Порватов, Артур Николаевич

• Порватов, Артур Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Порватов, Артур Николаевич

Оглавление.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХСТАНКОВ.

1.1 Методы и средства регистрации и обработки информации о техническом состоянии металлорежущего оборудования.

1.2 Контроль технического состояния металлорежущего оборудования- по механическим параметрам.

1.3 Информационно-измерительные системы, используемые в составе технологического оборудования.

1.4 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

2.1 Структурные схемы систем мониторинга и диагностики.

2.2 Математическая модель процесса резания, как исходные данные для разработки измерительных систем.

2.3 Создание математических и схемотехнических моделей чувствительных элементов.

2.4 Описание моделей аналоговых и аналого-цифровых блоков.

2.5 Описание модели линий связи и соединений.

2.6. Идентификация параметров моделей.

2.7. Проверка адекватности разработанных моделей.

2.8. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

3.1. Выбор аппаратных средств регистрации механических параметров.

3.2. Методы снижения помех в измерительных сигналах.

3.3 Описание алгоритмов обработки измерительных сигналов.

3.4 Интеграция с системой числового программного управления станка

3.5 Оценка чувствительности информационно-измерительной системы.

3.6 Описание специального программного обеспечения.

3.7 Особенности работы информационно-измерительной системы.

ГЛАВА 4. ИСПЫТАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ В СОСТАВЕ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ.

4.1 Объекты внедрения ИИС.

4.2 Исследование системы в составе автоматизированного стенда на базе токарного станка.

4.3 Исследование автоматизированного стенда на базе фрезерного станкаПО

4.4 Результаты экспериментов и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности мониторинга технического состояния металлорежущего оборудования на основе разработанной информационно-измерительной системы»

Важное место в системе подготовки производства занимает вопрос сбора и обработки информации о техническом состоянии технологического оборудования и управления техпроцессом на основе этой информации. В процессе эксплуатации металлорежущего оборудования могут возникнуть различные нарушения работоспособности, приводящие к простою, выходу из строя или поломке инструмента и/или оборудования. При этом на первый план выходит задача разработки- и проектирования автоматизированной информационной измерительной системы, контроля и управления (АИИС КиУ), обладающей возможностью не , только диагностировать и прогнозировать техническое состояние станочного оборудования,- но и управлять им, изменяя параметры обработки в соответствии с получаемой информацией.

Основой АИИС КиУ является информационно-измерительная, система (ИИС), дополненная возможностью влиять на объект исследования.

Известно [57], что применение ИИС контроля технического состояния дает возможность: снизить себестоимость обработки за- счет рационального использования инструмента и сокращения его расхода; повысить производительность обработки путем интенсификации режимов» резания; увеличить надежность работы оборудования вследствие защиты его узлов и механизмов от поломок и преждевременной потери точности; повысить точность обработки за счет исключения работы предельно изношенным инструментом, сократить брак.

В последнее время с бурным развитием математического, программного и компьютерного обеспечения появились новые подходы к технической диагностике. Большой вклад в разработку научного направления, связанного с совершенствованием ИИС и преобразователей информации, внесли Новицкий П.В., Орнатский П.П., Кавалеров Г.И., Темников A.C., Цапенко П.П., Стахов А.П., Филиппов H.A. и многие другие. В России и за рубежом ведутся работы по исследованию и интеграции станочного оборудования и ИИС, математическому моделированию технологических процессов.

В настоящее время большинство современных металлорежущих станков, в том числе и сложные обрабатывающие центры, оснащаются системами активного контроля (САК) технического состояния (ТС) как процесса резания, так и самого станка во время работы. Такая тенденция обусловлена повышением требований к качеству изготовления изделий при том же или меньшем времени обработки.

Производители станочного оборудования зачастую предусматривают использование простейших функций контроля на основе регистрации физических величин: ток, напряжение, мощность электродвигателя; момент шпинделя, температура в зоне резания или подшипниковых узлов и др: Но этого не всегда достаточно для оценки текущего состояния оборудования, не говоря уже о том, чтобы контролировать процесс резания.

В большинстве случаев [55] интегрированная в станок САК выполняет простейшие функции, например, подача команды на остановку или смену инструмента при его износе, или, просто информирует оператора^ о каких-либо параметрах. Такая система недостаточна для полного и разностороннего контроля, т.к. резание - это сложный процесс взаимодействия инструмента, детали и станка, в процессе которого на качество обрабатываемой поверхности и состояние оборудования (или инструмента) могут оказывать влияние множество факторов, как внешних, так и внутренних, например, температура в зоне резания, вибрации, биения шпинделя и т.д. Контроль внешних факторов, например, температуры и влажности, производится в объемах всего пространства помещения, в котором находится оборудование (например, цех). Внутренние факторы, например, вибрации, характерны для отдельных единиц оборудования и могут служить показателями качества обработанной заготовки или состояния инструмента [7].

Т.к. резание представляет собой сложный производственный процесс, который не поддается точному аналитическому описанию, то контроль его параметров вследствие большого числа физических величин, которые необходимо регистрировать представляет существенные трудности, в том числе и из-за необходимости удалять чувствительные элементы от зоны резания, чтобы избежать вывода их из строя. Поэтому большинство существующих способов контроля состояния станочного оборудования во время процесса обработки имеют значительные искажения, вызванные удаленностью от объекта измерения, устранить которые возможно только при известных уравнениях и моделях, описывающих работу объектов: оборудования, процесс резания, инструмента-и регистрирующих устройств (например, чувствительных преобразователей).

Создание моделей процесса резания и регистрирующих устройств базируется на их математическом описании. Использование моделей при исследовании технологических систем позволяет выявить основные факторы, влияющие на процесс резания и оценки достоверности полученных результатов измерения. Имитационные модели, выраженные с помощью какого-либо языка программирования, функциональных блоков или эквивалентных схем можно использовать совместно» с моделью системы управления (СУ) процессом резания.

Поэтому целью данной работы является разработка подхода к созданию информационной измерительной системы для контроля и управления технологическим процессом (резанием). Для достижения поставленной цели в данной работе были решены следующие: научно-практические задачи:

- разработка принципов функционирования и структуры ИС, построение совокупности математических моделей элементов: измерительных преобразователей, согласующих и нормирующих устройств, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей; цифровых вычислительных устройств; разработка методики полунатурного моделирования (макетирования) ИС создание испытательного стенда для проверки адекватности разработанных моделей;

- создание многоуровневого математического, алгоритмического и программного обеспечения ИС.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Порватов, Артур Николаевич

Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ по проекту № 2.1.2/242 "Научно-методические основы создания и применения систем диагностирования и мониторинга состояния в реальном времени прогрессивных технологических процессов металлообработки" аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного.потенциала высшей школы (2009-2010 годы)", проводимой кафедрой ВТО (МГТ.У «Станкин»), а также по государственному контракту от 23.09.2009 г. № 9411.1003702.05011 на выполнение НИР «Создание универсального интеллектуального комплекса для механообрабатывающего оборудования с ЧПУ».

В настоящее время автором ведется работы по внедрению результатов работы по государственному контракту от «15» июня 2009 г. № 02.740.11.0176 с Минобрнауки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения настоящей работы были получены следующие основные результаты:

1. Созданная архитектура ИИС значительно повышает ее надежность за счет объектно-ориентированного подхода.

2. Разработанные модели дают возможность исследовать влияние процессов и факторов, как на отдельные компоненты, так и на всю ИИС.

3. Схемотехнические модели обеспечивают хорошую адекватность реальным устройствам:

4. Разработанные модели позволяют прогнозировать результат измерения при различных входных воздействиях во всем диапазоне измерения.

5. Разработанная ИИС обеспечивает высокое качество измерения! за счет использования современного аппаратно-программного обеспечения:

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Порватов, Артур Николаевич, 2011 год

1. Авдеев Б.Я. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов/Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. и др.; под ред. Е.М. Душина. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480с.: ил.

2. Аналого-цифровое преобразование: пер. с англ./под ред. Уолта Кестера. М.: Техносфера, 2007. — 1016с.

3. Барков A.B. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: учебн. пособие/Барков A.B., Баркова H.A., Азовцев А.Ю. — СПб.: Изд. центр СПбМТУ, 2000. 159с.

4. Бех А.Д. Периферийные измерительные устройства/Бех А.Д., Чернецкий В .В. Киев: Наук, думка, 1991. - 224с.

5. Биргер И. А. Техническая диагностика/Биргер И. А. — Mi: «Машиностроение», 1978.—240 с, ил.

6. Бэйкер Б. Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике: пер. с англ./Бэйкер Б — М.: Додэка-ХХ1, 2010. — 360с.: ил.

7. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том II. Теория нелинейной! модуляции: пер. с англ./Ван Трис Г. под ред. проф. Горяинова В. Т. М.: «Сов. радио», 1975. - 344с.

8. Верлань А.Ф. Методы и устройства интерпретации экспериментальных зависимостей при исследовании и контроле энергетических процессов/Верлань А.Ф., Абдусатаров Б.Б., Игнатченко A.A., Максимович H.A. Киев: Наук. Думка, 1993. - 120с.

9. Вороненко В.П. Машиностроительное производство: учеб. для сред, спец. учеб. заведений/Вороненко В.П., Схитрладзе А.Г., Брюханов В.Н. под ред. Ю.М. Соломенцева. — М.: Высш. школа, 2001. — 304с.: ил.

10. Вороненко В. П. Проектирование автоматизированных участков и цехов: учеб. для машиностроит. спец. вузов/Вороненко В. П., Егоров В. А., Косов М. Г. и др.; под ред. Соломенцева Ю. М. 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2000. - 272с: ил.

11. ГОСТ 23501.101-87. Системы автоматизированного проектирования. Основные положения. — Введ. 1988-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1988.- 11с.

12. ГОСТ 26.203-81. Комплексы измерительно-вычислительные. Признаки классификации. Общие требования. Введ. 1982-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 14с.

13. ГОСТ 8.437-81 Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения. Введ. 1982-01-07. -М.: Изд-во стандартов, 1982. - 12с.

14. Грановский Г.И. Резание металлов: учеб. для машиностр. и приборостр. спец. вузов./Грановский Г.И., Грановский В.Г. — М.: Высш. шк., 1985.-304с.: ил.

15. Гурин В.Д. Исследование силовых параметров при фрезеровании концевыми фрезами для диагностирования их состояния/В.Д. Гурин, С.Н. Григорьев, C.B. Алешин, В.А. Семенов//Вестник машиностроения. 2005. -№ 9. - с. 19-22.

16. Гурин В.Д. Повышение надежности технологических систем путем их диагностики: учеб. пособие./ Гурин В.Д., Маслов А.Р. — М.: Издательский центр МГТУ «Станкин», 2010. 53 с.

17. Густав О. Цифровые системы автоматизации и управления/Густав Оллсон, Джангуидо Пиани. СПб.: Невский Диалект, 2001.-557с.: ил.

18. Гутников B.C. Фильтраця измерительных сигналов/Гутников B.C. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. 192с.: ил.

19. Гроп Д. Методы идентификации систем: пер. с англ./Гроп Д. под ред. Кринецкого Е. И. М.:Издательство «МИР», 1979. - 302с.

20. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием/Денисенко В.В. М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 608с., ил.

21. Дорф Р. Современные системы управления: пер. с англ./Р. Дорф, Р. Бишоп. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. — 832с.: ил.

22. Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем: учебник/Душин B.K. —М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2003. 348с.

23. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике: учеб. для вузов/под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н:Э. Баумана, 2003. - 496с.

24. Клокова. Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки/Клокова-Н.П. — М.: Машиностроение, 1990. 224с.: ил.

25. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников/Кобзарь А. И. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2006. -816с.

26. Козочкин М.П. Роль виброакустической диагностики в исследовании и отладке шпиндельных узлов/ Козочкин М.П., Сабиров Ф.С.// «Комплект: Инструмент, Технология, Оборудование». 2009. - №1. с.36-39.

27. Козочкин М. ПС Виброакустическая диагностика опор шпинделей станков для высокоскоростной обработки/Козочкин М. П., Сабиров Ф.С., Суслов Д. Н., Абрамов А. П.//СТИН. 2010. - № 6. - с. 17-21.

28. Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. Введение в информатику с позиций математического моделирования/авт. пред. A.A. Самарский. М.: Наука, 1988. - 176 е.: ил.

29. Кочергин А.И. Основы надежности металлорежущих станков и измерительных приборов/Кочергин А.И., Ковалев Л.Д. Минск: «Вышейная школа», 1974. — 184с.: ил.

30. Кудинов В.А. Динамика станков/Кудинов В.А. М.: «Машиностроение», 1967. - 358с.

31. Кузнецов В.А. Приборно-модульные универсальные автоматизированные измерительные системы: Справочник/ Кузнецов В.А.,

32. Строителев В.Н., Тимофеев Е.Ю. и др.; под ред. В.А. Кузнецова. М.: Радио и связь, 1993. - 304с.: ил.

33. Кунце Х.-И. Методы физических измерений: пер. с нем./Кунце Х.-И. М.: Мир, 1989. - 216с, ил.

34. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. — 2-е изд.: пер. с англ./Лайонс Р. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656с.: ил.

35. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин: (измерительные преобразователи): учеб. пособие для вузов/ Левшина Е.С., Новицкий П.В. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320с., ил.

36. Лукьянец В.А. Физические эффекты в машиностроении: Справочник/Лукьянец В.А., Алмазова З.И., Бермистрова Н.П. и др.; под общ. ред. Лукьянца В.А. М.: Машиностроение, 1993. — 224с.: ил.

37. Лурье Г.Б. Прогрессивные методы круглого наружного шлифования. 2-е ид., перераб. и доп./Лурье Г.Б. — Л.: Машиностроение, 1984.-103с., ил.

38. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: пер. с англ./Льюнг Л. под ред. Цыпкина ЯЗ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.-432с.

39. Маркин Н. С. Основы теории обработки результатов измерений: учебное пособие для средних специальных учебных заведений/Маркин Н. С. М.: Изд-во стандартов, 1991. - 176с, ил.

40. Наука, технология, вычислительный эксперимент. — М.: Наука, 1993, 149 е., ил.

41. Николайчук О. И. Системы малой автоматизации/Николайчук О. И. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 256с.

42. OCT 9.2-98. Учебная техника для образовательных учреждений системы автоматизированного лабораторного практикума. — Введ. 1998-1015. М.: Изд-во стандартов, 1998. — 8с.

43. OTTO М. Современные методы аналитической химии: в 2-х томах./ OTTO М./ Т. 2: М.: Техносфера, 2004. 288с.

44. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов/ Павлов Б.В.- М., «Машиностроение», 1971. 224с.

45. Пейтон А. Дж. Аналоговая электроника на операционных усилителя: пер. с англ./ Пейтон А. Дж., Волш В. М.: БИНОМ, 1994. - 352с.: ил.

46. Петров П. Н. Акустика. Электроакустические преобразователи: учеб. пособие/Петров П. Н. СПб.: СПбГУАП, 2003. - 80с.: ил.

47. Потеев М.И. Повышение разрешающей способности измерительных устройств путем компьютерной обработки результатов измерений: учеб. пособие/Потеев М.И., Сизиков B.C. СПб: ИТМО, 1992. -58с.I

48. Рагульскис K.M. Вибрации- подшипников/Рагульскис K.M., Юркаускас А.Ю., Атступенас В.В. и др., Вильнюс: «Минтис», 1974. - 392с.

49. Римский-Корсаков A.B. Электроакустика/Римский-Корсаков A.B.- М.: «Связь, 1973. 272с.: ил.

50. РМГ29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. Введ. 2001-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2000. - 134с.

51. Романов В.Н. Системный анализ для инженеров/Романов В.Н. — СПб: СЗГЗТУ, 2006. 186с.

52. Саврасов Ю.С. Оптимальные решения/Саврасов Ю.С. М.:

53. Радио и связь, 2000. 152с.: ил.

54. Самонастраивающиейся станки/под ред. заслуженного деятеля науки и техники РСФСР д-ра техн. наук, проф. Балакшина Б.С. М.: «Машиностроение», 1970. — 416с.

55. Сизиков B.C. Устойчивые методы обработки результатов измерений: учебное пособие/Сизиков B.C. СПб.: «СпецЛит», 1999. - 240с.

56. Синопальников В. А. Надежность. и диагностика технологических систем: учебник/Синопальников В.А., Григорьев С.Н. -М.: Высшая школа, 2005. 343с., ил.

57. Тихонов А.Н. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении/Тихонов А.Н:, Кальнер В.Д1, Гласко В.Б. М.: Машиностроение; 1990. - 264с.

58. Трофимов А. И. Физические основы генераторных измерительных и энергетических преобразователей/Трофимов А. И. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 384с.

59. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование: учеб. пособие для, вузов/Цапенко М.П. 2-е изд., перераб. и доп. - М:: Энергоатомиздат, 1985.-438с.

60. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука: пер. с англ./Шеннон Р. М.: Мир, 1978. - 418с.

61. Ширман А.Р. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования/Ширман А.Р., Соловьев А.Б. М.: 1996.-276с.

62. Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков: Справочник: пер. с нем.УШульц Ю. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 288с.: ил.

63. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния: пер. с англ./Эйкхофф П. под ред. Райбмана Н.С. -М.: Издательство «МИР», 1975. 681с.