'

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Фам Динь Тунг Разработка методов анализа и синтеза управляемой динамической системы резания с учетом эволюции связей и самоорганизации Ростов – на – Дону 2012г

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Фам Динь Тунг Разработка методов анализа и синтеза управляемой динамической системы резания с учетом эволюции связей и самоорганизации Ростов – на – Дону 2012г


Слайд 1

Схема управления формообразующими движениями инструмента относительно заготовки при токарной обработки


Слайд 2

Обобщённая схема преобразования динамических подсистем станка в процессе расширения пространства состояния на примере обработки на токарном станке


Слайд 3

Схема расширения-сжатия пространства состояния динамической системы


Слайд 4

Цель исследования Разработка теории и методов анализа и синтеза управляемой динамической системы резания с учетом эволюции связей и процессов самоорганизации для повышения эффективности процессов обработки на металлорежущих станках 1. Разработка обобщенной математической модели управляемого процесса резания с учетом преобразования управления (например, программы ЧПУ) в траектории движений исполнительных элементов станка, а также в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки на примере станков токарной группы. Учет в математических моделях эволюционных преобразований параметров динамической связи, формируемой процессом резания. 2. На основе асимптотических методов нелинейной динамики построение иерархии систем дифференциальных уравнений, учитывающих указанные в п.1 преобразования, а также взаимодействия подсистем со стороны режущего инструмента и обрабатываемой заготовки с помощью динамической связи, формируемой процессом резания. 3. Разработка методики и параметрическая идентификация подсистем и динамической связи, формируемой процессом резания в векторной постановке, то есть с учетом пространственных деформационных смещений и пространственной ориентации сил резания. Выявление и моделирование нелинейности динамической связи сил с координатами состояния. 4. Изучение устойчивости траекторий формообразующих движений инструмента относительно заготовки. Определение не рассматриваемых ранее механизмов потери устойчивости, а также путей обеспечения устойчивости траекторий в единстве выбора управления, параметров и конструктивных элементов взаимодействующих подсистем. 5. Исследование закономерностей преобразования траекторий исполнительных элементов станка в траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки. Определение возможности управления траекториями формообразующих движений с помощью внешнего управления. Задачи исследования


Слайд 5

Задачи исследования (продолжение) 6. Изучение многообразий, формируемых в окрестностях медленно смещающейся точки равновесия динамической системы резания. Анализ бифуркаций в параметрическом пространстве. Определение условий формирования орбитально асимптотически устойчивых предельных циклов, инвариантных торов и странных (хаотических) аттракторов. 7. Разработка теории анализа эволюционной перестройки системы на основе анализа интегро-дифференциальных уравнений. Методика вычисления стационарной эволюционной траектории и анализа многообразий, формируемых в окрестности стационарной эволюционной траектории. Исследование динамической самоорганизации системы в ходе ее эволюции. 8. Разработка методики вычисления многообразия траекторий формообразующих движений инструмента относительно заготовки на основе синергетической теории управления, а также методики выбора на многообразии траектории, минимизирующей приведенные затраты на изготовление партии деталей. Создание основ построения нового класса управляемого процесса резания, сочетающего внешнее управление с действием внутренних регуляторов, формируемых связью, образующейся в результате взаимодействия подсистем через процесс резания. 9. Обоснование путей обеспечения устойчивости многообразия траекторий по п. 8 на основе выбора управления, а также параметров и конструктивных особенностей подсистем станка и параметров (например, геометрических) режущего инструмента. 10. Разработка нового класса систем динамического мониторинга состояния процесса резания и некоторых характеристик качества изготовления деталей на основе раскрытия эволюционной перестройки системы резания. 11. Изучение влияния неуправляемых возмущений, в том числе кинематических, действующих на процесс резания, во взаимосвязи с точностью обработки. Обоснование выбора геометрии режущего инструмента, при которых в данной динамической структуре станка и процесса резания минимизируется погрешность обработки. 12. Обоснование построения нового класса авторезонансных систем управления процессом обработки для улучшения процесса резания и повышения качества изготовления деталей.


Слайд 6

Основные части работы Обоснование математических моделей Особенности преобразования траектории исполнительных элементов в траектории формообразующих движений Механизмы потери устойчивости подсистемы «быстрых» движений Бифуркация в пространстве параметров динамической системы Динамическая перестройка в динамической системе резания Методы вычисления стационарной эволюционной траектории Особенности эволюционных преобразований в динамической системе резания Метод идентификации параметров и ядер интегральных параметров Обеспечение устойчивости траектории формообразующих движений Синергетическая концепция управления точностью обработки Динамический мониторинг Вибрационное управление процессом резания


Слайд 7

Обобщенная динамическая модель управляемой системы резания 1. Уравнения движений исполнительных элементов


Слайд 8

2. Уравнения динамики подсистемы инструмента и заготовки Обобщенная динамической модель управляемой системы резания


Слайд 9

Построение иерархии системы дифференциальных уравнений


Слайд 10

Построение иерархии системы дифференциальных уравнений


Слайд 11

Построение иерархии системы дифференциальных уравнений


Слайд 12

Построение иерархии системы дифференциальных уравнений


Слайд 13

Математическая модель подсистем инструмента и заготовки Идентификация параметров системы и динамической связи, формируемой процессом резания


Слайд 14

Структурная схема измерения деформацией суппорта при действии рабочей силы по горизонтальному и вертикальному направлениям Общий вид экспериментальной установки


Слайд 15

Общий вид экспериментальной установки


Слайд 16

Типичная диаграмма суммарных смещений вершины режущего инструмента в зависимости от направления и модуля внешней силы Типичная диаграмма изменения смещений вершины инструмента при варьировании внешней силы при повторных изменениях внешней силы «a» «б»


Слайд 17

Идентификация параметров подсистем инструмента без процесса резания


Слайд 18

Изменение диагональных элементов матрицы жесткости заготовки «а» и обобщенных масс «б» вдоль координат обработки при установке заготовки в патроне с поджимом задним центром Изменения приведенных коэффициентов жёсткости и массы в зависимости от координаты вдоль оси вращения заготовки Идентификация параметров подсистем заготовки без процесса резания


Слайд 19

Система координат, в которой отчитывается упругое деформационное смещение и внешние силы в пространстве Матрица поворота Связь матриц коэффициентов в двух системах координат -диагональная матрица


Слайд 20

Схема формирования зон первичной и вторичной пластической деформации при свободном резании Схема изменения условной линии скольжения в области первичной пластической деформации при изгибе инструмента Схема оценивания вариаций сил и деформационных смещений в плоскости


Слайд 21

Особенности преобразования упругих деформационных смещений в вариации сил резания На приращение сил оказывает влияние объем пластической деформации Изменение объема пластической деформации зависит от направления деформационных смещений Существует запаздывание вариаций составляющих сил по отношению к вариациям деформационных смещений Вариации сил, действующих в отжимающем направлении запаздывают по отношению к изменениям сил тангенциального направления По мере увеличения скорости или тангенциальных колебательных скоростей изменяются силы (скоростной фактор) Существуют факторы ограничивают развитие периодических составляющих сил, например, за счет контакта задней грани инструмента с обработанной поверхностью заготовки


Слайд 22

Пример изменения угловых коэффициентов ориентации силы резания Идентификация параметров динамической связи, формируемой процессом резания


Слайд 23

Идентификация параметров динамической связи, формируемой процессом резания


Слайд 24

Идентификация параметров динамической связи, формируемой процессом резания


Слайд 25

Пример изменения динамического смещения условной точки равновесия в зависимости от амплитуды при различных скоростях резания. Точение стали 20Х на режимах: величина подачи на оборот ; глубина резания . Частота колебаний равна 200,0 Гц Пример годографов гармонически линеаризованных функций влияния колебательных смещений инструмента на проекции сил резания в плоскости. Точение стали 20Х на режимах: скорость резания ; величина подачи на оборот ; глубина резания Оценивание нелинейности динамической связи методом гармонической линеаризации


Слайд 26

1. Матрицы динамической жесткости и скоростных коэффициентов, характеризующих линеаризованные характеристики процесса резания в окрестности точки равновесия динамической системы резания, зависят от текущих значений технологических режимов. В свою очередь, текущие значения технологических режимов определяются траекториями исполнительных элементов станка и установившимися значениями упругих деформационных смещений, рассматриваемых в подвижной системе координат, задаваемой траекторией исполнительных элементов. 2. При варьировании упругих деформационных смещений относительно точки равновесия имеет место запаздывание вариаций сил по отношению к вариациям упругих деформационных смещений. Это обусловлено тем, что при переходе из одного стационарного состояния к другому происходит процесс изменения распределения напряжений и деформаций в зонах первичной и вторичной пластической деформации. 3. Во всех случаях отмечается, что вариации сил, действующих в отжимающем направлении, запаздывают по отношению к вариациям сил, действующих в тангенциальном направлении. 4. В зависимости от формы колебаний инструмента, прежде всего, существуют или нет изгибные деформационные смещения инструмента, структура матрицы динамической жесткости изменяется. При малых изгибных колебаний в матрице динамической жесткости значимым является первый столбец. В противном случае, силы являются зависящими также от деформационных смещений в направлении скорости резания. 5. По мере увеличения амплитуды периодических движений в вариациях относительно точки равновесия изменяется фазовый сдвиг между силами и деформациями, что свидетельствует о нелинейности динамической связи, формируемой процессом резания. 6. По мере увеличения амплитуды периодических движений формируется постоянные составляющие деформационного смещения в зависимости от амплитуды, следовательно, нелинейные функции, моделирующие зависимость сил от деформационных смещений не должны обладать свойством центральной симметрии. Основные особенности динамической связи, формируемой в зоне резания


Слайд 27

Упрощенные базовые модели динамики процесса резания 2. Вторая базовая модель 1. Первая базовая модель (1.10) (1.11)


Слайд 28

Особенности преобразования траектории движений исполнительных элементов в траектории формообразующих движений


Слайд 29


Слайд 30

Упругая деформация вершины инструмента в направлении вдоль координат обработки и соответствующий разброс отклонения радиуса


Слайд 31

Резец с укрепленными датчиками сил Обрабатываемая заготовка Пример экспериментально измеренного изменения главной составляющей силы резания при врезании инструмента в заготовку


Слайд 32

Частотные свойства преобразования скорости продольной подачи в вариации сил резания и деформационных смещений инструмента Структурная схема преобразования скорости подачи в силы резания с учетом упругих деформационных смещений вершины инструмента Изменения АФЧХ системы в зависимости от приведённой жёсткости подсистемы режущего инструмента


Слайд 33

Частотные свойства преобразования скорости поперечной подачи в вариации сил резания и деформационных смещений инструмента где Структурная схема преобразования вариаций припуска в силы резания с учетом упругих деформационных смещений вершины инструмента в линеаризованном представлении Годограф АФЧХ преобразования вариаций припуска и положения инструмента относительно оси вращения заготовки с вариации модуля сил резания


Слайд 34

Пример влияние переменной составляющей скорости подачи на изменение упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки «а» «б»


Слайд 35


Слайд 36


Слайд 37

Влияние реакции со стороны процесса резания на устойчивость стационарных траекторий «медленных» движений Диаграммы смещения точек равновесия привода вращения шпинделя в зависимости от напряжения якоря Фазовой потрет динамической системы привода вращения шпинделя с процессом резания


Слайд 38

Устойчивость подсистемы «быстрых» движений Линеаризованное уравнение в вариациях относительно траектории формообразующих движений


Слайд 39

Механизмы потери устойчивости подсистемы «быстрых» движений


Слайд 40


Слайд 41


Слайд 42

Первая базовая модель динамической системы резания Самоорганизация и бифуркация в динамической системе резания Вторая базовая модель динамической системы резания (2.9) (2.10)


Слайд 43

Бифуркационная диаграмма для первой базовой модели


Слайд 44

Бифуркационная диаграмма для второй базовой модели


Слайд 45


Слайд 46

a) b) c) d) e) Преобразование многообразий в зависимости от параметров системы для случая несимметричного ветвления точки равновесия


Слайд 47

a) b) c) d) e) f) Преобразование многообразий в зависимости от параметров системы для случая симметричного ветвления точки равновесия


Слайд 48

a) b) c) d)


Слайд 49


Слайд 50


Слайд 51

Схема проведения экспериментов: а – схема обработки; b – схема первого инструмента; с – схема второго инструмента с малой изгибной жесткостью Экспериментальная проверка формирования стационарных многообразий при точении


Слайд 52

a) b) c) Пример стационарных многообразий, полученных при расчетах


Слайд 53

Пример преобразования предельного цикла в двумерный инвариантный тор Пример экспериментально измеренных автоколебаний инструмента при резании Пример стационарных многообразий, полученных при экспериментах


Слайд 54

a) b) c) d) e) Пример экспериментально наблюдаемого преобразования предельного цикла в хаотический аттрактор через бифуркации удвоения периода Пример стационарных многообразий, полученных при экспериментах


Слайд 55

Перестройка динамической системы резания в ходе ее эволюции


Слайд 56

Обобщенный алгоритм исследования эволюционных преобразований в динамической системе резания


Слайд 57

Метод определения стационарных эволюционных траекторий на основе дифференцирования интегральных уравнений


Слайд 58


Слайд 59

Базовая модель динамической системы резания с учетом эволюции связей (3.9)


Слайд 60

Бифуркационная эволюционная диаграмма точки равновесия по совершенной работе резания


Слайд 61

Эволюционные диаграммы изменений параметров по совершенной работе силы резания


Слайд 62

«а1» «а2» «а3» «а4» «а5» «а6» Преобразование многообразий в ходе эволюции системы


Слайд 63

Преобразование многообразий в ходе эволюции системы


Слайд 64


Слайд 65

Принцип идентификации параметров и ядер интегральных операторов


Слайд 66

Синергетическая концепция управления точностью обработки


Слайд 67

Пример базовой детали


Слайд 68


Слайд 69

«a» «б» «в» «г»


Слайд 70

Синергетическая концепция управления точностью обработки с учетом эволюции системы (4.3)


Слайд 71

«а» «b» «c»


Слайд 72

Экспериментально полученные вариации текущего значения диаметра детали при обработке партии из десяти деталей. 1 – математическое ожидание, 2 – поле разброса.


Слайд 73

Пример кинематических возмущений и их влияние на точность обработки


Слайд 74

Терминальные траектории системы резания по пути при различных скоростях резания: 1- терминальная траектория по критерию устойчивости системы, 2 – терминальная траектория по критерию износа инструмента Выбор оптимальной траектории на многообразии желаемых траекторий формообразующих движений


Слайд 75

Изменение оптимальных значений скорости резания в зависимости стоимости инструмента: «а» - по критическому износу инструмента; «б» - по условию потери устойчивости; «с» при одновременном учете двух критериев «c» «b» «а»


Слайд 76

Характеристический полином базовой динамической системы резания (4.5)


Слайд 77

Влияние геометрических параметров инструмента на область устойчивости системы


Слайд 78

Влияние технологических параметров на область устойчивости системы


Слайд 79

Влияние конструктивных параметров подсистем инструмент и заготовки на область устойчивости системы Проектирования наклонных направляющих несущей системы станка Разработка резцедержавки со анизотропно структурированными свойствами упругости и диссипации


Слайд 80

Динамический мониторинг Отображение изменения состояния процесса резания и качества изготовления деталей в параметрах динамической системы


Слайд 81

Пример эволюционных траекторий смещения корней характеристического полинома Пример эволюционных траекторий смещения модели корней характеристического полинома АРС Эволюционные преобразования одного корня АРС модели Пример прогнозирования потери устойчивости системы


Слайд 82

Вибрационное управление процессом резания Управление ориентацией колебаний инструмента относительно заготовки в плоскости путем изменения частоты внешних силовых возмущений


Слайд 83

Общий вывод   В работе разработаны методы анализа и синтеза управляемой динамической системы резания с учетом эволюционных изменений связей и процессов самоорганизации на основе системного анализа динамики процесса резания. Принципиальным отличием развиваемого подхода от существующих является анализ динамической системы резания в целом с раскрытием главной динамической связи, формируемой процессом резания, которая объединяет все подсистемы автономных движений приводов и взаимодействующие подсистемы инструмента и заготовки. Выполненные исследования показали, что изолированное рассмотрение подсистем, во первых, не учитывает их взаимодействий, во вторых, не позволяет раскрыть все возможности управления системой в целом.


Слайд 84


Слайд 85


Слайд 86


Слайд 87

Благодарю Вас за внимание!


×

HTML:





Ссылка: