К вопросу формирования системы знаний при интеллектуальном электронном документировании мехатронных объектов

УДК 004.89+621.518.2

К ВОПРОСУ ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ

ПРИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОМ ЭЛЕКТРОННОМ ДОКУМЕНТИРОВАНИИ

МЕХАТРОННЫХ ОБЪЕКТОВ

А.К. ТУГЕНГОЛЬД, A.C. ТИШИН, А.Ф. ЛЫСЕНКО

Даны рекомендации по построению системы знаний на основе концептуального подхода к интеллектуальному документированию мехатронных технологических объектов. Рассмотрен пример применения интеллектуального управления для повышения точности обработки деталей на металлорежущих станках.

Ключевые слова: интеллектуальное электронное документирование, интеллектуальное управление, технологические объекты, станки, система знаний.

Введение. Концепция интеллектуального интерактивного электронного технического документирования (ИЭТД) технологических мехатронных объектов предусматривает включение в ее состав интеллектуального обеспечения - системы знаний (СЗ) для принятия решений по управлению, в том числе с учетом индивидуальных особенностей конкретного объекта. А интерактивность предполагает такой принцип организации составляющих системы технической документации, при котором цель достигается информационным обменом между элементами этой системы, в том числе между ИЭТД и системой управления объектом.

Как указывалось в работе [1], ИЭТД состоит из двух частей - базовой, содержащей основную техническую информацию объекта, и интеллектуальной надстройки с СЗ и интерфейсами связей с УЧПУ и оператором.

Базовая техническая информация содержит регистрационные документы, совокупность руководств по станку, протоколы приемосдаточных испытаний. В число других документов входят:

- сведения о гарантийном обслуживании производителем;

- сведения о капитальных ремонтах, техническом обслуживании и пр.;

- специальные эксплуатационные инструкции;

- другая необходимая информация по станку.

Вторая, то есть интеллектуальная часть, включает:

- информацию об индивидуальных свойствах станка, основанную на результатах приемосдаточных и других испытаний;

- систему знаний станка-индивида (собственная система знаний);

- интерфейсы связи ИЭТД с УЧПУ и операторами.

Система знаний, содержащая базу данных (БД) и базу знаний (БЗ), в обычном процессе функционирования для принятия решений по управлению объектом использует информацию базовой части, в том числе паспортных технических характеристик, данных технического состояния, результатов приемосдаточных и плановых испытаний и пр. Производится обмен информацией блока СЗ с блоком технического состояния, определяющим необходимость в различных видах обслуживания и ремонтов, для выполнения функции наблюдения за свойствами состояния и пополнения и/или корректировки соответствующей базы данных.

Для такого мехатронного объекта, как металлорежущий станок с ЧПУ, знания индивидуальных свойств служат информационной и интеллектуальной поддержкой управления процессом обработки деталей. Основной информацией, характеризующей индивидуальные особенности станка, являются сведения по параметрам и свойствам, влияющим на точность обработки деталей и производительность. В собственную СЗ станка кроме базы знаний по факторам погрешностей

входят совокупности правил принятия решений по различным ситуациям в обработке, видам обработки и требуемым параметрам точности. Оценка ситуации и принятие решений выполняется многоуровневой интеллектуальной системой управления [2].

Задача достижения высокой точности обработки. В число задач, решаемых с использованием возможностей СЗ, входят задачи достижения высокой точности обработки деталей, в которых существенными являются погрешности от влияния податливости инструмента, заготовки и несущей системы, например:

- при неравномерности припуска в процессе обработки поверхностей;

- при обходе угловых поверхностей;

- нестабильности глубины сверления;

- обработке тонкостенных заготовок;

- при точении длинных деталей с относительно небольшим диаметром и пр.

Ниже рассмотрена задача построения базы знаний для повышения точности обработки внутренних угловых поверхностей деталей, которая характерна для фрезерных станков с ЧПУ и обрабатывающих центров при фрезеровании концевыми цилиндрическими фрезами. Как показано в работе [3], основной причиной возникновения погрешностей, приводящей к искажению обработанных поверхностей, является деформация системы СПИД, основную долю которой составляет деформация фрезы.

При подводе фрезы по направлению к углу (рис.1) глубина резания г(т) постепенно увеличивается от значения припуска по контуру л, до максимальной величины. Здесь г - время. По мере изменения угла контакта фрезы \|/(т) сила резания и деформация возрастают, что приводит к отжиму по нормали к обработанной поверхности, достигающему значительных величин. Образуется так называемая внутренняя ошибка Лв [4]. Глубина резания в 3-8 и более раз может превышать в зависимости от сочетания радиуса фрезы Я, радиуса детали Я0, угла изменения направления траектории фрезы |33. Сила резания при этом увеличивается до максимума за сравнительно большой промежуток времени (порядка 0,5-5 с). В момент же изменения траектории, когда упругая система уже значительно деформирована, сила резания падает скачкообразно за

0,01-0,1 с. Возникает переходная динамическая ошибка (рис.2) в виде «вреза» или наружная ошибка А„ [4], достигающая 0,5-1,2 мм. Такие дефекты при производстве ответственных деталей, например в авиационной промышленности, особенно опасны, где даже небольшая риска от инструмента может явиться центром концентрации напряжений и привести к аварии.

Рис.1. Схемы обхода угловых поверхностей: а - составляющие силы резания Р по координатным осям: (3 і - угол между результирующей Р и тангенциальной Р0 силой резания; (3 2 - угол, определяющий ориентацию детали в системе координат; Рз - угол, определяющий изменение конфигурации детали; б- определение изменения припуска

Рис.2. Погрешности обработки угловых поверхностей:

1 - планируемая траектория центра фрезы; 2 - требуемый контур детали;

3 - контур поверхности, полученной в результате обработки

Из теории резания известны зависимости силы резания Р(г) и угла \|/ контакта фрезы от глубины фрезерования г.

у(т) = 2arcsin

Кт)

2 R

где Са — константа, зависящая от характеристик материала; В - ширина фрезерования; - подача на зуб; t - глубина резания; D=2R - диаметр и радиус фрезы; р, хр - нормативные коэффициенты, определяемые по справочным таблицам.

При Ек =('аВ1) из выражений (1) и (2) следует, что проекции силы резания Рх и Рт на координатные оси представляются в виде:

.

Рх (т) = ±EkspsRXp (1 - sine)'

cos

arcsin

где e =

PY (x) = ±EksFz RXp (l - sin e)Xp sin (а - st)" +

arcsin

. (l-sine)"

-p2±ßl

-p2±ßl

42 ‘C'2 n b

arccos^—;—:— -------, 0<t<— .

2(a-sx)R s

arcsin

(a - st) sin P3 + R - tn

-Рз

-< T <

R ss

Максимальную величину слагающие силы резания имеют при z=a/s. В этом случае

R — t

е = arcsin---— Рз. Минимальные значения Рх и Рт получаются при t=t0. Внутренняя ошибка Д„

R

в направлении нормали к обработанной поверхности будет

Ae =-^sin(P2 +P) + ^-cos(P2 +Р),

L-x (-7

Г 0 до изменения траектории движения;

где Р = L ,

[Рз после изменения траектории движения',

Сх, СТ- жесткости системы СПИД по координатным осям.

Одним из способов управления, позволяющих максимально уменьшить погрешности обработки угловых поверхностей (Дм и Д,), является постепенное снижение скорости подачи s за короткий отрезок пути L фрезы - L = а с момента начала изменения припуска (см. рис.1), где а - отрезок пути фрезы, при котором происходит изменение глубины фрезерования от значения to до максимального к моменту перехода к новому направлению движения фрезы:

а = V 2Rt0- t{) .

При достаточном быстродействии приводов подачи современных станков такой способ позволяет получить положительный результат при практически не ощутимой потере времени обработки.

Следует обратить внимание на изначально заложенные элементы неопределенности при определении зависимостей Рх(г) и Ру(г) при изменении скорости подачи для расчета ошибки воспроизведения контура. Поскольку они существенно нелинейны, их решение аналитическими методами для использования в процессах управления не представляется возможным. Кроме того, показатели, входящие в зависимости (1) и (3), принимаемые из таблиц справочников по резанию металлов, определены эмпирически и могут быть использованы лишь для ориентировочных расчетов.

В связи с этим одним из рациональных путей решения задачи повышения точности является реализация нечеткого управления, выполняемого СЗ станка при использовании нечеткого регулятора (НР) в приводах подач [5]. Такое управление назовем автоматическим угловым замедлением.

Ниже приведен перечень входных переменных НР скорости в приводе подачи, определяющих специфику складывающейся ситуации при обработке внутренних угловых поверхностей.

1. I = L /а - отношение текущего расстояния L от центра фрезы до точки изменения направления траектории движения фрезы относительно детали к отрезку а.

Термы, принятые при фаззификации переменной:

большое (В) - со значением /, близким к 1;

среднее (М);

малое (S) - со значением /, близким к 0,1.

2. r=R/Rd - отношение радиуса концевой фрезы к радиусу обработки детали.

Термы:

большое (В), близкое к 1;

малое (S), близкое к 0,5.

3. Рз-угол изменения конфигурации детали.

Термы:

малый (S), близкий к 15°;

большой (В), близкий к 120°.

4. t=t0/D - относительная величина припуска на обработку, где!) - диаметр фрезы.

Термы:

малая (S), близкая к 0,2;

большая (В), близкая к 0,8.

На выходе НР после выполнения процедуры дефаззификации получаем значение V как отношение текущей величины подачи Л1! (при снижении скорости) к регламентированной минутной подаче , т.е. V = Л1! /Л«.

Как показывает опыт, целесообразно использовать 3 терма соотношения у: ДМ и

Термы:

большое (В), близкое к 1;

среднее (М), близкое к 0,5;

малое (Б), близкое к 0,1.

С учетом этого управляющие воздействия, определяющие текущую скорость рабочих органов приводов подачи й1г формируются на основе нечеткого вывода:

= V (/, г, Рз, о  X •

Сформирована база эвристических правил вывода, некоторые из них представлены ниже в качестве иллюстрации.

1. Если отношение /=Ь/а малое (В), а отношение г=Я / Я0 малое (Б), и угол изменения конфигурации р3 мал (Б), и отношение t=t0/D малое (Б), то следует сохранить большую скорость V - (В).

7. Если отношение /=Ь/а среднее (М), а отношение г=ЯК0 малое (Б), и угол изменения

конфигурации Р большой (В), и отношение ( 1) большое (В), то следует снизить скорость до

средней V - (М).

8. Если отношение /=Ь/а среднее (М), а отношение г=Я/Я0 большое (В), и угол изменения

конфигурации Р большой (В), и отношение ( 1) большое (В), то следует снизить скорость до

малой V- (Б).

9. Если отношение /=Ь/а малое (Б), а отношение г=Я / Яд малое (Б), и угол изменения конфигурации 3 малый (Б), и отношение t=t0/D малое (Б), то следует оставить скорость средней у-(М).

Нечеткий алгоритм управления скоростью базируется на результатах нечеткого вывода, визуализация которого представлена на рис.З.

0 05 1

lnput: 1 (0.22 0.9 00 0.3] Plot points: |j 01 Move: left | right j down j up~j|

Opened system Angle 18 rules

Help I Close

Рис.З. Иллюстрация нечеткого вывода

Реализация автоматического углового замедления и нечеткой модели регулятора скорости для системы знаний в ИЭТД выполнена с использованием пакета Fuzzy Logic Toolbox, входящего в состав системы MATLAB. Отображение поверхности нечеткого вывода, показывающее зависимость выхода (скорости подачи v) от входов (расстояния / и относительной величины припуска t), представлено на рис.4.

Результаты моделирования и анализа работы приводов постоянного тока с двигателями мощностью 1,1 кВт и СЗ с управлением нечетким регулятором скорости показали, что контурная погрешность, вызванная деформацией системы СПИД, снижена во много раз. Экспериментальная проверка выполнена на станке 6Р13 ФЗ; условия резания: обрабатываемый материал - сталь Ст45; фрезерование попутное шириной 8 мм, фреза d= 6 мм, материал Р18; п=630 об/мин, ^/=150 мм/мин, t0=2,5 мм. При этих условиях максимальная динамическая ошибка составила

0,36 мм. Применение автоматического углового замедления и нечеткого управления HP скорости с представленной выше базой правил дало возможность снизить максимальную динамическую ошибку до 0,007 мм.

Заключение. Интеллектуальное электронное документирование мехатронных технологических объектов является важным этапом на пути создания единой среды их эксплуатации, программирования и обслуживания. Создаваемые при этом системы знаний о технологических возможностях и особенностях таких объектов позволяют повысить эффективность их функционирования. На примере металлорежущего станка показана возможность повышения точности обработки деталей применением интеллектуального управления с использованием нечеткого регулятора скорости.

Библиографический список

1. Тугенгольд А.К. Интеллектуальное электронное документирование технологических объектов в системе PLM / А.К. Тугенгольд, A.A. Тишин, А.Ф. Лысенко, З.А. Цишкевич // Вестник ДГТУ. - 2011. - Т.11, №3. - С.860-867.

2. Тугенгольд А.К. Интеллектуальное управление мехатронными технологическими системами / А.К. Тугенгольд, Е.А. Лукьянов. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. - 117 с.

3. Ратмиров В.А. Повышение точности и производительности станков с программным управлением / В.А. Ратмиров, И.Н. Чурин, С.Л. Шмутер. - М.: Машиностроение, 1970. - 344 с.

4. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем / В.А. Ратмиров. -М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.

5. Тугенгольд А.К. Искусственный интеллект и интеллектуальное управление в мехатро-нике: учеб. пособие / А.К. Тугенгольд. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. - 146 с.

Материал поступил в редакцию 09.02.2012.

References

1. Tugengol'd А.К. Intellektual'noe e'lektronnoe dokumentirovanie texnologicheskix ob"ektov v sisteme PLM / A.K. Tugengol'd, A.A. Tishin, A.F. Ly'senko, Z.A. Cishkevich // Vestnik DGTU. - 2011. -T.U, №3. - S.860-867. - In Russian.

2. Tugengol'd A.K. Intellektual'noe upravlenie mexatronny'mi texnologicheskimi sistemami / A.K. Tugengol'd, E.A. Luk'yanov. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2004. - 117 s. - In Russian.

3. Ratmirov V.A. Povy'shenie tochnosti i proizvoditel'nosti Stankov s programmny'm upravle-niem / V.A. Ratmirov, I.N. Churin, S.L. Shmuter. - М.: Mashinostroenie, 1970. - 344 s. - In Russian.

4. Ratmirov V.A. Upravlenie stankami gibkix proizvodstvenny'x sistem / V.A. Ratmirov. - М.: Mashinostroenie, 1987. - 272 s. - In Russian.

5. Tugengol'd A.K. Iskusstvenny'j intellekt i intellektual'noe upravlenie v mexatronike: ucheb. posobie / A.K. Tugengol'd. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2010. - 146 s. - In Russian.

ON KNOWLEDGE SYSTEM FORMATION IN INTELLIGENT ELECTRONIC DOCUMENTATION OF MECHATRONIC OBJECTS

A.K. TUGENGOLD, A.S. TISHIN, A.F. LYSENKO

The recommendations on building the knowledge system based on the conceptual approach to the mechatronic technological object documentation are made. The example of the intelligent management application for the improvement in the machine part cutting accuracy is considered.

Keywords: intelligent electronic documentation, intelligent management, technological objects, machine tools, knowledge system.