УДК 621.9

Кабалдин Ю.Г., Лаптев И.Л., Шатагин Д.А., Вытнов Ю.В.,Голубев C.В.

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ НА ОСНОВЕ ПОДХОДОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ NVIDIA CUDA В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ LABVIEW

(Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева),

Изложена методология оценки состояния режущего инструмента на основе фрактального и анализа виброакустического сигнала с использованием параллельных вычислений nVidia CUDA в графической среде обработки LabVIEW, в режиме реального времени.

Ключевые слова: износ инструмента, фрактальный анализ, nVidia CUDA, LabVIEW, БПФ.

Состояние технологических систем во многом определяет качество выпускаемой продукции, поэтому своевременная оценка динамических показателей и степени износа оборудования играет важную роль на современном производстве. Для мониторинга работы металлорежущих станков используют системы диагностики, основанные на сборе информации о параметрах оборудования, их последующей обработке и принятия соответствующего решения. Учитывая тот факт, что система резания является сложной, самоорганизующийся системой, включающей в себя большое количество параметров с нелинейными связями, необходимо контролировать только те которые вносят существенный вклад в общее состояние системы и её развитее. Такие параметры называются – параметрами порядка. Изучением сложных, нелинейных, самоорганизующихся систем занимается наука синергетика. Как показывают исследования, одним из параметров порядка системы резания, является степень износа режущего инструмента, которая оценивается косвенно в зависимости от производственных условий. Поэтому оценка и прогнозирование износа режущего инструмента в режиме реального времени является одной из актуальных задач в системе общей диагностики состояния технологических систем. Наиболее полную картину о состоянии режущего инструмента в процессе резания можно получить по виброакустическому сигналу получаемого из зоны резания. Данный сигнал несет информацию о текущем состоянии инструмента и позволяет спрогнозировать картину износа, используя специальные методы и подходы теории синергетики и искусственного интеллекта. Однако учитывая тот факт, что обработка резанием является высокодинамичной и быстро эволюционирующей во времени оценка состояния режущего инструмента в режиме реального времени вызывает ряд трудностей и вопросов со скоростью обработки сигнала и принятия решения. Для реализации алгоритмов нелинейной динамики в реальном времени для оценки состояния режущего инструмента необходимо использовать современные методы высокопроизводительных вычислений.

Обработка полученного сигнала с целью реконструкции аттрактора системы резания и принятия решения проводится на программном обеспечении собственной разработки кафедры «Технология и оборудование машиностроения» НГТУ им. Р.Е. Алексеева созданной на основе инженерного графического языка программирования LabVIEW. Преимуществом графического языка программирования LabVIEW является наличие основных виртуальных приборов и большое количество реализованных функций в виде подключаемых библиотек широко распространенных в области обработки сигналов. Так, например стандартными функциями являются «Быстрое преобразование Фурье», «Оконное преобразование Фурье», « Определение спектра мощности сигнала», «Осциллограф», «Wavelet преобразование» и так далее. Графический язык программирования LabVIEW также отличается высоким удобством ввода и вывода информации и параметров. Для получения частотных характеристик динамических систем широко используют спектральный анализ виброакустического сигнала. Наибольшее распространение в качестве метода спектрального анализа получило «Быстрое Преобразование Фурье» и «Оконное Преобразование Фурье». Для реконструкции аттрактора методом задержек нам необходимо выявлять доминирующие частоты и их амплитуды в режиме реального времени, поэтому предъявляются высокие требования к скорости обработки временных рядов. Современной тенденцией в повышении производительности является применение параллельных вычислений, основывающихся на подключении графического процессора (GPU) для расчетов совместно с центральным процессором (CPU). Лидером в области параллельных вычислений на GPU является фирма nVidia с технологией CUDA. CUDA – это архитектура параллельных вычислений от NVIDIA, позволяющая существенно увеличить вычислительную производительность благодаря использованию GPU (графических процессоров). Направление вычислений эволюционирует от «централизованной обработки данных» на центральном процессоре до «совместной обработки» на CPU и GPU. Для реализации новой вычислительной парадигмы компания NVIDIA разработала архитектуру параллельных вычислений CUDA, на данный момент представленную в графических процессорах GeForce, ION, Quadro и Tesla и обеспечивающую необходимую базу разработчикам ПО. Платформа параллельных вычислений CUDA обеспечивает набор расширений для языков C и С++, позволяющих выражать как параллелизм данных, так и параллелизм задач на уровне мелких и крупных структурных единиц. Для реализации возможностей параллельных вычислений в среде разработки LabVIEW фирма National Instruments анонсировала подключаемый модуль GPU Analysis Toolkit. Данный модуль представляет собой набор подключаемых библиотек для работы с GPU в LabVIEW. Для работы GPU Analysis Toolkit необходимо наличие у ПК видеокарты nVidia с поддержкой технологии CUDA и установленные библиотеки CUDA Toolkit. По полученному спектру мощности вычисляется доминирующая частота и её амплитуда для реконструкции аттрактора и определения степени износа инструмента. Используя теорему Такенса, далее осуществляется реконструкция аттрактора и определяется его фрактальная размерность. Как показывают экспериментальные данные, степень износа инструмента находится в определенной зависимости от фрактальной размерности аттрактора системы резания.