В технологии машиностроения хорошо известно, что при обработке партии деталей в неизменных условиях наблюдается изменения параметров качества изготовления деталей. Для их стабилизации (например, стабилизации геометрического размера детали) используются различные приемы, основанные на поднастройке инструмента на заданный размер. При этом, как правило, поднастройка инструмента на размер осуществляется на основе информации, полученной после изготовления детали. Хотя существуют и программируемые во времени методы управления точностью. Необходимость поднастройки связывается с развитием износа инструмента и действием других изменяющихся во времени факторов. Эти изменения, существующие естественным образом в ходе функционирования станка, можно назвать эволюционными изменениями. Они связаны с изменениями некоторых параметров, характеризующих динамическую связь процесса резания. Здесь, прежде всего, рассматривается износ инструмента и изменения параметров качества, коррелированные с износом. В связи с этим разработаны различные системы оценивания износа инструмента непосредственно в ходе обработки.

Самостоятельное значение имеют работы по оцениванию эволюционных изменений основных параметров точности станка. Здесь главное внимание уделяется традиционным параметрам точности, без рассмотрения динамических характеристик, которые характеризуют надежность станков. Так в исследованиях, выполненных под руководством А.С. Проникова, предложено рассматривать во времени быстропротекающие процесса изменения состояния станка и медленно протекающие процессы. Это процессы развития износа сопряжений в станках, в том числе направляющих, это тепловые деформации отдельных узлов и их взаимного расположения и пр. Необходимо отметить, что все модели надежности станка основаны на рассмотрении изменения его состояния во времени, но не в пространстве состояния. Однако необходимо учитывать, что, как изнашивание отдельных сопрягаемых элементов, так и тепловые деформации имеют первичный источник, связанный с необратимыми преобразованиями энергии механической системы в другие виды. В данном случае энергия необратимых преобразований вызывает изнашивание контактируемых пар, и она преобразуется во внутреннюю энергию, то есть вызывает производство тепла. В свою очередь, мощность необратимых преобразований зависит от динамической структуры, законов взаимодействия между подсистемами этой структуры и параметров. Поэтому, строго говоря, для построения надежных моделей преобразования свойств станка необходимо либо наблюдать за координатами состояния системы, либо их оценивать на основе применения различных моделей. Необходимо отметить, что представление параметров, характеризующих надежность в координатах пространства состояния, является более перспективным, чем во времени на основе теории случайных процессов. Однако представление параметров надежности в координатах пространства состояния является существенно более сложным, так как требует, по крайней мере, в каждом конкретном случае разработки динамической структуры и наблюдения за координатами состояния.

Именно в связи с необходимостью оценивания износа инструмента в процессе резания на основе наблюдения за координатами состояния была поставлена и во многом решена задача об эволюционных изменениях интенсивности изнашивания инструмента на основе наблюдения за текущими значениями мощности и работы сил резания. Эта задачи наблюдения (диагностирования) и прогнозирования во времени изменения износа. Это единства названо мониторингом, а рассмотрение задач диагностирования и прогнозирования по динамическим параметрам или координатам динамической системы – динамическим мониторингом. Так как изнашивание инструмента зависит от мощности необратимых преобразований и от предыстории изменения мощности по совершенной работе, то эволюционная модель интенсивности изнашивания строится на основе использования интегральных операторов Вольтера второго рода [19]. Для определения же работы и мощности необратимых преобразований предлагаются различные имитационные модели.

Как уже указано выше, в процессе резания при неизменных внешних условиях имеет место изменение спектральных характеристик сигнала виброакустической эмиссии, которое свидетельствует об изменениях динамической системы резания. В связи с этим естественным развитием представлений, сформулированных в работах [19], является изучение эволюционных изменений динамической связи, формируемой процессом резания и вызывающим перестройку динамической системы резания. Частично этот вопрос рассмотрен на основе экспериментальных исследований с использованием методов экспериментальной динамики. В частности, на основе анализа сигнала виброакустической эмиссии и использования методов авторегрессионного спектрального анализа (АРС) показано, что эволюционным изменениям динамической системы резания соответствуют вполне определенные диаграммы эволюции корней характеристического полинома АРС моделей. Отмечается также изменение фрактальной размерности сигнала виброакустической эмиссии. Кроме этого имеются данные по изменениям показателей Ляпунова и о возможности формирования в динамической системе резания странных (хаотических) аттракторов. Однако математические модели, а также условий формированиия в окрестностях стационарных траекторий, например, хаотических аттракторов в известных исследованиях отсутствуют. Отсутствуют и данные о бифуркационных преобразованиях рассматриваемой системы в ходе эволюции. Важность рассмотрения эволюционных изменений динамической связи, формируемой процессом резания, объясняется тем, что именно эти изменения непосредственно влияют не только на траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки, но и непосредственно влияют на показатели качества изготовления деталей. Таким образом, раскрытие эволюционных изменения формируемой процессом резания динамической связи определяет возможность оценивания и управления процессом резания по критерию качества изготовления деталей.

Более того, при оптимизации процесса резания при изготовлении партии деталей по критерию минимума приведенных затрат в настоящее время рассматривается терминальное состояние процесса резания в виде критического износа инструмента. Очевидно, что терминальное состояние, при котором необходимо прекращать процесс обработки и осуществлять переналадку инструмента, характеризуется не только критическим износом, но и максимально допустимыми силами, потерей точности обрабатываемой детали, развитием микронеровностей формируемой поверхности и пр. Таким образом, точнее под терминальным состоянием необходимо понимать некоторое терминальное множество, элементы которого при рассмотрении конкретного технологического процесса могут быть различными. Например, при сверлении глубоких отверстий малого диаметра спиральными сверлами, главное значение имеет предельно допустимое значение крутящего момента, действующего на инструмент. Это момент, при котором имеет место поломка сверла. Поэтому для определения траекторий и технологических режимов, минимизирующих приведенные затраты на изготовление партии деталей, необходимо находить компромисс между стоимостью станкоминуты и интенсивностью процесса, влияющего на эволюционные изменения динамической связи процесса резания, исходя из достижения терминального множества процессом обработки. Здесь интенсивность изнашивания инструмента имеет подчиненное значение.

Необходимо отметить, что исследований в области эволюционных изменений динамической связи, формируемой процессом резания, в настоящее время практически нет. Необходимость изучения этого вопроса, а также построения математических моделей эволюционных изменений динамической системы резания определяется как необходимостью прогнозирования изменения состояния процесса резания, так и прогнозирования изменения характеристик качества изготовления деталей.

Таким образом, динамическая система процесса резания, ее главное отличие от динамических систем машин, характеризуется, прежде всего, наличием динамической связи, объединяющей все подсистемы через процесс резания. Эта динамическая связь (динамическая характеристика процесса резания) является нелинейной, поэтому в динамической системе резания должны проявляться все известные свойства систем, известные из нелинейной механики. Эта связь является эволюционно изменяющейся. Причем, ее изменения обусловлены не только фактором износа инструмента, но и многими, протекающими во времени процессами. Например, термодинамическими процессами, как в станке, так и в зоне резания. Процессами трибохимического обмена между инструментом, обрабатываемой заготовкой и технологической средой и пр. Наконец, взаимодействие подсистем через процесс резания происходит в пространстве. Поэтому модель взаимодействия – динамическая связь, формируемая процессом резания, должна быть пространственной. Все эти особенности, в конечном счете, характеризуют направления дальнейших исследований в области динамики станков и управления процессом обработки.