Структурное моделирование и алгоритм управления подвижными органами обрабатывающего центра с целью обеспечения требуемой динамической точности инструмента при воспроизведении заданной траектории

Анализ работьъ и опыт эксплуатации прецизионных многооперационных станковпоказывает, что по отношению к универсальным станкам их производительность. выше' в" среднем в 3−8 раз. Машинное' время, в сумме обработки составляет 60−70%, а в, отдельных случаях 80% вместо 25−35% на универсальных станках, что способствует сокращению — производственного цикла обработки, а, следовательно, I приводит к высвобождению производственных площадей.

Реализуемые на подобных станках технологические процессы и операции (металлообработка, контрольные измерения) предъявляют высокие требованиям к точности позиционирования! рабочих органова также' к динамическим процессам, перемещения подвижных узлов? заключающиеся-в отсутствии* ударов^ в кинематических звеньях электропривода подачи при разгоне, торможении, позиционированиимонотонность позиционированияобеспечение требуемых значений скоростной ошибки и ошибки* по ускорению приодновременном обеспечении высоких скоростей перемещения подвижных-узлов.

Стремление к цели обеспечения^ требуемой точности" положениям инструмента в рабочем пространстве прецизионного? металлорежущего" станка, приводит к необходимости решения, целого ряда, сложных и взаимосвязанных проблем таких как: обеспечение динамики перемещения и позиционирования рабочих органов линейных интерполирующих координаткомпенсация погрешностей от взаимовлияния интерполирующих координатобеспечение требуемой жёсткости несущей системы станка (станина, стойка, механическиекреплениянесущих элементов) — компенсация^ разворота, т всплывания подвижных узловна направляющихкомпенсация" температурных деформаций.

Значительный вклад в области повышения точности прецизионных координатно-расточных станков за счёт введения системы* автоматического1 управления (САУ) подвижными узлами и несущими элементами был внесён' такими учёными-как: Ж. С. Равва, К. В. Вотинов, В. А. Кудинов, Д. Н. Решетов, С. Я. Галицков, А. П. Соколовский, С.Я., В. Г. Болтянский, H.H. Красовский, F. M: Уланов, З. М. Левин. Вклад в, решение проблем по улучшению динамических характеристик станков внесён зарубежными" исследователями: Г. Шлезингером, Ф. Кенигсбергом, И. Тлусты.

Динамические погрешности имеют крайне сложную природу возникновения, и зачастуюносят случайный характер: В условиях работ по развитию" нанотехнологий этот вид погрешностей приобретает особое значение:

Предметом исследования является влияние динамики* 1 САУ линейными интерполирующими координатами и САУ устройством-автоматической смены инструмента (УАСИ) на точность положения инструмента в рабочем пространстве станка и эксплуатационную-надёжность по точности. Объектом исследования является формирование алгоритмов-управления траекториями' перемещенийподвижных органов, линейных интерполирующих координат и руки механизма смены инструмента^ которые обеспечивают требуемую величину динамической ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Цель настоящей работы:

Структурное представление процесса формирования динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Разработка управляющих алгоритмов для САУ линейными интерполирующими координатами и УАСИ, которые обеспечивают заданную динамическую ошибку положения инструмента в рабочем пространстве и требуемую долговечность станка по точности.

Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи:

1. Представление каждой линейной интерполирующей координаты (автономного сепаратного’канала) в виде математической модели, которая учитывает упруго-диссипативные процессы вовремя перемещения, подвижного органа, реализует формирование собственной помехи линейной* интерполирующей координаты и реакцию подвижного органа-на внешние силовые возмущающие воздействия.

2 Г. Представление УАСИ как источника возмущающих воздействий на подвижные органы. линейных интерполирующих координат^, Г, 2.

3. Моделирование формирования динамической погрешности положения инструмента в рабочем, пространстве станка от взаимовлияния* линейных интерполирующих координат и воздействия на последние УАСИ.

4. Разработка критериев формирования ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка от траекторию перемещения, подвижных узлов, формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой-видов интерполяций.

5. Разработка системы управления электроприводом механизма смены. инструмента, которая минимизирует возмущающие воздействия и повышает эксплуатационную надёжность станка.

Методы исследования: теоретические исследования, базируются на методах теории автоматического управленияклассической механики, линейной алгебры, теорий вероятности и математической статистики. Вопросы анализа и синтеза систем управления решались методами дифференциального и интегрального исчисления, компьютерного ^ моделирования, численными методами.

Метод экспериментального исследования на стенде-станке использовался для получения исходных данных, проведения и уточнения результатов теоретического анализа.

Научная новизна. работы:

Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления, о формировании статических и динамических погрешностей положения инструмента в рабочем пространстве станкакоторые: определяют качество обработки деталей.

Вдиссертации, получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Разработанамодель формированиястатической и динамической ошибки в воспроизведении заданной траектории движения инструмента, отличающаяся от известных, учётом взаимовлиянияСАУ линейными интерполирующими координатами:

2. Впервые разработана модель формирования составляющей возмущающего воздействия от технологической операции автоматической, смены инструмента. Указанная^ модель позволяет синтезировать и оценить, эффективность САУ устройствомавтоматической смены,' инструмента, обеспечивающей плавность перемещения, руки механизма смены инструмента и исключающей’механические нагрузки на элементы станка:

3'. Определены предельныетехнологические параметры-обрабатывающего центра при реализации лезвийных и шлифовальных технологических операций, обеспечивающие заданную1 динамическую' ошибку положения инструмента в рабочем пространстве станка.

4. Впервые разработаны, критерии формирования ошибки положения^ инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий перемещения подвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой видов интерполяций.

5. Разработаны, алгоритмы управления САУ линейными интерполирующими координатами и устройством автоматической смены инструмента, которые обеспечивают требуемую точность, а также эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра: Указанные алгоритмы отличаются от известных учётом взаимовлияния линейных интерполирующих координат и УАСИ через несущие элементы обрабатывающего центра.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

— создана, компьютерная модель, которая^ позволяет оценить влияние параметров.' САУ линейными, интерполирующими координатами станка, а также его конструкции на. точность воспроизведения * заданного' закона движения:

— определены технологические параметры для1 разработки САУ устройством автоматичной смены инструмента.

— результаты, работы использовались при разработке управляющих алгоритмов? обрабатывающим центром 2440СМФ4 на предприятии ЗАО4 «Стан-Самара» (Акт использования* в практикеинженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».).

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:" .

— на обрабатывающем центре 2440СФ4, выпускаемомЕ ЗАО «Стан-Самара»;

— в технических проектах САУ одностоечных координатно-расточных t станков класса точности С.

Апробация работы. Основные положения и* результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Автоматизация"технологических процессов и производственный контроль» (г. Тольятти, 2006) [40], «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва^ 2007) [30], «Проблемы* автоматизированного электропривода»" (г.Харьков, 2008) [31].

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 из них — в журналах, рекомендованных ВАК РФ1 (журнал СТИН № 10−2009, сборник^ серии «Технические науки», СамГТУ № 2(22) — 2008), сборник серии «Технические науки», СамГТУ № 1(23) — 2009), 3 публикации — в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

На защиту выносятся1 основные научные положения,.

1. Математические модели и структурное представление процесса-формированиям статической и динамическойпогрешности положения* инструмента в рабочемпространстве станка, при воспроизведении линейными интерполирующимикоординатами заданнойтраектории.

2. Математическая модель формирования возмущающего воздействия от технологической операции автоматической смены инструмента1.

3. Методика определенияпредельных технологических параметров^ обрабатывающего центра при реализации, лезвийных и шлифовальных технологических операций, обеспечивающих заданную динамическую ошибку положения-инструмента в рабочем пространстве станка:

4. Критерии формирования ошибки положениям инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий’перемещенияшодвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих^ координат при? отработке линейной и круговой видов-интерполяций.

5. Алгоритмыуправления" САУ линейными, интерполирующими координатами и механизмом смены инструмента.

Структура и объём работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 52 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 206 страницах, диссертация содержит: 95 рисунков, 11 таблиц, 1 приложение, библиографическийсписок на, 6″ страницах.

Выводы по главе.

На базе проведённых исследований компьютерной многосвязанной модели формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка, которые описаны в п. 3.1−3.4, а также экспериментальных исследований (см. п. 2.1.1) были получены:

1. критерии формирования траекторий движения подвижных органов формообразующих линейных интерполирующих координат X и 7 с целью обеспечения заданной погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка для линейной и круговой видов интерполяций. Указанные критерии характеризуют качество управления подвижными органами линейных интерполирующих координат X, 7, X и позволяют синтезировать алгоритм выбора желаемых траекторий движения стола, салазок и шпиндельной бабки, при которых обеспечивается заявленный класс точности Салгоритм управления электроприводом механизма смены инструмента. Данный алгоритм позволяет сформировать желаемую траекторию движения руки механизма смены инструмента, с целью повышения эксплуатационной надёжности обрабатывающего центра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе решена крайне актуальная на сегодняшний день задача по выявлению и структурированию динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве одностоечного прецизионного координатно-расточного станка. Это дало возможность обеспечить заявленный класс точности С и повысить эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра 2440СМФ4 за счёт выбора соответствующих траекторий движения рабочих органов линейных интерполирующих координат и руки механизма автоматической смены инструмента.

Основные научные и практические результаты, достигнутые в работе, заключаются в следующем:

1. На основании теоретического и экспериментального анализа конструкции обрабатывающего центраСАУ линейными интерполирующими координатамифизических процессов механической части линейных интерполирующих координат была синтезирована модель формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка. Перспективными направлениями применения указанной модели, являются совершенствование механических узлов координатно-расточного станка и разработка принципиально-новых САУ интерполирующими координатами.

2. Разработана методика синтеза математической модели канала реакции подвижного органа линейной интерполирующей координаты на внешнее силовое возмущающее воздействие.

3. Разработана методика синтеза генератора собственной помехи линейной интерполирующей координатой.

4. Найдены критерии, на основании которых выбираются значения углового ускорения серводвигателей подач и линейной скорости перемещения подвижных органов линейных интерполирующих координат для случаев отработки линейной и круговой видов интерполяций, при которых максимальная ошибка положения стола, салазок и шпиндельной бабки не превышает ± 2,5 мкм.

5. Найдены критерии, на основании которых выбираются максимально-допустимые значения линейной скорости перемещения подвижного узла линейной интерполирующей координаты Z, расстояния осцилляции, при отработке технологического процесса шлифования с осцилляцией шпиндельной бабкой. Указанные значения ограничены максимальной ошибкой положения подвижных органов формообразующих линейных интерполирующих координат (стола и салазок), которая не должна превышать ± 2,5 мкм для класса точности С.

6. Разработана САУ механизмом смены инструмента, позволяющая, при незначительном увеличении времени автоматичной смены инструмента, повысить эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра в среднем на 45% и безопасность обслуживающего персонала.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Из перечня рекомендованного ВАК РФ.

1. Повышение динамической точности положения инструмента в рабочем пространстве станка типа обрабатывающий центр // СТИН. — 2009. -№ 10.-С. 13−16.

2. Анализ формирования погрешностей в положении инструмента координатно-расточного станка // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». — 2008. — № 2 (22). — С. 172−176.

3. Компенсация динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка типа «обрабатывающий центр» // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». — 2009. — № 1 (23). — С. 221−224.

Другие работы:

1. Адаптивное обеспечение точности обрабатывающего центра 2440СМФ4 // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тринадцатая: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 1−2 марта 2007 г.: В 3-х т. — Т.2. — М., 2007. — 556 с.

2. Разработка алгоритма управления устройством автоматической смены инструмента обрабатывающего центра 2440СМФ4 // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23−25 мая. 4.II. — Тольятти: ТГУ, 2006. — С. 6063.

3. Система управления электроприводом механизма смены инструмента обрабатывающего центра. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник Национального технического ун-та «Харьковский политехнический институт». — Харьков: НТУ «ХПИ». — 2008. — № 30. — 646 с.