Повышение точности малых перемещений суппорта прецизионного станка применением комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей

Современные тенденции требуют от промышленности достижения новых рубежей точности обработки. Современные металлообрабатывающие станки должны оперировать микрометровыми величинами с переходом в нанометры.

Привод подачи является важнейшей частью любого автоматизированного металлообрабатывающего станка (МРС), точность перемещения его рабочего органа определяет как точность обработки деталей, так и точность всего станка. Исследованием приводов подач занимались такие ученые, как М. Г. Чиликин, В. Э. Пуш, Б. А. Пронин и др.

Несмотря на высокие возможности современных цифровых управляющих систем и наличие датчиков положения высокого разрешения, исполнение приводом подачи команд управляющих устройств сопряжено с техническими трудностями вследствие слабой управляемости малых перемещений с дискретностью менее 1 мкм. Решением задачи осуществления подобных перемещений может послужить шаговый привод с многоступенчатой фрикционной передачей.

Шаговые двигатели (ШД) являются важными компонентами привода подачи некоторых современных металлообрабатывающих станков. Их исследованием занимались такие ученые, как М. Г. Чиликин, Л. А. Садовский и др. ШД обладают высоким рабочим моментом, возможностью удержания вала во время отсутствия управляющего сигнала, высоким ускорением разгона, простотой управления от цифровых управляющих систем.

Фрикционные передачи (ФП) применяют в кинематических цепях при-боров для обеспечения плавности движения, бесшумности и безударного включения, в приводах станков малой и средней мощности. Исследованием ФП занимались Б. А. Пронин, Р. В. Вирабов и др. Многоступенчатая ФП.

МФП) используется в приводе подачи токарного модуля серии ТПАРМ, обладающего высокой точностью позиционирования (до 0,2 мкм) и способностью реализовать функции стружкодробления (с частотой до 16 Гц). Для реализации этих возможностей, применяются такие дорогие и сложные в настройке и эксплуатации компоненты, как аэростатические направляющие и лазерный интерферометр. В СГТУ исследованиями особенностей использования МФП в станках занимались М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев, Е.В. Бай-ков. Однако существующие технические решения применения МФП в станках для обработки деталей с размерами до 100 мм с погрешностью менее 0,5 мкм недостаточно исследованы, отсутствует развитая теоретическая база, согласно которой можно было бы осуществлять проектирование современных приводов с МФП, особенно с большим числом ступеней. Исследование особенностей взаимодействия МФП и ШД не производилось.

Таким образом, повышение качества управления малыми перемещениями рабочего органа металлообрабатывающего станка с помощью шагового привода с МФП — актуальное целесообразное научное и практическое направление представленной работы.

Целью работы является повышение точности малых перемещений рабочего органа автоматизированного прецизионного станка на основе применения комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Обоснование требований к приводу подачи посредством анализа его влияния на качество управления перемещением и точность металлообработки в современных автоматизированных металлообрабатывающих станках.

2. Анализ процессов, протекающих при реализации малых перемещений, выработка методов для повышения качества управления движения с малой скоростью использованием шагового привода с МФП.

3. Разработка методики автоматизированного проектирования МФП.

4. Создание математических моделей для оптимизации основных геометрических и силовых параметров МФП в рамках автоматизированного проектирования.

5. Разработка алгоритма управления приводом, реализующего предложенные методы, проведение экспериментальных исследований разработанного алгоритма.

6. Внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы.

1. Разработан алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающий замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством.

2. Построены математические модели, устанавливающие взаимосвязь между геометрическими, динамическими и силовыми параметрами МФП и позволяющие определить параметры привода, оптимизированные с точки зрения минимизации его инерционности и сил прижатия роликов.

3. Разработан алгоритм автоматизированного расчета параметров МФП с различным числом ступеней и методика его применения при автоматизированном проектировании МФП с обеспечением заданных параметров качества управления.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложено решение задачи повышения качества управления малыми перемещениями рабочего органа автоматизированного металлообрабатывающего станкаразработан алгоритм автоматизированного проектирования МФП, определяющий оптимальные значения динамических и силовых параметровпредложен высокотехнологичный привод, способный реализовать высокоточные перемещения рабочего органа дискретностью до 20 нанометров.

В соответствии с изложенным, на защиту выносится следующее:

1. Результаты исследований путей повышения точности перемещения рабочего органа прецизионного МРС за счет использования особенностей взаимодействия ШД и МФП.

2. Методика автоматизированного проектирования высокочувствительной передачи с фрикционными роликами.

3. Методика анализа динамики привода подачи металлорежущего станка, учитывающая особенности МФП.

4. Математическая модель силовых взаимодействий элементов трехступенчатой ФП, учитывающая знакопеременные нагрузки.

5. Математическая модель, оптимизирующая геометрические и динамические параметры МФП.

6. Результаты экспериментальных исследований точности шагового привода с МФП с использованием установки на базе прецизионного токарного станка.

4.4. Выводы.

1. Проведенные исследования измерения скольжения показывают, что скольжение в фрикционной передаче слабо зависит от скорости движения и значительно зависит от нагрузки на валу:? = kFF + kvv, где кр и kv — коэффициенты нагрузки и скорости соответственно, причем kF «kv. Относительное скольжение трехступенчатой ФП не превысило значения 0,1%, получены следующие коэффициенты: кр = 0,0004 и kv = 0,6. Полученные данные могут быть использованы в системе управления приводом подачи для коррекции скольжения в реальном времени.

2. При измерении виброактивности передачи общий уровень виброуЛ скорения в приводе составил величину менее 0,3 м/с. Движение рабочего органа МРС осуществлялось со скоростью от 15 до 120 мм/мин. Выявлена высокая демпфирующая способность фрикционной передачи, виброактивность привода в целом в 2 раза ниже, чем шагового двигателя отдельно.

3. Исследования точности позиционирования проводились с помощью индикатора «Микрон-02» дискретностью 0,01 мкм. Измеренная величина реального перемещения при отработке одного шага составила 2,45 мкм, подтвердив расчетное значение 2,44 мкм, полученное с помощью автоматизированного алгоритма расчета динамических параметров привода. Погрешность отработки одного шага не превысила величину 0,15 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе проведены исследования многоступенчатой фрикционной передачи и шагового двигателя в качестве привода подачи в прецизионном металлорежущем станке. Рассмотрены следующие вопросы:

— анализ взаимодействия сил в фрикционной передаче с учетом знакопеременных нагрузок;

— оптимизация геометрических и силовых параметров фрикционной передачи;

— сравнение характеристик фрикционной, зубчатой передачи и ШВП в составе привода подач;

— влияние скольжения на параметры фрикционной передачи;

— работа фрикционной передачи в импульсном режиме (приведение фрикционной передачи шаговым двигателем).

Увеличение прижимных сил приводит к перегрузке передачи и ускоренному износу роликов, уменьшение может привести к пробуксовке передачи. Для оптимизации прижимных сил построена математическая модель трёхступенчатой фрикционной передачи, оптимизирующая компоновку привода. При рассчитанных оптимальных значениях углов а0= 112,0° и /?0 = 105,5° взаимовлияние передаваемых моментов на силы прижима и на основные параметры передачи минимальны.

Разработан алгоритм автоматизированного расчета динамических параметров фрикционных передач, позволяющий найти различные параметры привода, характеризующие поведение передачи в динамическом режиме. Данный алгоритм можно эффективно использовать при разработке фрикционных редукторов как с преобразованием вращательного движения в поступательное, так и без него.

Проведенный анализ динамических показателей привода подачи металлорежущего станка на основе трехступенчатой фрикционной передачи с преобразованием вращательного движения в поступательное показал, что наибольшее влияние на величину полного момента инерции привода оказывает второй ролик фрикционной передачи. Массивный суппорт, расположенный в конце кинематической цепочки, оказывает значительно меньшее влияние. Понижение момента инерции второго ролика его конструктивными изменениями окажет наибольший эффект на полный момент инерции привода.

Разработана математическая модель, оптимизирующая распределение передаточных отношений между ступенями в многоступенчатой фрикционной передаче.

Разработана 4-ступенчатая передача, обладающая существенно меньшим по сравнению с 3-ступенчатой ФП моментом инерции и величиной перемещения при отработке шага двигателя, по сравнению с 3-ступенчатой фрикционной передачей. Применение ременной передачи в составе прецизионного привода подачи приводит к существенному снижению жесткости привода, к появлению дополнительных люфтов, снижает точность позиционирования такого привода. Альтернативой ременной передачи является использование дорогих высокомоментных двигателей. Разработанная 4-ступенчатая фрикционная передача обладает почти в 3 раза меньшим моментом инерции, чем ШВП совместно с ременной передачей, что позволяет эффективно использовать данную фрикционную передачу в составе прецизионного привода подачи.

Разработан нормальный ряд 2-, 4- и 6-ступенчатых ФП, определены граничные значения их основных динамических параметров. Фрикционные передачи из нормального ряда могут применяться в машиностроении в качестве механической передачи прецизионного привода подачи.

Прерывистость движения при скольжении на малых скоростях является неотъемлемым свойством природы скользящих тел. Подбором пар материалов или использованием специальных смазок можно добиться значительного снижения критической скорости, но не устранить эффект. Для преодоления данного эффекта возможно использовать движение, в которое искусственно привнесена прерывистость. Добиться управляемости подобного движения позволяет применение шагового двигателя совместно с фрикционной передачей. Шаговый двигатель обладает высоким ускорением разгона вала, что позволяет рассматривать его как импульсный двигатель. Фрикционная передача, благодаря своей высокой жесткости, преобразует этот импульс в импульсное движение выходного штока и суппорта станка, одновременно развивая силу на выходе, достаточную для перемещения суппорта согласно такому импульсу. При высоком ускорении скорость движения суппорта сразу превышает критическую скорость возникновения прерывистого движения, и суппорт движется в соответствии с управляющим импульсом. Подобное поведение суппорта было подтверждено испытаниями привода подач с фрикционной передачей и шаговым двигателем.

Показана возможность шагового привода с многоступенчатой фрикционной передачей осуществлять движение с высокой точностью в разомкнутом режиме при реализации малых перемещений (до 0,1 мм).

Предложен алгоритм управления привода подачи прецизионного металлорежущего станка с комбинированной схемой управления. Сущность предложенного алгоритма управления заключается в осуществлении движения рабочего органа МРС в два этапа — подвод к рабочей зоне и высокоточная доводка рабочего органа до требуемой точки. Предложенный алгоритм использует преимущества многоступенчатой фрикционной передачи и шагового двигателя и может применяться в прецизионных приводах подачи с субмикронной дискретностью.

Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий предложенный алгоритм управления прецизионным шаговым приводом подачи с многоступенчатой фрикционной передачей. Разработана аппаратная схема управления шаговым двигателем, программы для встроенного микроконтроллера и управляющего компьютера.

Проведенные исследования измерения скольжения показывают, что скольжение в фрикционной передаче слабо зависит от скорости движения и значительно зависит от нагрузки на валу:? = kFF + kvv, где kF и kv — коэффициенты нагрузки и скорости соответственно, причем кр «ку. Относительное скольжение трехступенчатой ФП не превысило значения 0,1%, получены следующие коэффициенты: кр = 0,0004 и kv = 0,6. Полученные данные могут быть использованы в системе управления приводом подачи для коррекции скольжения в реальном времени.

При измерении виброактивности передачи общий уровень виброускорения в приводе составил величину менее 0,3 м/с. Движение рабочего органа МРС осуществлялось со скоростью от 15 до 120 мм/мин. Выявлена высокая демпфирующая способность фрикционной передачи, виброактивность привода в целом в 2 раза ниже, чем шагового двигателя отдельно.

Исследования точности позиционирования проводились с помощью индикатора «Микрон-02» дискретностью 0,01 мкм. Измеренная величина реального перемещения при отработке одного шага составила 2,45 мкм, подтвердив расчетное значение 2,44 мкм, полученное с помощью автоматизированного алгоритма расчета динамических параметров привода. Погрешность отработки одного шага не превысила величину 0,15 мкм.