Повышение точности электромеханических систем станков с ЧПУ

Развитие числового программного управления (ЧПУ) имеет примерно пятидесятилетнюю историю. Числовое программное управление стало универсальным средством управления станками. Этот процесс протекает столь бурными темпами, что в технике не так уж просто найти другой аналогичный в этом смысле пример. Сменялись поколения электронных устройств ЧПУ, принципиально изменялись их возможности, а это накладывало отпечаток на конструкцию и функциональность самого объекта управленияметаллорежущего станка. В результате подобного взаимообусловленного развития создано высокопроизводительное технологическое оборудование с ЧПУ.

Современный уровень развития числового программного управления характеризуется применением высокоскоростных металлообрабатывающих станков, когда наряду с высокой скоростью обработки поддерживается высокая точность изготовления деталей. В настоящее время на российском рынке представлены устройства ЧПУ зарубежных фирм Siemens, Heidenhein (Германия) — Fagor (Испания) — GE Fanuc Automation (США-Япония) — OKUMA, Mitsubishi (Япония) и отечественных фирм: «Балт-Систем» (Санкт-Петербург) — «Модмаш-софт» (Нижний Новгород), «Ижпрэст» (г. Ижевск), «Микрос» (г. Ногинск) [1]. Совершенствование промышленных компьютеров позволяет решать новые задачи управления технологическими процессами, что в свою очередь вызывает новые требования со стороны потребителей к системам ЧПУ. Применение в устройствах ЧПУ аппаратных средств персональных компьютеров позволило перенести акцент в развитии средств ЧПУ на разработку эффективных алгоритмов управления исполнительными органами станка и сделать устройства ЧПУ универсальными. Стыковка устройства ЧПУ со станком осуществляется на этапе пусконаладки путём установки системы параметров и составления программы электроавтоматики. Цифровые регуляторы обеспечивают высокую точность управления следящими электроприводами при больших скоростях подачи, что позволяет производить обработку сложнопрофильных деталей на трёх-пятикоординатных станках с использованием различных видов высокоскоростной интерполяции. Применение в станках с ЧПУ автоматизированных электроприводов обеспечивает расширение технологических возможностей станков, рост производительности, увеличение точности и чистоты обработки. В современном автоматизированном электроприводе всё более важное значение имеет использование машин переменного тока вместо электрических двигателей постоянного тока [2]. Электропривод переменного тока стал доминирующим в новых разработках технологического оборудования. Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнении условий обработки, повышения производительности.

При использовании существующих традиционных методов синтеза условия точности и быстродействия оказываются в противоречии [5, 45].

Усилия многих исследователей [1, 5, 12, 13] направлены на разрешение этих противоречий. Предлагаются различные решения, связанные с изменением кинематических схем — двунаправленные системы и системы с параллельной кинематикой [14, 15, 33], применение замкнутых систем ЧПУ взамен разомкнутых [14, 30], более совершенные системы привода [2, 3, 6, 14, 17, 30, 31, 34], программные способы компенсации кинематических погрешностей [11,13,14].

Возрастающие требования к точности обработки на металлорежущих станках и повышению производительности приводят к быстрому старению ранее найденных решений.

В диссертации предложено решение ряда вопросов, разрешающих противоречие «точность-быстродействие» на основе анализа кинематических схем металлорежущих станков, синтеза корректирующих устройств в контуре положения и коррекции программ ЧПУ.

В результате выполненного анализа сделан вывод о целесообразности применения выводов теории оптимальных процессов для решения задачи повышения точности работы систем ЧПУ, использования средств современной вычислительной техники для расширения функций устройств ЧПУ в управлении процессом формообразования.

В диссертации предлагается реализовывать электромеханические системы по принципу двунаправленных систем, в которых перемещение подвижного органа станка по какой-либо координате контролируется двумя двигателями, причём один из них работает в двигательном режиме, а другойв тормозном. При смене направления движения режимы работы двигателей меняются. В диссертации предлагается производить коррекцию траектории за счёт организации скользящего режима в контуре положения.

Задача реализации в устройствах ЧПУ двунаправленных систем с коррекцией в контуре положения является актуальной, так как её решение позволит повысить точность и производительность процесса металлообработки. Внедрение устройств ЧПУ с коррекцией в контуре положения при ремонте старых станков позволит повысить их точность и в ряде случаев производить модернизацию станков вместо приобретения новых.

Цель диссертационной работы: разработка электромеханических систем, обеспечивающих повышение точности и производительности станков с ЧПУ.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

— проанализировать причины появления погрешностей при обработке изделий и выбрать способы их устранения;

— провести анализ кинематических цепей металлорежущих станков;

— создать модель электромеханической системы, адекватно описывающую процесс отработки траектории в станке с ЧПУ;

— исследовать характеристики электромеханической системы при стандартных настройках регуляторов;

— выбрать и обосновать принципы построения системы управления электроприводом координат;

— разработать методику синтеза параметров регуляторов по условиям точности;

— выполнить теоретические расчёты оценки точности воспроизведения траектории, произвести моделирование при помощи средств вычислительной техники и сопоставить результаты моделирования с результатами теоретических расчётов.

Объектом исследования являются электромеханические системы станков с ЧПУ.

Предметом исследования является система регулирования положения, осуществляющая перемещение подвижных органов станка.

Методы анализа и синтеза. Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического управления, а также метод компьютерного моделирования с использованием математического пакета MATLAB.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых при исследовании математических моделей, подтверждением теоретических расчётов при моделировании, сопоставлением с результатами исследования других авторов.

Научная новизна диссертационной работы:

— получено обобщённое математическое описание электропривода координат в виде математической модели с учётом зазора в редукторе и упруго-диссипативных свойств его передач;

— разработан способ коррекции траектории путём создания системы, работающей в скользящем режиме;

— создана методика синтеза следящего привода подач по условию точности;

— выдвинуто и обосновано положение о разделении управляющих функций между устройством ЧПУ и электроприводом по линии на выходе регулятора скорости.

Практическая ценность выполненных исследований:

— разработаны средства повышения точности и производительности процесса металлообработки;

— разработана инженерная методика выбора параметров регулятора, обеспечивающего требуемую точность отработки траектории в соответствии со стандартами ISO.

К защите представляются следующие основные результаты:

— математические модели электромеханических систем электропривода координат, условия их упрощения и области рационального применения;

— метод коррекции траектории за счёт организации скользящего режима в контуре положения;

— методики синтеза параметров управляющих устройств;

— система управления двигателями двунаправленной системы, приводящая к устранению размыкания кинематической цепи.

Апробация работы. Работа получила поддержку и признание на заседании кафедры САУ СПбГПУ в 2006 году. Основные положения и результаты работы доложены на 2-й международной научно-практической конференции в Тамбове 21−22 апреля 2006 г. Проверка разработанного регулятора положения произведена на опытном макете на фирме «Балт-Систем» и подтвердила эффективность предложенного метода коррекции траектории.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Капулкин Б. С., Семёнов И. М. Системы управления станками повышенной точности//Научно-технические ведомости СПбГТУ: Сборник научных трудов/ Изд-во Политехнического университета. — СПб.: — 2006. — № 5−1(47). — с. 178 185. публикации в других изданиях:

2. Капулкин Б. С. Исследование станков с ЧПУ повышенной точности. Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сборник научных трудов/Под редакцией Ю. Б. Сениченкова. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,.

2005.-с. 114−122.

3. Капулкин Б. С., Семёнов И. М. Следящий привод станков с ЧПУ с коррекцией в контуре положения//Составляющие научно-технического прогресса: Сборник материалов 2-й международной научно-практической конференции (21−22 апреля 2006 г., Тамбов). — Тамбов: Першина, 2006. — с. 8087.

4. Капулкин Б. С., Семёнов И. М. Синтез систем ЧПУ из условий точности. Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сборник научных трудов/Под редакцией Ю. Б. Сениченкова. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,.

2006. — с. 40−46.

Основные результаты теоретических исследований и проведённого моделирования заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель привода координаты, учитывающая силы трения, зазоры и упругие свойства передач, позволяющая производить анализ точностных свойств станка.

2. Предложена система управления следящим электроприводом станков с ЧПУ с коррекцией в контуре положения.

3. Предложена методика расчёта систем управления по условию точности.

4. Проверка разработанного регулятора положения на опытном макете на фирме «Балт-Систем» подтвердила эффективность предложенного метода коррекции траектории. По результатам испытаний отмечено уменьшение как динамической, так и моментной погрешности. Предусмотрено задание параметров регулятора коррекции в файле характеризации устройства ЧПУ.

5. Показано, что устранение влияния люфта программными средствами имеет ограниченные возможности.

6. Проведённый анализ показал перспективность применения систем двунаправленного действия по сравнению с системами с параллельной кинематикой.

7.' Разработаны рекомендации по модернизации станков с ЧПУ:

— установка двух датчиков положения: на исполнительный двигатель и на оконечное кинематическое звено — для фиксации выборки люфта в системе с коррекцией в контуре положения;

— создание двунаправленных систем взамен станков с параллельной кинематикой.

Заключение

.