автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение точности обработки сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках путем разработки алгоритмов управления формообразованием для распределенных систем ЧПУ

/ . ; / ,

А/ V

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АГЕЕВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ ЧПУ

Специальность 05.13.07 Автоматизация технологических процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зориктуев В.Ц. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Чикуров Н.Г.

Уфа - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Сшсок основных сокращений................................... 4

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 5

ГЛАВА I. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ М СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ............................ 12

1.1. Обзор технологии и оборудования

изготовления сложнопрофильных деталей ............. 12

1.2. Известные средства управления точностью обработки при изготовлении

сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ .........16

1.3. Современные СЧПУ и тенденции их развития.......... 19

1.4. Известные алгоритмы управления формообразованием для СЧПУ ........................ 27

1.5. Выводы............................................29

1.6. Определение цели и постановка задач

исследования ......................................30

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ...........31

2.1. Метод управления точностью обработки при изготовлении сложнопрофильных деталей ............. 31

2.2. Методика проектирования алгоритмов управления формообразованием сложнопрофильных деталей ........ 34

2.3. Алгоритм круговой интерполяции в пространстве .....40

2.4. Расчет пространственной эквидистанты .............. 51

2.5. Модуль линейно-параболического разгона и торможения ........................................ 59

2.6. Модуль экспоненциального разгона и торможения ..... 69

2.7. Выводы ............................................74

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И

СТРУКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЧПУ ..............................................77

3.1. Структура аппаратных средств

распределенной СЧПУ...............................77

3.2. Операционная система распределенной СЧПУ..........86

3.3. Структура ПМО распределенной СЧПУ..................................101

3.4. Методика проектирования распределенной СЧПУ..............119

3.5. Выводы ........................................................................................120

ГЛАВА 4. ВЫБОР СТРУКТУРЫ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИВОДНОГО

КОНТРОЛЛЕРА ..................................................................................122

4.1. Структура аппаратно-программных средств

приводного контроллера ........................................................122

4.2. Совершенствование алгоритма микроинтерполяции ..........126

4.3. Выводы ........................................................................................140

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПМО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

СЧПУ..........................................................141

5.1. Разработка базового варианта ПМО распределенной

СЧПУ............................................................................................141

5.2. Обработка лопатки авиационного двигателя ....................150

5.3. Выводы........................................................................................150

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ..................................................................155

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................165

П1. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений с

помощью степенных радов ...........................................165

П2. Предварительная подготовка данных для алгоритмов

управления формообразованием ................................................167

Список основных сокращений

АД - авиационный двигатель

ОС - операционная система

ОСРВ - операционная среда реального времени

ПК - программируемый контроллер

ПМО - программно-математическое обеспечение

ПО - программное обеспечение

ПРК - приводной контроллер

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

САП - система автоматизированного программирования

САУ - система автоматического управления

СЧПУ - система числового программного управления

УП - управляющая программа

CAD/CAM -Computer Aided Design / Computer Aided Manufacture (Автоматизированное проектирование / Автоматизированное изготовление)

ВВЕДЕНИЕ

Изделия со сложной формой изготавливаются человеком с незапамятных времен. Однако, с развитием техники роль и место подобных изделий в жизни человека существенно изменились. Если раньше сложную форму имели единичные виды изделий (монеты, украшения, произведения искусства и т.п.), при изготовлении которых не требовались высокие показатели производительности и точности, то сейчас необходимый уровень этих показателей возрос многократно.

В литературе [17,783 приводится классификация и рассматриваются характерные примеры сложнопрофильных деталей. Высокую степень остроты и ответственности проблема обеспечения высокоточной и производительной обработки приобретает при изготовлении сложнопрофильных деталей авиационных двигателей. К таким деталям следует отнести прежде всего лопатки АД.

Технология изготовления лопаток отчетливо разделена на два основных этапа обработки: черновую и чистовую. На первом этапе главная задача состоит в обеспечении высокой производительности. Эта задача вполне успешно решается путем применения копировальных фрезерных станков. На втором этапе основная задача состоит в обеспечении требуемых точности формы и шероховатости поверхности детали. При этом, формообразование сложнопрофильных деталей механической обработкой (шлифование и полирование) имеет наибольшие технологические возможности [781. Естественным решением на этапе чистовой обработки выглядит использование металлорежущих станков с ЧПУ. Однако, в настоящее время это не приносит должного эффекта. Дело в том, что известные системы ЧПУ не имеют средств компенсации влияния деформации и износа режущего инструмента на точность детали при пространственной обработке. Стандартный способ

решения этой проблемы - пересчет управляющей программы в САП. Кроме того, что это неудобно и нелогично (компенсация износа инструмента при обработке в плоскости есть, а при обработке в пространстве - нет), простой пересчет пространственной эквидистанты к контуру обработки в подсистеме технологической подготовки САП, как правило, недостаточен. Износ инструмента чаще всего происходит неравномерно и для его компенсации необходимо скорректировать конструкторскую модель обрабатываемой детали.

Известные отечественные СЧПУ позволяют вести пространственную обработку только в режиме линейной интерполяции. Аппроксимация сложнопрофильных деталей отрезками прямых линий ведет к возникновению огранки на поверхности детали, увеличению объема управляющей программы и обостряет проблему "коротких" кадров. Суть этой проблемы состоит в следующем. Во-первых, СЧПУ разбивает заданное в кадре перемещение на отрезки, длина которых зависит от величины перемещения, заданной скорости движения и периода таймера системы. Если путь слишком мал, а скорость велика, то число отрезков может оказаться недостаточным для того, чтобы их сумма точно равнялась заданному пути при условии допустимой коррекции скорости. Во-вторых, СЧПУ может не успеть подготовить новый кадр за время выполнения текущего. В обоих случаях, СЧШ" снижает скорость движения, что часто недопустимо с точки зрения технологии обработки.

Повышению точности обработки сложнопрофильных деталей не способствует принятая в известных СЧПУ схема управления контурной скоростью, при которой управление режимами разгона и торможения осуществляется путем подключения к выходам интерполятора экспоненциальных фильтров. Вследствие того, что скорость по отдельным координатам изменяется неодинаково возникает динамическая ошибка движения по обрабатываемому контуру.

Большой объем задач реального времени, который приходится решать современным СЧПУ, в том числе дополнительных (программные САУ технологическим процессом и т.п.), требует от вычислителя СЧПУ высокой производительности. Альтернативой аппаратного повышения производительности здесь может послужить оптимизация алгоритмов задач реального времени и в первую очередь основной из них -интерполяции.

Повышение точности обработки при изготовлении сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках через устранение перечисленных недостатков СЧПУ является целью настоящей работы.

Очевидно, что практически поставленная цель может быть достигнута одним из следующих способов:

- значительной модернизации ПМО существующей СЧПУ;

- разработкой нового ПМО существующей СЧПУ;

- разработкой новой СЧПУ.

Анализ перечисленных способов привел к следующим выводам.

Известные СЧПУ не поддерживают возможностей документированной модернизации их ПМО. Внедрение новых программ в состав ПМО требует тесного взаимодействия с его разработчиками, что не всегда возможно.

Разработка нового ПМО существующей СЧПУ представляется чрезвычайно трудоемкой и бесперспективной ввиду того, что во-первых, помимо самого ПМО необходимо разрабатывать операционную систему СЧПУ, а во-вторых, известные СЧПУ либо уже аппаратно устарели, либо готовы к этому.

Особенности последних моделей зарубежных СЧПУ ярко проявляют тенденцию по созданию открытых систем на основе персонального компьютера IBM PC. Богатые и постоянно развиваемые аппаратные и программные ресурсы этой ПЭВМ, наличие большой номенклатуры

промышленных персональных компьютеров и специализированных плат к ним (контроллеры привода, АЦП и ЦАП и т.п.) определяют следующее.

Практически задачу повышения точности обработки сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках следует решить путем создания открытой модульной распределенной СЧПУ на основе персонального компьютера.

Решаемые в диссертационной работе вопросы являются составной частью исследований, проводимых на кафедре "Автоматизированные технологические системы" УГАТУ и направленных на повышение эффективности использования СЧПУ при управлении обработкой сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках.

Цель работы - повышение точности обработки сложнопрофильных деталей на металлорежущих станках путем разработки алгоритмов управления формообразованием и создания на их основе открытой модульной распределенной СЧПУ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод управления точностью обработки сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ.

2. Разработать методику проектирования алгоритмов управления формообразованием сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ.

3. Спроектировать алгоритмы управления формообразованием сложнопрофильных деталей по разработанному методу.

4. Разработать методику проектирования и структуру открытой модульной распределенной СЧПУ.

5. Разработать и экспериментально исследовать базовый вариант программно-математического обеспечения (ПМО) распределенной СЧПУ.

Методы исследований. В работе использованы:

- математический аппарат векторной алгебры и дифференциальной геометрии;

- численные методы решения дифференциальных уравнений;

- теория компьютерных операционных систем.

Научная новизна.

Новизна метода управления точностью обработки сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ состоит в расчете траектории движения центра инструмента как пространственной изменяемой эквидистанты к контуру обработки, осуществляемом в реальном масштабе времени на основе новой модели движения режущего инструмента.

Новизна созданной модели движения режущего инструмента состоит в ее способности отражать процесс движения центра инструмента в пространстве при заданной скорости движения точки контакта инструмента с деталью на основе перехода от системы алгебраических уравнений, описывающих геометрию обрабатываемого контура к системе дифференциальных уравнений Френе-Серре, описывающих движение инструмента вдоль этого контура.

Новизна методики проектирования алгоритмов управления формообразованием сложнопрофильных деталей на станках ЧПУ состоит в построении программно-математического обеспечения СЧПУ в виде изменяемой и развиваемой модульной системы, основанном на новой модели движения режущего инструмента.

По разработанной методике спроектированы новые алгоритмы управления формообразованием сложнопрофильных деталей, предназначенные для работы в СЧПУ:

- круговой интерполяции в пространстве;

- расчета пространственной изменяемой эквидистанты для шарового, торцового, цилиндрического и тороидального инструментов;

- управления контурной скоростью по линейно-параболическому закону;

- управления скоростью движения в режиме позиционирования по

экспоненциальному закону.

Практическая ценность.

Разработана методика проектирования и структура открытой модульной распределенной СЧПУ.

Реализованный базовый вариант ПМО может быть использован для управления пространственной обработкой открытых сложнопрофильных поверхностей шаровым, торцовым, тороидальным и цилиндрическим инструментами с возможностью ввода изменяемой коррекции пространственной траектории движения центра инструмента.

Управляющая работой ПМО операционная среда реального времени может быть использована как самостоятельная утилита поддержки параллельного выполнения программ реального времени в операционной системе MS-DOS.

Основные результаты работы используются в работах, проводимых на кафедре "Компьютерные системы управления" Московского государственного технологического университета "СТАНКИН" и на Стерлитамакском станкостроительном заводе им. Ленина.

На защиту выносятся:

1. Метод управления точностью обработки сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ.

2. Методика проектирования алгоритмов управления формообразованием сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ.

3. Алгоритмы управления формообразованием сложнопрофильных деталей по разработанному методу.

4. Методика проектирования и структура открытой модульной распределенной СЧПУ на базе ПЭВМ IBM PC.

5. Результаты исследований алгоритма микроинтерполяции для распределенных СЧПУ.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на XXI

Молодежной научно-технической конференции "Гагаринские чтения", МГАТУ, г. Москва, 1996 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении", УГАТУ, г. Уфа, 1997 г.; научно-технических семинарах в МГТУ "СТАНКМН" и на Стерлитамакском станкостроительном заводе им. Ленина.

ГЛАВА I. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

В этой главе проводится обзор основных способов изготовления сложнопрофильных деталей. Раскрываются причины, затрудняющие получение высокой точности сложнопрофильной детали при ее обработке на металлорежущем станке с ЧПУ. Рассматриваются существующие способы повышения точности обработки сложнопрофильных деталей. Дается обзор известных СЧПУ, ориентированных на управление обработкой сложнопрофильных деталей. Определяются общие тенденции построения и развития современных СЧПУ. Анализируются известные алгоритмы управления формообразованием для СЧПУ. На основании обзора определяются цель и задачи исследования.

1.1. Обзор технологии и оборудования изготовления сложнопрофильных деталей

Выбор технологии изготовления сложнопрофильных деталей в основном определяется их видом [17,78], а также требуемыми производительностью и точностью. Технология изготовления деталей АД отчетливо разделена на два этапа: черновую и чистовую обработку. На первом этапе основная задача состоит в достижении максимальной производительности обработки в то время, как необходимые точность формы и чистота поверхности детали достигаются на втором этапе.

Проводимый обзор технологии направлен на вскрытие причин, затрудняющих эффективное использование СЧПУ для управления металлорежущими станками на различных этапах изготовления сложнопрофильных деталей и определение возможных путей устранения этих причин.

Черновую обработку лопаток АД часто проводят путем фрезерования заготовки на станке, либо на копировальном [173, либо с СЧПУ. При этом использование станков с ЧПУ значительно повышает эффективность подготовки и проведения обработки. Во-первых, не надо изготавливать копир. Его модель (практически в любом масштабе) содержится в управляющей программе и может быть получена (скорректирована) с помощью САП [12]. В процессе создания модели можно учесть форму и размеры режущего инструмента. Во-вторых, применение СЧПУ позволяет значительно расширить спектр технологических действий, проводимых при обработке детали (программное управление электроавтоматикой, параметрами технологического процесса и т.п