автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение точности токарной обработки на основе использования модели процесса резания в контуре управления

На правах рукописи

ЖАРКОВ НИКОЛАЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ В КОНТУРЕ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.03.01 «Технологии и оборудование механической и физикотехнической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2006

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

доктор технических наук, профессор Л.Л. Кобзев

доктор технических наук, профессор И.Н. Егоров

кандидат технических наук Ю.В. Черкасов

ОАО «Научно-исследовательский проектно-технологический институт «МИКРОН»

Защита состоится « 2006 г. в часов 00 мин. на

заседании диссертационного совета Д.212.025.03 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан «.^Г» ^/О/»^ 2006 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

профессор (V ЛА~- ^ а.В. Белевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Современный уровень развития техники характеризуется возрастанием технических характеристик машин, устройств и механизмов. Это в свою очередь влечет увеличение точности изготовления деталей. Вопросы повышения точности ведутся по всей технологической цепи: проектирование техпроцесса, выбор и совершенствование инструмента, совершенствование конструкции станков и комплекса ЧПУ. Одним из направлений повышения точности станков является использование возможностей системы управления, которая рассматривается как компонент технологического оборудования -токарных станков с ЧПУ. Выделим две группы токарных станков в зависимости от контроля формообразования в процессе обработки. Первая - с косвенным контролем, когда контролируются координатные перемещения приводов. Вторая с непосредственным контролем размеров в процессе обработки (активный контроль) формообразования. Большинство токарных станков и обрабатывающих центров с ЧПУ по этому признаку относятся к первой группе (около 90%). Отличительной особенностью в части структуры системы управления (УЧПУ и система приводов) является то, что непосредственно регулируемые координаты (координаты режущей кромки резца) не замыкаются по цепи главной обратной связи. При этом сам процесс резания, а также элементы конструкции от ШВП до режущей кромки не охватываются главной обратной связью. Для повышения точности обработки следует учитывать эти звенья в составе системы управления.

Одним из направлений совершенствования систем управления является применение адаптивного управления. Здесь весьма перспективным является использование модели процесса резания в контуре системы приводов параллельно основному контуру.

Цель и основные задачи — повышение точности токарной обработки на основе использования модели процесса резания. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ построения моделей технологического процесса резания при токарной обработке и представить модель процесса резания как звена системы управления, не охваченного обратной связью.

2. На структурном уровне показать возможность компенсации погрешностей системы от звеньев, не охваченных обратной связью

введением дополнительной составляющей в управляющее для приводов воздействие.

3. Разработать структурную схему системы управления с параллельной моделью процесса резания. Сформулировать критерии и алгоритмы формирования дополнительной составляющей в управляющем воздействии.

4. Провести исследование модели трёхкоординатной взаимосвязанной системы приводов с параллельной моделью для станков токарной группы.

5. Выполнить экспериментальные исследования предложенной структуры и провести анализ справедливости предложенных критериев и алгоритмов формирования дополнительной составляющей в управляющем воздействии для станков токарной группы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модель процесса резания токарной обработки как звена системы автоматического управления.

2. Обоснованна принципиальная возможность повышения точности формообразования при" токарной обработке введением параллельной модели процесса резания в контур управления.

3. Разработана структурная схема системы управления с моделью процесса резания для станков токарной группы в двух вариантах - с моделью всего контура управления и только процесса резания.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- повышение точности обработки деталей на оборудовании установленной точности;

- разработана программная модель для исследования систем приводов токарных станков с параллельной моделью процесса резания;

- экспериментально показана эффективность системы приводов с параллельной моделью процесса резания для токарной обработки.

Реализация результатов. Работа по теме диссертации проводилась на кафедрах АиМС и ТМС ВлГУ в рамках ГБ НИР:

- Разработка, исследование производственных высокоэффективных технологических процессов и информационных технологий в машиностроении» №362/01;

и договоров по НИР и ОКР с научно исследовательскими и проектными организациями:

- «Повышение точности станков с ЧПУ токарной и фрезерной групп с использованием модели процесса резания в контуре управления и межканальных перекрёстных связей». Тема №608 — с/03 с ОАО «НИПТИ «Микрон»;

- «Разработка методологии создания высоконадёжного программного обеспечения для объектов управления». Тема №2674/02 с ФГУП «ВНИИ «Сигнал»;

Результаты работы используются:

- ОАО НИПТИ «МИКРОН» в проектных работах и в производстве;

- Владимирским государственным университетом в учебном процессе в лекционных курсах и лабораторном практикуме.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях 1999 — 2006 гг., ВНТК "Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной продукции" (Владимир, 1999 г.); I международной НТК "Автоматизация и информация в машиностроении" (Тула, 2000 г.); III международной НТК "Производственные технологии" (Владимир, 2000 г.); IV Международной НТК "Производственные технологии и качество проекции" (Москва, 2001 г.); I и II Международных электронных НТК "Актуальные проблемы машиностроения" (Владимир, 2001, 2002 г.); V Международной НТК "Производственные технологии и качество продукции" (Москва, 2003 г.); научно — технической конференции "Проблемы машиностроения на современном этапе" (Владимир, 2003 г.) и Первой всероссийской НТК "Мехатроника, Автоматизация, Управление" (Москва, 2004 г.); II Международной электронной НТК "Технологическая системотехника 2003" (Тула, 2004 г.); ВНТК с международным участием "Перспективы развития лазерных технологий" (Москва, 2005 г.); IV Международная НТК "Материалы и технологии XXI века" (Пенза 2006).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- динамическая модель процесса резания при токарной обработке, математическое описание;

- структура системы приводов с параллельной моделью для станков токарной группы;

- критерии и алгоритмы формирования корректирующей составляющей управляющего для приводов воздействия;

- результаты моделирования адаптивной системы управления точностью токарной обработки с параллельной моделью процесса резания;

- результаты экспериментальных исследований адаптивной системы с параллельной моделью для станков токарной группы.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 15 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений. Общий объем работы - 173 страницы машинописного текста, включая 63 рисунка на 53 страницы, 9 таблиц. Список использованной литературы состоит из 104 наименований. Приложение объемом 22 страницы содержит таблицы и акты внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, отмечена её научная новизна и практическая ценность.

В первой главе диссертационной работы выполнен анализ точности формообразования поверхности при механической обработке. Исследованию формообразования поверхности при механической обработке посвящены работы A.M. Абакумова, Б.С. Балакшина, B.JT. Вейц, С.С. Кедрова, В.А. Кудинова, A.A. Маталина, В.В. Максарова, А.Г. Суслова, С.ГТ. 'Грошенского, Ю.Г. Шнейдера и других учёных. Они отмечают, что на образование погрешности, при всех методах механической обработки наибольшее влияние оказывают следующие факторы: режимы резания, геометрия рабочей части режущего инструмента, материал обрабатываемой детали, жёсткость технологической системы и другие.

Проведенный анализ систем приводов для технологического оборудования показал, что наиболее эффективными являются системы приводов с адантивным управлением. Основополагающими здесь являются работы Андрсйчикова Б.И., Балакшина B.C. Игнатьева М.Б., Соломенцева Ю.М., Тверского М.М., Тихомирова Э.Л., Зиньковского A.A., Бойчука JI.M. и др. Среди последних работ наиболее близкими по данному направлению являются работы Никольского A.A., Кушнира А.П., Курсанова Е.В., Орлова А.БМ Афониной H.A.. и некоторых других.

Одним из направлений построения адаптивных систем являются системы с моделью. Основы построения таких систем положены в работах Петрова Б.Н., Рутковского Ю.В„ Землякова B.C., Круговой И.Н„ Чинаева П.И., Новоселова Б.В. и др. В связи с развитием и миниатюризацией средств вычислительной техники появилась возможность реализации моделей при управлении технологическими системами, в том числе и металлорежущим оборудованием с ЧПУ.

В работе рассматривается система приводов с параллельной моделью приводов и процесса резания. При этом формируется дополнительная составляющая в управляющем для приводов воздействии на основе четвертой формы инвариантности, которая подается на систему приводов параллельно с реальным процессом резания. В конечном итоге это позволяет на оборудовании установленной точности получать детали с более высокой точностью.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке

структурной схемы системы приводов с параллельной моделью процесса резания и непосредственно модели процесса резания, при токарной обра-

ботке.

При построении системы приводов с моделью, одним из основных вопросов является вид и описание модели процесса резания. Разработанная динамическая модель (рис. 1) учитывает упругие деформации заготовки, возникающие в процессе резания.

Преобразованная структурная схема примет вид (рис. 2). Модель описывается системой дифференциальных уравнений. Знак приращений Л для упрощения записи опущен.

МХ(Р) = Р) ■ 1У6(р)(т^4(р) - Х(Р)(^(р)т); Мх(р) = 1У1(р) ■ \У9(р)т}У6(р)2(Р);

Мг(Р) = УУ2(р) • УУ6(р)(г1У4(р) - Х(Р)(УУ5(р)т); М,(р) = }У2(р)-1Уд(р)т}У8(р)г(Р); Мг(р) = 1У2(р)-(11У10(р));

Хф(р) = Н/3(р)}У6(р)(гН'4(р)-Х(Р(И'5(р)г); О)

Хф(р) = №3(Р) • \У9(Р) ■ т1У8(р)г(Р);

2ф(р) = Ц'7(р)}У6(р)(тН'4(р)-Х(Р(1У5(р)т); 2Ф(Р) = УУ7(р) ■ 1У9(р)тУУ8(р)г(Р); 2ф(р) = К7(р)-1-1У10(р).

Системе уравнений (1) соответствует структурная схема, представленная на рис.2.Принципиальная особенность системы состоит в том, что технологический процесс, а именно процесс резания не замыкается по цепи главной обратной связи. Назовем это звено свободным. Рассмотрим возмущение, вносимое свободным звеном, применительно к приводу по одной координате, распространив этот подход далее на всю систему приводов.

Приводы подач по координатам X, 7. токарных станков как правило идентичны. Поэтому для определения принципиальной возможности формирования дополнительной составляющей проведем аиализ однокоорди-натного привода по координате поперечного перемещения — X, распространив её на координату 2. Приведем все возмущения на координату Л'со стороны техпроцесса и технологической системы согласно правилу Вознесенского. Так как нас интересует ошибка, вносимая свободным звеном, то выполним элементарную процедуру, аналогичную процедуре декомпозиции системы, структурная схема системы принимает вид рис. 3.

&

%Лр)

Рассмотрим возможность учета динамики свободного звена и формирование дополнительной составляющей в управляющем воздейст-

/(/,£) вии на основе системы с

параллельной моделью. Структурная схема систе-^ мы с параллельной моде-Щв>(Р) » лыо приведена на рис.4.

--Для наглядности на схеме

. да—— использована комбинированная система обозначений. Особенности струк-Рис. 3 туры:

1. Модель основного контура включает все звенья прямого тракта, в том числе и свободного звена; ее передаточные функции

Ф,(р)~ ^м(Р) ф (р)- У2<Р> М<1) 1 + УУм(р) ' Ф'м(Р) 1 + УУм(р)'

2. Составляющие ошибки модели и прямого контура системы без свободного звена соответственно будут

(Р> =8мВ0 (Р)+ 5л,/О (Р)+ ¿мА/ (Р) >

3 (р)=38о(Р) + 3/О(Р)> где: ^о(Р) = 1 + 1У1(р^2(р)}у^<><Р)-> я Уг(рт(Р№з(Р) г,в).

Фм„р(Р)

/(8,/)

1

'^н(Р)

К{р)

go(t)+Лg(0

]

Л{,)

УЛР)

IV Л Р)

А'о(')

Ф'пр(Р)

/(е.Л

уЛр)

Рис.4

Гп)- У1(Р^2(Р)^3(р)

3. Дополнительная составляющая в управлении определяется:

Возможна более простая структура. Так как рассматриваем реальную систему управления, то нет необходимости моделировать основной контур. Достаточно взять выходную координату системы и подать ее на модель. Структурная схема системы в этом случае принимает вид (рис. 5); её особенности: 1) в качестве модели привода используется непосредственно реальный привод; 2) на вход модели свободного звена подается выходная

координата привода; 3) свободное звено модели, так же как и в реальном процессе, не охватывается обратной связью; 4) в модели вводится элемент сравнения для определения погрешности, вносимой свободным звеном АЗ(р) = Аг>мсв(р)=Х0(р)[1 + У2м(р)1У3л1(р)/(р)].

Для оценки точности и формирования дополнительной составляющей вводится условная ошибка в виде ряда

82м о) = л}з;1С а)+х2д2мк (о+х382мд а)+....

Выполнив ее минимизацию по настраиваемому параметру Д^ получим

• •'

Д8о = уо8мс(*>ио)£па*'> = ^ 13мн(', и ])УП<1Г;

Ае = У2Змд(1,и2)епЛ.

£о(0

Ля

£о(0 +.А&(0

/

Нр)

К(р)

МО

£

/18, Л

^Ар)

ПМ >М/>)

А-., (О

\

/(г./)

К(Р)

т

Хо(0

Рис.5

В третьей главе проведено моделирование процесса обработки заготовок на токарном оборудовании/

Моделирование выполнялась в системе визуального моделирования 81М1ЯЛМК, интегрированного пакета МАТЬАВ. Моделировалась система приводов станка с ЧПУ мод. ТПУ — 125М с технологическим процессом резания. На рис.6,7 показан эффект введения параллельной модели на про-

Рис. 6 Рис. 7

цесс токарной обработки заготовок, установленных в патроне, т.е. имеющих консольную схему закрепления. Проиллюстрируем это на примере чистовой обработки заготовок диаметром 30 мм и длиной 130 мм, изготовленных из стали 45. Глубина резания 0,1 мм, скорость подачи 0,1 мм/об, число оборотов шпинделя 600 мин . Обработка производилась резцами из твердого сплава Т15К6. Влияние параллельной модели прослеживается при первом сравнении графиков изменения погрешности обработки, приведенных на рис. 6 (без модели) и рис. 7 (с моделью).

Погрешность при глубине резания * = 0,1 мм снижается с 0,018 мм до 0,004 мм, при глубине резания I = 0.2 мм снижается с 0,027 мм до 0,006 мм, что составляет снижение в 4,5 раза соответственно. Так же было проведено моделирование с изменением глубины резания, подачи, скорости и других параметров. На основании данных моделирования можно сделать следующие выводы: исследование токарной обработки заготовок с глубинами резания от 0,1 до 2,0 мм, подачами от 0,16 до 1,2 мм/об с использованием параллельной модели и при ее отсутствии дает повышение точности обработки в 4 ... 8 раз; это дает возможность обрабатывать заготовки с более высокими режимами, что позволяет исключить промежуточные переходы и повысить экономичность технологических процессов.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению работоспособности предложенной структуры системы приводов и сходи-

мости алгоритмов на реальном объекте. Для проведения исследования была использована наиболее характерная модель токарного патронного станка с ЧПУ ТПУ-125М1 - 2 . Станок имеет наклонную компоновку и выполнен в многоблочном исполнении. Модель процесса резания была реализована на автономной ПЭВМ, на которую подавался сигнал обратной связи по координате Z, Дополнительное управление реализовывалось путем корректировки конечного значения координаты Z в режиме линейной интерполяции. .......

Для проведения экспериментальных исследований в качестве заготовок были взяты валы: 030 мм, / = 150 мм, данные размеры выбраны в соответствии с рабочим пространством станка. Заготовки изготовлены из прутка. Материал заготовок: Сталь 40Х ГОСТ 4543 - 71 И Сталь 45 ГОСТ 1050 - 74. Относительная точность без дополнительного управления и с его и с введением характеризуется графиком (рис. 8). Эксперимент показал, что при обработке с коррекцией точность повысилась.

а, мкм

.... без коррекции (станок) с коррекцией (станок) -----без коррекции (модель) — - - с коррекцией (модель)мм

Рис. 8

Расхождение теоретических и экспериментальных результатов для одноимённых режимов обработки составило 7 — 10%. Использование корректирующего сигнала в системе управления приводом позволило повысить точность обработки в среднем на 50%.

В приложениях приведены документы, подтверждающие результаты экспериментальных исследований, а также акты внедрения, результаты которых отражены в диссертационной работе.

Основные выводы

1. Процесс формообразования целесообразно рассматривать системой, состоящей из последовательно соединенных подсистем: устройство формирования управляющего воздействия (УЧПУ), системы приводов, кинематической системы и непосредственно процесса резания.

■ 2. Для повышения качества системы приводов станков токарной группы и непосредственно точности обработки необходимо учитывать звенья технологической системы, не охваченные обратной связью. Это звено, определяющее непосредственно процесс резания.

3. На структурном уровне показана принципиальная, возможность повышения точности токарной обработки для систем приводов, в которой регулируемые координаты непосредственно не охватываются главной обратной связью, на основе использования введения параллельной модели процесса резания.

4. Разработаны два варианта структурных схем системы управления с моделью процесса резания. Первый предусматривает модель прямого контура и звено, описывающее процесс резания. Второй, более простой и отражающий динамику реальной системы приводов. При этом берется сигнал главной обратной связи привода и подается на вход модели процесса резания.. Предложены критерии и алгоритмы формирования дополнительной составляющей в управляющем для приводов воздействии.

5. Разработанная математическая модель структурной схемы системы приводов для станков токарной группы с параллельной моделью процесса резания в среде MATLAB + Simulink, может быть использована для исследования токарных станков с ЧПУ различных компоновок.

6. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели процесса резания при токарной обработке. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов для одноимённых режимов обработки составило 7 — 10%.

Основные положении диссертации онублнкованы в работах:

1. Жарков Н.В., Кобзев A.A.. Стабилизация параметров токарной обработки // Известия ТулГУ. Серия. Технологическая системотехника. Вып. 3. Тула: Изд - во ТулГУ, 2004. - С. 105 - 110.

2. Кобзев A.A., Жар кон Н.В., Михайлов A.A. Системы управления токарной обработкой с моделью процесса резания II Перспективы развития лазерных технологий / Труды научно — технической конференции с международным участием. — М.: Новые технологии, 2005. — с.126 - 128.

3. Михайлов A.A., Жарков Н.В. Повышение точности обработки на токарных станках консольно закреплённых деталей // Перспективы развития лазерных технологий / Труды научно — технической конференции с международным участием. - М.: Новые технологии, 2005. - с. 128 — 129.

4. Кобзев A.A., Маклакова И.Ю., Жарков Н.В. Повышение точности приводов подач, станков с ЧПУ введением межканальных перекрёстных обратных связей // Тезисы докладов ВНТК "Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной продукции". — Владимир, 1999. -С. 80-81.

5. Кобзев A.A., Жарков Н.В. Коррекция технологических параметров токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Сборник научных трудов. Первая международная НТК "Автоматизация и информация в машиностроении". - Тула, 2000. — С. 78 — 80.

6. Кобзев A.A., Жарков Н.В. Повышение качества токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы 3-й международной НТК "Производственные технологии". - Владимир, 2000.-С. 55-56.

7. Кобзев A.A., Жарков Н.В. Коррекция технологических параметров токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы IV Международной НТК "Производственные технологии и качество продукции". - Москва, 2001. — С.46-50.

8. Генералов Л.К., Жарков Н.В. Постановка задачи оптимального управления процессом механической обработки // Актуальные проблемы машиностроения: Материалы I Международной научно — технической конференции / Владим. гос. ун-т. - Владимир, 2001. - С. 99- 100.

9. Кобзев A.A., Жарков Н.В. Повышение точности токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Актуальные проблемы машиностроения: Материалы I Международной научно - технической конференции / Владим. гос. ун-т. - Владимир, 2001. — С. 235 -237. '

10. Кобзев A.A., Жарков H.B. Обеспечение точности токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы Н Международной электронной НТК "Актуальные проблемы машиностроения". - Владимир, 2002. - С. 94 - 97.

11. Кобзев A.A., Жарков Н.В. Повышение точности токарной обработки на станках с ЧПУ путём внедрения модели процесса резания // Материалы V Международной НТК "Производственные технологии и качество продукции". - Москва, 2003. - С. 214 - 216.

12. Жарков Н.В. Постановка задачи оптимального управления процессом токарной обработки // Материалы НТК механико — технологического факультета "Проблемы машиностроения на современном этапе". -Владимир, 2003. - С. 66 - 67.

13. Генералов Л,К., Жарков Н.В. Моделирование динамических процессов в станках с ЧПУ с использованием структурного ввода и контроля входных воздействий И Первая Всероссийская НТК "Мехатроника, Автоматизация, Управление". — Москва, 2004. — С. 186 — 187.

14. Кобзев A.A., Жарков Н.В., Михайлов A.A. Система управления токарной обработкой с моделью процесса резания // Первая Всероссийская НТК "Мехатроника, Автоматизация, Управление". - Москва, 2004. -С. 450-451.

15. JI.K. Генералов, Н.В. Жарков. Повышение точности токарной обработки заготовок с использованием компьютерных моделей Н Материалы и технологии XXI века: сборник статей IV международной научно -технической конференции. — Пенза, 2006. — с. 140 - 143.

Личное участи автора:

[1,2,4,6]: показаны особенности построения систем с параллельной моделью для систем приводов токарных станков

[,5,7,8]: предложена структурная схема системы с параллельной моделью процесса резания.

[9,10,13]: разработаны варианты модели процесса резания токарной обработки и дано ее математическое описание. [11,12]: дано описание вариантов структурных схем.

[3,14,15]: проведенное моделирование систем и экспериментальные исследование на реальном токарном станке с ЧПУ.

J1P № 020275. Подписано в печать 29.04.04. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Times. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 0,93. Уч.- изд. л. 1,20. Тираж 100 экз.

Заказ

Редакционно-издательский комплекс Владимирского государственного университета. 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

Введение.

1. Анализ погрешностей токарной обработки на станках с ЧПУ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Составляющие погрешности, обусловленные элементами конструкции.

1.3. Составляющие погрешности, обусловленные свойствами заготовки и технологической системы.

1.3.1. Составляющие погрешности, обусловленные свойствами заготовки.

1.3.2. Составляющие погрешности, обусловленные свойствами технологической системы.

1.4. Анализ методов компенсации повышающих точность обработки.

1.4.1. Контролируемые параметры и критерии оптимизации.

1.4.2. Структуры систем.

1.5. Выводы.

2. Динамическая модель процесса резания.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исходная динамическая модель процесса резания.

2.3. Динамическая модель процесса резания с учётом упругих деформаций заготовки.

2.4. Определение вида дополнительного управления в САУ с параллельной моделью.

2.5. Критерии и алгоритмы настройки.

2.6. Вопросы практической реализации алгоритмов коррекции в УЧПУ.

2.7. Выводы.

3. Моделирование адаптивной системы управления точностью токарной обработки с параллельной моделью процесса резания.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Структурная схема модели привода.

3.3. Математическая модель механической передачи приводов продольного и поперечного перемещений.

3.4. Имитационное моделирование процесса токарной обработки заготовок на станке с ЧПУ.

3.5. Программа управления экспериментами.

3.6. Исследование точности токарной обработки при изменении усилия резания.

3.7. Исследование погрешности обработки при изменении режимов резания.

3.7.1. Влияние изменения глубины резания натонность обработки.

3.7.2. Влияние изменения скорости подачи на точность обработки.

3.7.3. Влияние изменения скорости резания на точность обработки.

3.7.4. Влияние изменения жёсткости технологической системы на точность обработки.

3.7.5. Влияние изменения геометрии режущего инструмента на точность обработки.

3.8. Выводы.

4. Экспериментальные исследования системы токарной обработки с параллельной моделью процесса резания.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Учёт особенностей конструкции станка и системы ЧПУ.

4.3. Экспериментальная отладка алгоритмов в полуавтоматическом режиме.

4.4. Методика подготовки исходных данных на токарном станке с

4.5. Вывод.

Основными задачами технического прогресса, стоящими перед машиностроением, является непрерывное повышение производительности и обеспечение высокого качества изделий при обработке на металлорежущих станках, т.к. они являлись и являются основным видом технологического оборудования.

Решение этих задач в условиях быстрой сменяемости продукции, значительно повышенных издержках производства должно быть обеспечено созданием современных и надёжных технологических процессов и устройств.

За последние несколько десятилетий изменились размеры, форма, жёсткость и мощность токарных станков, но остался неизменным принцип формообразования. Постепенное повышение их производительности, достигаемое в результате использования современных инструментов и сокращения времени холостых ходов, обычно сопровождается усложнением конструкции станка и его системы управления.

Выбор токарной обработки обусловлен тем, что по литературным данным около 70% деталей машиностроения изготавливается точением, а также тем, что детали типа тел вращения составляют свыше 60% всей номенклатуры заготовок, обрабатываемых резанием на заводах. Кроме того, точность токарной обработки, в большей степени, определяет точность и производительность последующих операций. Передовые станкостроительные фирмы упорно ищут возможность повысить производительность токарных станков путём модернизации существующих конструкций.

Одним из важнейших требований современного производства является повышение точности обработки деталей и особую актуальность это приобретает в условиях интегрированного компьютерного производства. На протекание процесса и его конечный результат влияет множество погрешностей технологической системы, причём механизмы влияния элементов системы не имеют достаточно адекватного математического описания. Процесс резания стохастичен по своей физической сущности, а свойства материала отдельной заготовки и заготовок в партии нестабильны (то же относится к инструменту и другим компонентам). Возможности получения информации о процессе обработки и о текущем состоянии заготовки ограничены, в частности, из-за трудностей размещения измерительных устройств в рабочей зоне станка и недостаточной точности измерений.

В мировой практике всё больше уделяется внимания применению в металлорежущих станках интеллектуальных систем управления, которые способны выполнять отдельные функции - оптимизацию режима резания, оценку износа инструмента, а также обнаружение и (или) предотвращение поломки инструмента, распознавание вида стружки, принятие мер в аварийных ситуациях и др.

В условиях неполной и быстро меняющейся информации, поступающей в ходе выполнения операций резанием, одним из наиболее эффективных способов повышения точности этих операций является применение корректирующих сигналов, вводимых в контур управления.

Непрерывное повышение требований к точности обработки накладывает более жесткие требования на все составляющие компоненты технологической системы. Выделим среди них две основные группы: первичная - состояние инструмента, величина припуска и его равномерное распределение по окружности, точность заготовки по периметру, параметры технологической системы; вторичная - частота вращения привода главного движения и значения скоростей подач относительно эталонных установок. Первая группа априори задана и не подлежит изменению и коррекции. Вторая группа представляет технологические режимы обработки, и материализуются системой управления. Поэтому при рассмотрении вопроса повышения точности следует рассматривать все компоненты технологической системы.

В данной диссертационной работе рассматривается система управления токарной обработкой с параллельной моделью процесса резания в контуре управления. Данная система управления способствует улучшению качества обработки, в части повышения точности обработки и чистоты поверхности, создаёт предпосылки для роста производительности труда, повышения экономической эффективности производства.

В работе использованы теоретико - экспериментальные методы исследований, базирующиеся на положениях теории автоматического регулирования, технологии машиностроения, методах планирования эксперимента. Методологическую и теоретическую основу составили труды авторов A.M. Абакумова, Б.С. Балакшина, B.J1. Вейца, С.С. Кедрова, В.А. Кудинова, А.А. Маталина, В.В. Максарова, А.Г. Суслова, С.П. Трошенского, Ю.Г. Шнейдера и других учёных.

Общие выводы

1. Процесс формообразования целесообразно рассматривать системой, состоящей из последовательно соединенных подсистем: устройство формирования управляющего воздействия (УЧПУ), системы приводов, кинематической системы и непосредственно процесса резания.

2. Для повышения качества системы приводов станков токарной группы и непосредственно точности обработки необходимо учитывать звенья технологической системы, не охваченные обратной связью. Это звено, определяющее непосредственно процесс резания.

3. На структурном уровне показана принципиальная возможность повышения точности токарной обработки для систем приводов, в которой регулируемые координаты непосредственно не охватываются главной обратной связью, на основе использования введения параллельной модели процесса резания.

4. Разработаны два варианта структурных схем системы управления с моделью процесса резания. Первый предусматривает модель прямого контура и звено, описывающее процесс резания. Второй, более простой и отражающий динамику реальной системы приводов. При этом берется сигнал главной обратной связи привода и подается на вход модели процесса резания. Предложены критерии и алгоритмы формирования дополнительной составляющей в управляющем для приводов воздействии.

5. Разработанная математическая модель структурной схемы системы приводов для станков токарной группы с параллельной моделью процесса резания в среде MATLAB + Simulink, может быть использована для исследования токарных станков с ЧПУ различных компоновок.

6. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели процесса резания при токарной обработке. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов для одноимённых режимов обработки составило 7 - 10%.

1. Абакумов A.M., Видманов Ю.И., В.Н. Михелькевич. Алгоритмизацияпродольного точения // Станки и инструмент, №2, 1972. с.29 - 33.

2. Автоматы настройщики следящих систем. Под ред. Б.В. Новосёлова. М., "Энергия", 1975,298 с.

3. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов / В.Ф. Казмиренко, М.В. Баранов, Ю.В. Илюхин и др.; Под ред. В.Ф. Казмиренко. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.

4. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления / Я.Я. Алексин, А.Э. Боржовский, В.А. Жданов и др.; Под ред.• В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1989. - 244 с.

5. Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 544 с.

6. Автоматизированный электропривод: Тез. Докл. I Межд. XII Рос. конф. С. - Пб.: СПбГЭТУ, 1995. - 155 с.

7. Адаптивное управление станками/ Под ред.Б.С. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973. - 688 с.

8. Андрейчиков Б.И. Динамическая точность систем программного ф управления станками. М.: Машиностроение, 1964. - 386 с.

9. А.с. 811216 СССР. МКИ G056 19/41. Способ управления приводами исполнительного органа объекта для воспроизведения плоских кривых / А.И. Зотеев, О.В. Веселов (СССР)

10. А.с. 259227 СССР, МПК G 05f. Кл. 21с. 46/50. Комбинированный следящий привод/Б.В. Новосёлов, А.А. Кобзев, Ю.С. Горохов (СССР)

11. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения: В 2 х кн. - М.: Машиностроение, 1982 - Кн. 2. Основы технологии машиностроения. 1982. 367 е., ил

12. Барун В.А., Будинский А.А. Станки с программным управлением и программирование обработки. М. Л., «Машиностроение», 1965, 348с. с. илл.

13. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1966. - 992 с.

14. Бессекерский В. А., Изранцев В.В. Системы автоматического регулирования с микроЭВМ. М.: Наука, 1987.-320 с.

15. Бойчук Л.М. Синтез координирующих систем автоматического управления. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 160с.

16. Бутковский А.Г., Черкашин А.Ю. Оптимальное управление электромеханическими устройствами постоянного тока. М.: Машиностроение, 1972. - 109 с.

17. Вейц В.Л., Максаров В.В., Схиртладзе А.Г. Резание материалов: Учебное пособие. СПб.: 2002. - 232 с.

18. Вейц В.Л., Максаров В.В. Динамика технологических систем механической резанием: Монография в 5 ти частях. 4.1: Схематизация процессов в технологических системах механической обработки. - СПб.: СЗТУ - СпбИМаш, 2001 - 184 с.

19. Вейц В.Л., Максаров В.В. Динамика технологических систем механической резанием: Монография в 5 ти частях. 4.2. Динамические модели технологических систем и приводов станков. - СПб.: СЗТУ -СпбИМаш, 2001 - 164 с.

20. Вейц В.Л., Максаров В.В. Динамика технологических систем механической резанием: Монография в 5 ти частях. Ч.З: Динамика приводов станков: линейные системы. - СПб.: СЗТУ - СпбИМаш, 2001 -191 с.

21. Вейц В.Л., Максаров В.В. Динамика технологических систем механической резанием: Монография в 5 ти частях. 4.4: Динамикаприводов станков: нелинейные системы. СПб.: СЗТУ - СпбИМаш, 2002 -228 с.

22. Вейц B.JL, Максаров В.В. Динамика технологических систем механической резанием: Монография в 5 ти частях. 4.5. Автоколебания в технологических системах механической обработки. - СПб.: СЗТУ -СпбИМаш, 2002-224 с.

23. Гапонкин В.А. и др. Обработка резанием, металлорежущий инструмент и станки: Учебник для средних специальных учебных заведений по машиностроительным специальностям / В.А. Гапонкин, JI.K. Лукашев, Т.Г. Суворова. М.: Машиностроение, 1990. - 488 е.: ил.

24. Генералов J1.K., Жарков Н.В. Моделирование динамических процессов в станках с ЧПУ с использованием структурного ввода и контроля входных воздействий // Первая Всероссийская НТК "Мехатроника, Автоматизация, Управление". Москва, 2004. - С. 186 - 187.

25. Герман Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.О.: Учебное пособие - СПб., КОРОНА принт. 2001 - 320 е.: ил.

26. Горбунов Б.И. Обработка металлов резанием, металлорежущий инструмент и станки. Учеб. Пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1981. 287 е., ил.

27. Гультяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 288 с.

28. Гультяев А.К. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб.: Питер, 2000. - 432 е.: ил

29. Гумен В.Ф., Каминская Т.В. Следящий шаговый электропривод. JL: Энергия, 1980.-167 с.

30. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5. SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. Серия "Библиотека профессионала" М.: СОЛОН - Пресс, 2005.-576 е.: ил.

31. Егоров И.Н., Кобзев А.А. Оптимизация режимов токарной обработки с использованием модели резания // Интенсификация технологических процессов механической обработки. Секция 4: Тез. докл. Всес. конф. JL: ЛМИ, 1986.-С. 46-47.

32. Жарков Н.В. Постановка задачи оптимального управления процессом токарной обработки // Материалы НТК механико технологического факультета "Проблемы машиностроения на современном этапе". -Владимир, 2003. - С. 66 - 67.

33. Зорев Н.Н. Расчёт проекций силы резания. М., Машгиз, 1958,- 275 с.

34. Зотеев А.И. Кинематический алгоритм управления пространственным движением схвата промышленных роботов // Известия ВУЗ. Электромеханика. 1983.№10.-с. 56-61.

35. Зотеев А.И. Дискретная модель программатора системы управления пространственным движением схвата робота // известия ВУЗ. Электромеханика. 1991,№12.-с. 45-49.

36. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М., «Машиностроение», 1973, 606 с.

37. Ивоботенко Б.А. и др. Планирование эксперимента в электромеханике. -М.: Энергия, 1975.- 185 с.

38. Игнатьев М.Б. Голономные автоматические системы. М.: АН СССР, 1963,- 324 с.

39. Игнатьев М.Б. Об инвариантности голономных автоматических систем // Теория инвариантности в системах автоматического управления. -М.: Наука, 1964.-С. 115-125.

40. И.Л. Шапиро Электропривод тяжёлых металлорежущих станков. М., «Машиностроение», 1964,224 с.

41. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М., "Машиностроение", 1978. 199 с. с ил.

42. Келогу Юрий Петрович, Захариевич Константин Михайлович, Карташевская Маргарита Ивановна. Металлы и сплавы (справочник), Кишинёв "Картя Молдлвеняскэ",Э1977, 264с.

43. Кобзев А.А., Жарков Н.В. Коррекция технологических параметров токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Сборник научных трудов. Первая международная НТК "Автоматизация и информация в машиностроении". Тула, 2000. - С. 78 - 80

44. Кобзев А.А., Жарков Н.В. Повышение качества токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы 3-й международной НТК "Производственные технологии". Владимир, 2000. -С. 55-56.

45. Кобзев А.А., Жарков Н.В. Коррекция технологических параметров токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы IV Международной НТК "Производственные технологии и качество продукции". Москва, 2001. - С. 46 - 50.

46. Кобзев А.А., Жарков Н.В. Повышение качества токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы 3-й международной НТК "Производственные технологии". Владимир, 2000. -С. 55-56.

47. Кобзев А.А., Жарков Н.В. Коррекция технологических параметров токарной обработки на основе использования модели процесса резания // Материалы IV Международной НТК "Производственные технологии и качество продукции". Москва, 2001. - С. 46 - 50.

48. Кобзев А.А., Жарков Н.В., Михайлов А.А. Система управления токарной обработкой с моделью процесса резания // Первая Всероссийская НТК "Мехатроника, Автоматизация, Управление". Москва, 2004. - С. 450 -451.

49. Кобзев А.А., Жарков Н.В., Михайлов А.А. Системы управления токарной обработкой с моделью процесса резания // Научно техническая конференция с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий». - Москва, 2005. - С. 126 - 128.

50. Кобзев А.А. Адаптация управляющего воздействия в приводах сборочного робота. Известия ВУЗ, Электромеханика, №12, 1991.-С. 73 79.

51. Кобзев А.А. Обеспечение четвёртой формы инвариантности в технологических системах // Судостроительная промышленность. Серия общетехническая. Выпуск 33. 1991. С. 77-84.

52. Кобзев А.А. Расширение возможностей сборочных роботов за счёт динамической коррекции // Проблемы автоматизации сборкирадиоэлектронной аппаратуры: Тез. докл. Всес. конф. М.: Радио и связь. 1991 г.-с. 48-49.

53. Кобзев А.А. Коррекция программного движения в системах управления сборочными роботами // Известия ВУЗ. Приборостроение. 1992 г. №3 4. - С. 15-20.

54. Кобзев А.А. Коррекция программного движения в системах ЧПУ ГАП // Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств: Тез. докл. Всес. конф. Н. Новгород.: ННГУ, 1992. - С. 45.

55. Кобзев А.А. Система управления взаимосвязанных электроприводов, обеспечивающая четвёртую форму инвариантности // Бенардовские чтения: Тез. докл. VI Межд. конф. Иваново.: ИЭИ, 1992. - С. 81.

56. Кобзев А.А. Коррекция программного движения в РТК сборки // Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в автоматизированном производстве: Тез. докл. Межд. сем.-М.: МГААТМ. 1993.-С. 100-101.

57. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов. Учебник для вузов. М., "Высшая школа", 1978. 295 с. с ил.

58. Кудинов В.А. Динамика станков. М., «Машиностроение», 1967, 260с.

59. Кулешов B.C., Лакота Н.А., Андрюнин В.В. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы / М.: Машиностроение, 1986, 328 с.

60. Левин А.И. Математическое моделирование в исследовании и проектировании станков. М., «Машиностроение», 1978, 184 с.

61. Маргалит Р.Б. Наладка станков с программным управлением: Учеб. Пособие для машиностроительных техникумов. М.: Машиностроение, 1983. -253 е., ил.

62. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности "Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты", Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1985.-496 е., ил.

63. Михайлов А.А., Жарков Н.В. Повышение точности обработки на токарных станках консольно закреплённых деталей // Научно техническая конференция с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий». - Москва, 2005. - С. 128 - 129.

64. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.

65. Михайлов О.П., Орлова Р.Т., Пальцев А.В. Современный электропривод станков с ЧПУ и промышленных роботов. М.: Высшая школа, 1989.- 110 с.

66. Михеев Ю.Е., Сосонкин B.J1. Системы автоматического управления станками. М.: Машиностроение, 1978. - 264 с.

67. Невельсон М.С. Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982. -184 е., ил.

68. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980.-304 е., ил.

69. Организация контроля качества в станкостроении. Афонин П.Т. М. "Машиностроение", 1968, 144 стр.

70. Основы точности активного контроля размеров, Волосов С.С., изд-во «Машиностроение», 1969, стр. 356.

71. Петров Ю.П. Оптимальное управление электроприводом. Л.: Энергия, 1971. - 144 с.

72. Петров Б.Н, Гутковекий Ю.В., Крутова И.Н., Земляков С.Д. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления, М.: Машиностроение, 1972 372 с.

73. Потёмкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1998-350 с.

74. Проников А.С. Расчёт и конструирование металлорежущих станков. Изд. 2-е. "Высшая школа", 1968, стр. 431.

75. Программное управление станками: Учебник для машиностроительных вузов / В.Л. Сосонкин, О.П. Михайлов, Ю.А. Павлов и др.; Под ред. д-ра техн. наук проф. В.Л. Сосонкина. М.: Машиностроение, 1981.- 398 е., ил.

76. Проектирование инвариантных следящих приводов / В.Н. Яворский, А.А. Бессонов, A.M. Потапов и др. М.: Высшая школа, 1963. - 476 с.

77. Ратмиров В.А. Основы программного управления станками. М.: Машиностроение, 1978. - 324 с.

78. Розенберг A.M., Ерёмин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. М., Машгиз, 1956.

79. Розенвассер Е.Н., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления. -М.: Наука, 1981.-464 с.

80. Солод В.И., Глушко В.В., Гегелов Г.Г. Автоматическое управление режимами резания металлов. М.: Машиностроение, 1979. - 157 е., ил.

81. Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л. Управление гибкими производственными системами. М.: Машиностроение, 1982. - 325 е.: ил.

82. Справочник технолога машиностроителя. В двух томах. Изд. 3-е переработ. Том 1. Под ред. Канд. Техн. Наук А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М., «Машиностроение», 1972. 694с.

83. Справочник технолога машиностроителя. В двух томах. Изд. 3-е переработ. Том 2. Под ред. Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР д-ра техн. наук проф. А.Н. Малова. М., "Машностроение", 1972, стр. 568.

84. С.П. Трошенский Расчёты точности обработки на металлорежущих станках. М.: "Машиностроение"; 1964, 204 с.

85. Старков В.К. Технологические методы повышения надёжности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984. - 120 с. ил.

86. Структуры и электроприводы роботизированных комплексов на базе токарных станков и машинных центров. Отчёт о НИР. Тема 735/82 Научн. рук. Егоров И.Н., отв. исп. Кобзев А.А. Владимир.: ВПИ, 1982. - 369 с.

87. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках. М.: Машиностроение, 1982. - 208 е., ил.

88. Теория и проектирование высокоточных систем управления. JL: Наука, 1973.- 154 с.

89. Тихомиров Э.Л., Зиньковский А.А. Синтез структур инвариантных устройств воспроизведения программы // Программное управление станками. -М.: Наука, 1975.-е. 51 -58.

90. Файнштейн В.Г., Файнштейн Э.Г. Микропроцессорные системы управления тиристорными электроприводами. М.: Энергоатомиздат. 1986. -240 с.

91. Фишбейн В.Г. Расчёт систем подчинённого регулирования вентильного электропривода. -М.: Энергия, 1972. 136 с.

92. Ходько С.Т. Проектирование систем управления с нестабильными параметрами. Л.: Машиностроение, 1987. 227 с.

93. Хлыпало Е.И. Нелинейные системы автоматического регулирования. Л.: Энергия, 1967.-450 с.

94. Хлыпало Е.И. Нелинейные корректирующие устройства в автоматических системах. Л.: Энергия, 1973. 344 с.

95. Цифровой следящий привод / Б.В. Новосёлов, А.А. Кобзев, В.И. Платный и д.р. // Автоматические манипуляторы и металлообрабатывающее оборудование с програным управлением. Тула.: ТПИ, 1983. - С. 107 - 111.

96. Шароватов В.Т. Обеспечение стабильности показателей качества автоматических систем. Л.: Энергоатомиздат. 1987. - 176 с.

97. Электроприводы манипуляционных роботов с силомоментным очувствлением: Учеб. пособие / И.Н. Егоров; Владим. Политехи. Ин-т. Владимир, 1990. 96 с.