автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система автоматического управления динамической разгрузкой шпиндельного узла многооперационного координатно-расточного станка

На правах рукописи

□□3408332

Захаров Сергей Игоревич

СИТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКОЙ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА МНОГООПЕРАЦИОННОГО КООРДИНАТНО-РАСТОЧНОГО

СТАНКА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 МК 2009

Самара - 2009

003488332

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и промышленная автоматика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Лысов Владимир Ефимович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лившиц Михаил Юрьевич

кандидат технических наук, доцент Масляницын Александр Петрович

Ведущая организация: ГОУВПО Оренбургский государственный

университет (г. Оренбург)

Защита диссертации состоится "24" декабря 2009г. в 11 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Галак-тионовская, д. 141, ауд. 28 , 6 корп. СамГТУ

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.03; факс: (846) 278-44-00.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)

Автореферат разослан_ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.03.

Губанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке системы автоматического управления движением и позиционированием шпиндельной бабки (ШБ) одностоечного координатно-расточного станка, перемещающейся на вертикальных направляющих, при её динамической разгрузке. Это позволяет расширить технологические возможности станка, повысить его производительность и заявленные показатели качества обработки детали.

Актуальность темы. Станкоинструментальная промышленность относится к числу базовых отраслей промышленности России и во многом определяет уровень развития страны. Неблагоприятные экономические условия в 90-х гг. существенно снизили спрос на отечественную продукцию и затормозили развитие отрасли. Однако современное состояние экономики требовало возрождения станкостроения, обновления и глубокой модернизации станочного парка, в том числе и прецизионных станков. Создание новых инструментов, новых материалов потребовали разработки новых или глубокой модернизации существующих станков, обеспечивающих заявленную точность и высокую производительность, которые соответствуют международным стандартам. Работа выполнена в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения».

Предметом исследования данной работы является движение, позиционирование ШБ на вертикальных направляющих. Объектом исследования является процесс динамической разгрузки ШБ при гармоническом задающем сигнале с переменной частотой в заданном диапазоне.

Цель настоящей работы заключается в разработке САУ динамической разгрузкой шпиндельной бабки координатно-расточного станка, позволяющей реализовать систему осцилляцией ШБ в заданном диапазоне

частот и осуществить технологическую операцию тонкого шлифования. Это дает возможность расширить технологические возможности станка, повысить его производительность и точность обработки.

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

1. Исследовать помехи, влияющие на точность воспроизведения заданного движения ШБ.

2. Провести аналитическую идентификацию движения ШБ при разгрузке с помощью противовеса и разработать её структурную схему.

3. Разработать компьютерную модель САУ движением шпиндельной бабки в режиме осцилляции с противовесом, проанализировать усилия, возникающие в узлах станка, и точность воспроизведения заданной траектории.

4. Синтезировать САУ динамической разгрузкой ШБ, обеспечивающей заявленную точность в воспроизведении движения.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать опытно-промышленную САУ многооперационного КРС.

Методы исследования: теоретические исследования базируются на методах классической 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 заключается в следующем:

1. Впервые разработаны математическая и компьютерная модели электромеханической системы динамической разгрузки шпиндельной бабки координатно-расточного станка.

2. Проведена идентификация процесса перемещения шпиндельной бабки на вертикальных направляющих как объекта системы автоматического управления, отличающейся от известных учетом контура её динамической разгрузки.

3. Синтезирована структура системы автоматического управления движением шпиндельной бабки многооперационного координатно-расточного станка, отличающейся от известных учетом взаимовлияния контура движения и позиционирования шпиндельной бабки и контура управления её динамической разгрузки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета взаимосвязанных САУ движением и позиционированием шпиндельной бабки и её динамической разгрузки, обеспечивающих точность воспроизведения движения ШБ на вертикальных направляющих многооперационного координатно-расточного станка, что позволяет на этапе проектирования создавать современные САУ прецизионными металлорежущими станками. (Акт использования в практике инженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».)

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

- на станке 2440СФ4, выпускаемом ЗАО «Стан-Самара»

- в технических проектах САУ разгрузкой дня КРС класса точности С.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии», г. Оренбург, 2005.

2. Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», г. Тольятти, 2006.

3. 13-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2007.

4. Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода», г. Харьков, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 из них - в журналах, рекомендованных ВАК РФ (журнал СТИН №11-2008 и сборник серии «Технические науки», СамГТУ №2(22) - 2008), 7 публикаций - в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

На защиту выносятся основные научные положения:

1. Математическая модель процесса перемещения шпиндельной бабки на вертикальных направляющих при её динамической разгрузке.

2. Алгоритм управления и синтез системы автоматического управления перемещением шпиндельной бабки многооперационного станка высокой точности, обеспечивающий высокую производительность как при лезвийной обработке, так и при шлифовании.

3. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления движением ШБ, оснащенной системой динамической разгрузки.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 113 страницах, диссертация содержит: 53 рисунка, 2 таблицы, 1 приложение, библиографический список на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется её цель и задачи исследований. Приводятся методы исследования и защищаемые научные результаты. Определяется практическая ценность полученных результатов.

В первой главе работы осуществляется анализ и описание факторов, влияющих на точность координатно-расточных станков, и рассмотрение методов её повышения, также приводится схема формирования погрешностей. Рассматривается устройство шпиндельной бабки координат-но-расточного станка, описывается система её статической разгрузки.

Прецизионные координатно-расточные станки должны обладать высокой степенью точности и производительности. Обеспечение точности представляет собой целый комплекс конструкторских, технологических и эксплуатационных задач. Их эффективное решение позволяет на стадии проектирования прогнозировать, а при эксплуатации - поддерживать точностные характеристики станков.

В станкостроении накоплен существенный опыт в оценке точности технологического оборудования и в разработке эффективных путей ее повышения. Значительный вклад в станкостроение внесли отечественные и зарубежные ученые: B.JI. Вейц, В.Э. Пуш, В.А. Кудинов, Б.М. Базров, В.М. Бржозовский, A.M. Дальский, М.Г Косов, Д.Н. Решетов, Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, В.А. Кудинов, Ж.С. Равва. В области управления: В.Г. Митрофанов, Ю.М. Соломенцев, Б.С. Балакшин. В области цифрового управления; В.А. Бесекерский, О.П. Михайлов, Б.К.Чемоданов.

Одним из наиболее перспективных методов повышения и поддержания точности станков является оснащение их специальными системами автоматического управления, позволяющими управлять различными эле-

ментами технологических систем станков, существенно повышая их точностные показатели и обеспечивая высокую производительность.

При обработке заготовок их массы, а также наличие подвижных узлов в станках приводят к возникновению деформации несущих систем. Особенно это относится к ШБ прецизионных координатно-расточных станков при выполнении технологической операции тонкого шлифования путем осцилляции ШБ. Этим обусловливается снижение геометрической точности в положении инструмента относительно детали в рабочем пространстве станка.

Во второй главе приведены аналитические исследования влияния силовых деформаций от перемещения ШБ на вертикальных направляющих при лезвийной обработке на точность станка. При построении математической модели использовалась расчетная модель интерполирующей координаты Ъ при статической разгрузке, показанной на рисунке [. Данная модель описывается системой уравнений в операторном виде:

щ

г,

МдВ(р) = СФ[я{р)

Мдв (р)~ -¡ЦВ (р)р 2<Р\ (Р) = С2 (Т2 Р + (р)

С2 (Т2Р +1)«5/ (Р) " Л? {Р)Р1П (Р) = Сз(Т3р + \)<рц (р) Съ(Тгр + \)(1>1,(р) = КМрРв(р) Рц(р) = с4(т4Р+1)гт

^(р) - %>(р)- яуы- услр) = т\р%{р) ¥д(р) = Сьгп (р) + Оъ7,„(р) = С5(Г5р + \)

Рисунок 1

Уд(Р) = (G\(phCn(p) - Fy(p))

Ftp (p) = WtP sin pZs (p)

<?п(р) = п(р)-<рг(р)

ZII(p) = Z2(p)-Zi(p)

Zv¡(p)=Z4{p)-Zb(p)

,, Мдв(Р) dcp .

AFjjf p) 2

На рисунке 1 обозначено: JJB - момент инерции исполнительного электродвигателя; JB - момент инерции шарико-винтовой пары (ШВП); m¡, т2— масса ШБ и противовеса, G¡, G2 - вес ШБ и противовеса, FT¡, - сила трения в направляющих скольжения. Упруго-диссипативные элементы C;,Dy; Cj.D4\ Cj,D¡ моделируют осевую жесткость и рассеяние энергии кинематических звеньев исполнительного механизма: троса, ходового винта и подшипника со стыками, соответственно, а элементы C2,D2 и C3.D¡ -крутильную жесткость и демпфирование соединительной муфты и ходового винта. Параметры расчетной схемы ChC4,C¡ могут быть определены как аналитически, так и экспериментально. C¡,C4 - коэффициент жесткости троса и осевая жесткость ходового винта, величины которых приводятся в техническом паспорте применительно к электроприводу подачи шпиндельной бабки 2440СФ4. Величина крутильной жёсткости с2=ДЛ//д?> практически не изменяется во всём диапазоне рабочих нагрузок. Крутильная жёсткость C¡ ходового винта зависит от длины его рабочего участка, который определяется расстоянием от соединительной муфты до гайки, и может быть найдена по соотношению С? =^хв GXB /321Р , где dXfí , GXB -

диаметр и модуль сдвига материала винта, 1Р - длина рабочего участка ходового винта, определяемого расстоянием от соединительной муфты до гайки. Осевая жёсткость С? упорного подшипника со стыками может быть

определена из соотношения 1 /с5 = 1/525^м0г2ш(12ш + ~с1в} > где

А'0 - усилие, действующее на подшипник и стыки, гш, с!ш - количество и диаметр шариков упорного подшипника, К; - безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии поверхностей стыков и свойств материалов, с1н,с1в -наружный и внутренний диаметры подшипника.

Коэффициент демпфирования /"-того элемента расчётной схемы, испытывающего крутильные деформации, определяется по выражению Д^^с^пж. Здесь - коэффициент относительного рассеяния

энергии в /-том элементе, С, - коэффициент жесткости /-того элемента, - момент инерции нагрузки и кинематических звеньев привода, приведённый к /-тому элементу. Переход от вращательно движения к поступательному учтен в расчетной модели коэффициентом передачи «винт - гайка»

¡вг =дг3 /Арз Соответственно для звеньев, испытывающих деформации растяжения или сжатия, д, =1,^С,тпгч/2ж.

Применительно к рассматриваемой схеме

Д2 =|^/с2(:/й + т),Д з = Ц-^э'аг т ,

В системе обозначено: 25, ^ - координаты перемещения ползуна и противовеса по оси '¿,2и - упруго-диссипативная деформация; Ртр'/тр-м - сила, коэффициент трения и нормальное усилие к плоскости

направляющих, Рц,ь\ - силы инерции ползуна и противовеса, Где 1Я, содВ, 3 дН , яя, 1Я - ток, угловая скорость, момент инерции якоря двигателя, активное сопротивление и индуктивность якорной цепи исполнительного двигателя; с, Ф - конструктивный коэффициент и магнитный поток двигателя; мдВ, мс - вращающий момент и момент нагрузки двигателя.

Полученной математической модели соответствует структурная схема, приведенная на рисунке 2.

Рисунок 2

Выполнено математическое описание модели перемещения ШБ при лезвийной обработке и осцилляции как объекта управления. Получены динамические структуры объекта управления.

Математическое моделирование реализовано с помощью математического пакета МаЙаЬ БшшНпк.

Исследования при традиционной статической разгрузке показали на возникновение недопустимых для высокого класса точности станка нагрузок (рисунки 3 и 4), т.е. возникновение ударов.

Рисунок 3 Рисунок 4

На рисунке 3 кривая 1 - без противовеса, кривая 2-е учетом противовеса. Из сравнения становится очевидным факт возникновения ударных нагрузок. Это подтверждается и графическими зависимостями, показанными на рисунке 4.

Поэтому необходимо разработать динамическую разгрузку ШБ, которая бы обеспечивала требуемые показатели качества. На рисунке 5 представлена структурная схема САУ динамической разгрузкой.

Рисунок 5

Система синтезирована на основе теории СПР с учетом влияния разгружаемой массы. С использованием данных из экспериментов была построена компьютерная модель динамической разгрузки. Результаты, представленные на рисунке 6 (сигнал задания 2 Гц), свидетельствуют о точности воспроизведения заданной траектории движения ШБ.

Рисунок 6

Дальнейшее повышение точности воспроизведения осуществлялось синтезом САУ перемещением ШБ, согласованной с САУ динамической разгрузкой.

На основе построенной математической модели перемещения ШБ при лезвийной обработке и статическом противовесе, а также при осцилляции и динамической разгрузке можно сделать следующие выводы:

1. Существующая система разгрузки противовесом обеспечивает работу станка в статических режимах работы ШБ. При осцилляции ШБ свыше 1 герца возникают недопустимые нагрузки на конструкцию станка, что ведет к потере точности.

2. Динамическая разгрузка обеспечивает плавность перемещения и требуемую точность воспроизведения траектории ШБ в определенном диапазоне частот.

Аналитические выражения и структуры позволяют синтезировать систему уравнений перемещений шпиндельного узла.

В третьей главе синтезируется согласованная работа САУ воспроизведением заданной траектории ШБ и её динамической разгрузкой. Сигналом задания для контура разгрузки является сигнал выхода тахогене-ратора САУ движением ШБ. На основании теории инвариантных САУ синтезировано первое согласующее звено (КЗ) (рисунок 7).

,, . . 2ЗД (P)WPI1 (P)W3A?M (Р) .

Va\( Р) =-j-— ,

\ + WPn(p)W3AMaX(p)

кдс р 1

¿зд (Р)Щ'П (Р)н'ЗМШ (р) к

®i =-—

1 + WPn(p)W3AM(aX(p)-—-¿-КДС Р

иоЛ (PWX (PWPC2(PW3AM. (Р)

ию2(р)=-j——-.

\ + WrC2 (p)W3AMi(p)--—W2 (p)

Кдт

ual(pWx(pWPC2(pW3AMi(p)-r~w2(p)

<U2 =

ДТ

1+WK2(pPr3Mii(P)1r-Wi(P)

К

ДТ

2^(pWp„<P)Wj/iMañ(p)Wx(p)WK1(p)W3mi(p)^—W1(p)

vдт

1+Wpci (pW-íam,(p)-} -- Щ(р) Ji+Крп(р)Щшш\(р)-—

КДС Р

4ДС

\+Wpci(pW3au¡(p)t—wi(p>

Л —

IVX(P):

дт

WpC2(P)W3AMi(P)^-W2(P)

дт

№х(р) = $Т2тпр2+4Ттпр + \ .

На рисунке 8 представлена осциллограмма переходных процессов

СОх 2 при г=12,56с' (/=2Гц). Анализ показал, что практически разгрузка

обеспечивает снижение влияния массы до 10% усилия, что является допустимым для КРС класса высокой точности.

0.5 Г

Рисунок 8

Дальнейшее повышение точности воспроизведения связано с учетом действия составляющих, которыми пренебрегали при линеаризации контуров тока и скорости в САУ шпиндельной бабкой и САУ динамической разгрузкой.

В силу сложности аналитических исследований учет был произведен методом компьютерного моделирования. В связи с тем, что контур динамической разгрузки отстает по фазе от контура движения ШБ, изна-

чально задается дифференцирующее звено (К31), включенное на разность частот вращения электродвигателя подачи ШБ и ее динамической разгрузки. Вариация параметров этого звена позволила установить значения, обеспечивающие заданные требования по воспроизведению движения ШБ.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных исследований повышения точности технологической системы координатно-расточного станка. На станке модели 2440СФ4 проведены экспериментальные исследования, которые позволили сравнить полученные результаты с теоретическими исследованиями в описании объекта управления -ШБ со статической и динамической разгрузкой, а также передаточных функций этих систем; констатировать эффективность выполнения технологических операций на созданном многооперационном станке.

В состоянии покоя ШБ удерживается следящей САУ позиционирования ШБ совместно с САУ динамической разгрузкой. На систему действуют внешние помехи неабсолютное уравновешивание, изменение трения в направляющих из-за изменения режимов движения, температуры и неучтенных факторов. На осциллограмме (рисунок 9) показано значение тока двигателя ШБ, которое практически стабильно (±0,1 А).

Рисунок 9 Рисунок 10

При движении шпиндельной бабки с изменением частоты возрастают токи нагрузки на двигатель ШБ и на электродвигатель разгрузки, на

рисунках 10, 11, 12 показаны значения тока электродвигателя ШБ при значениях частоты осцилляции 0.5, 1, 3 Гц.

Рисунок 11 Рисунок 12

На рисунке 13 построен график изменения нагрузки на электродвигатель ШБ. Здесь кривая 1 показывает экспериментальные значения, полученные на станке, кривая 2 - реакцию динамической разгрузки для этих же значений тока нагрузки. Отличие в 8-10% свидетельствует об эффективность системы разгрузки, а следовательно - о возможности создания многооперационного станка.

12 3 4 1гц

Рисунок 13

Для целей создания многооперационного КРС была разработана, изготовлена и испытана шлифовальная головка (рисунки 14 и 15), которая используется как инструмент.

Рисунок 14 Рисунок 15

Процесс шлифования осуществляется за счёт следующих движений:

- вращение электрошпинделя вокруг своей оси;

- планетарное (дифференциальное) вращение электрошпинделя:

- поперечная подача (врезание) электрошпинделя.

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и промышленная автоматика» Самарского государственного технического университета в период обучения в аспирантуре с 2006 по 2009 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку новой системы управления динамической разгрузки ШБ, можно сформулировать следующие выводы:

1. Проведен анализ существующих устройств разгрузки подачи шпиндельной бабки.

2. Разработана математическая модель системы автоматического управления динамической разгрузкой как объекта управления для САУ перемещением ШБ.

3. На основании теории СПР и теории инвариантных САУ синтезирована система автоматического управления процессом динамической разгрузки, согласованная с САУ приводом подачи ШБ и обеспечивающая требуемые показатели качества управления.

4. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 2440СФ4, которые показали возможность реализации новой технологической операции - шлифования.

5. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом динамической разгрузки.

6. Показана эффективность многооперационного станка - повышение точности на 10% и производительности на 60%.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Математическая модель и компьютерное моделирование перемещения шпиндельного узла координатно-расточного станка на вертикальных направляющих // СТИН. -2008. -№11. - С. 13-17.

2. Система автоматического управления подачей шпиндельного узла многооперационного прецизионного станка // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2008. - №2 (22). - С. 158-164.

3. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления электромеханической разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // 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. - С. 124-125.

4. Структурный синтез и компьютерное моделирование системы автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла координатно-расточного станка // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23-25 мая. Ч.П. - Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 21-23.

5. Система автоматического управления электроприводом динамической разгрузки шпиндельного узла одностоечного координатно-расточ-ного станка. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник Национального технического ун-та «Харьковский политехнический институт». - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2008. - №30. - 646 с.

6. Система автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре: Материалы 63-й Всероссийской науч.-техн. конф. - Самара: СГАСУ, 2006.

7. Реновация прецизионных станков - научно-техническое направление в развитии станкостроения. В сб.: 24-я Межвузовская научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательской работы студентов в 2004 году, посвященная 75-летию СГАСУ.

8. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовалыюм станке // Компьютерная интеграция производства и ИПИ (CALS) технологии: Сб. статей всероссийской науч.-практ. конф. - Оренбург: ИПК ОГУ, 2005. -С. 174-179.

9. Анализ информационной системы контроля за процессами шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС) // Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды: Тез. докл. 23-й студ. науч.-техн. конф. по итогам науч.-иссл. работ студентов за 2003 г. - Самара: СГАСУ, 2004. - С. 136-137.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 10 от 11 ноября 2009 г.)

Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано на ризографе. ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной полиграфии 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Введение.

1. Состояние проблемы автоматизации многооперационных координатно-расточных станков. Цель и задачи исследования.

1.1. Актуальность проблемы расширения технологических возможностей координатно-расточных станков.

1.2. Основные возмущающие воздействия, влияющие на точность станка.

1.2.1. Упругие деформации несущих систем станка.

1.2.2. Деформации в стыках подвижных соединений.

1.2.3. Тепловые деформации.

1.2.4. Трение в направляющих.

1.2.5. Схема формирования погрешности в положении инструмент — деталь от действия помех.

1.3. Постановка задачи исследования.

2. Идентификация процесса перемещения ШБ на вертикальных направляющих.:.

2.1. Математическая модель движения ШБ с устройством статической разгрузки как объект системы автоматического управления.

2.2. Компьютерное моделирование объекта управления при статической разгрузке.

2.3. Математическая модель движения ШБ при динамической разгрузке.

2.4. Компьютерное моделирование перемещения ШБ при динамической разгрузке.

Выводы по главе.

3. Структурно-параметрический синтез САУ движением и позиционированием многооперационного координатно-расточного станка.

3.1. Структурный синтез САУ процессом движения на многооперационном координатно-расточном станке.

3.2. Параметрический синтез системы автоматического управления перемещением и позиционированием шпиндельной бабки.

3.2.1. Синтез регулятора тока системы подачи шпиндельной бабки.

3.2.2. Синтез регулятора скорости системы подачи шпиндельной бабки.

3.2.3. Синтез регулятора положения системы подачи шпиндельной бабки.

3.3. Моделирование системы автоматического управления процессом перемещения и позиционирования шпиндельной бабки при шлифовании.

3.4. Повышение динамической точности системы автоматического управления перемещением шпиндельной бабки, оснащенной системой динамической разгрузки.

3.5. Разработка компьютерной модели многооперационного координатно-расточного станка.

4. Экспериментальные исследования системы автоматического управления воспроизведением заданной траектории движения ШБ.

4.1. Экспериментальное определение звеньев передаточной функции электродвигателя перемещения ШБ.

4.2. Экспериментально-аналитическая оценка точности и производительности многооперационного КРС.

4.3. Реализация технологической операции шлифования на КРС.

Выводы по главе.

Сырьевая направленность промышленной политики России сделала ненужной большую часть производственных мощностей и привела к тому, что отрасли по производству средств производства, и в частности станкостроение, которое непосредственно не связано с добычей и продажей сырья, оказались до самого последнего дня невостребованными и неразвивающимися. Однако известно, что станкостроение - это подотрасль машиностроения, которая является фондообразующей и определяющей уровень безопасности страны и её потенциальные возможности. В 2008 году объем продукции в машиностроении составил всего 2,8% в год [1].

С 2005 года после принятия государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения» наметился рост производства и потребления металлообрабатывающего оборудования. Оживилась научная деятельность в области разработки и исследования современных систем управления, внедрения новых алгоритмов управления, идет активная автоматизация процессов производства и замена неэффективного оборудования новым. Растет спрос на высокопроизводительное оборудование, оснащенное системами ЧПУ при высоком контроле точности и качестве изготовления продукции [2].

В современном станкостроении все шире внедряются последние достижения в области автоматизации технологических операций и технологических процессов, прогрессивные решения в области конструирования шпинделей, приводов, цифровых систем управления, а также такие подходы, как модульность и гибкие производственные системы.

Сегодняшние требования к качеству изготовления и обработки деталей для последующих технологических операций непрерывно возрастают, поле допусков к 1990 году составляло 5 мкм и к настоящему времени стремительно приблизилось к величине 1-3 мкм. Следует отметить значительные успехи в производстве инструмента, что позволяет принципиально достичь высоких скоростей обработки. Например, на станках японской фирмы Mazak Optonis скорость при торцевом фрезеровании составляет 1500м/мин., при рассверливании скорость подачи — 60 м/мин. Шпиндели фирм Sip и Aciera имеют частоту вращения 35000-40000 об/мин, что позволяет высококачественно обрабатывать закаленные стали.

Мировая тенденция в станкостроении нацелена на понижение стоимости металлорежущих станков, при повышении их точностных характеристик и производительности, что в свою очередь определило приоритет в разработке многооперационных станков [1]. Это в полной мере относится и к координатно-расточным станкам (КРС). Принципиальным моментом совершенства КРС является обеспечение их многооперационности, т.е. наряду с лезвийной обработкой существует возможность реализовать обработку и другим способом, например, шлифованием.

Это, прежде всего, касается станков, способных обеспечить шлифование, соответствующее заявленной точности станка. Сюда в первую очередь входят станки с высокими жёсткостными свойствами шпиндельных узлов. К таким станкам относятся одностоечные КРС с беспинольным шпинделем. Характерным примером КРС с беспинольным шпинделем является 2440СФ4, поэтому при расширении возможностей станка за счёт реализации на нём операции шлифования необходимо разработать систему осцилляции тяжелой шпиндельной бабки (ШБ). Существующая система управления движением ШБ в условиях её осцилляции приводит к существенным деформациям несущих систем станка, снижению точности воспроизведения заданного периодического закона движения и преждевременному износу станка.

Такая задача по расширению технологических возможностей КРС за счёт введения системы автоматического управления движением ШБ при гармоническом сигнале задания в широком диапазоне частот ставится в России впервые и является крайне актуальной.

В настоящей работе исследуется возможность создания многооперационного станка при осцилляции ТТТБ в условиях её автоматической разгрузки. В диссертации рассматривается вопрос идентификации процесса перемещения ТТТБ на вертикальных направляющих с противовесом, дается оценка динамических показателей качества управления и ставится научно-техническая задача по разработке динамической разгрузки ШБ.

Имея целостную математическую модель объекта управления и систему автоматического управления (САУ) процессом движения ТТТБ на вертикальных направляющих, создаётся основа для синтеза взаимосвязных контуров САУ процессом движения и САУ динамической разгрузкой ШБ, обеспечивающих заявленные показатели качества обработки детали. Исследования проводились на базе серийно выпускаемого станка модели 2440СФ4.

Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения», а также программы Министерства Образования Российской Федерации «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки, контроля».

Предметом исследования данной работы является движение, позиционирование ТТТБ на вертикальных направляющих. Объектом исследования является процесс динамической разгрузки ТТТБ при гармоническом задающем сигнале с переменной частотой в заданном диапазоне.

Цель настоящей работы заключается в разработке САУ движением и позиционированием шпиндельной бабки при её динамической разгрузке, расширяющей технологические возможности станка, повышающей его производительность и обеспечивающей заявленные показатели качества по обработке детали.

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

1. Исследовать помехи, влияющие на точность воспроизведения заданного движения ТТТБ.

2. Провести аналитическую идентификацию движения ШБ при разгрузке с помощью противовеса и разработать её структурную схему.

3. Разработать компьютерную модель САУ движением шпиндельной бабки в режиме осцилляции с противовесом, проанализировать усилия, возникающие в узлах станка, и точность воспроизведения заданной траектории.

4. Синтезировать САУ динамической разгрузкой ШБ, обеспечивающей заявленную точность в воспроизведении движения.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать опытно-промышленную САУ многооперационного КРС.

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны математическая и компьютерная модели электромеханической системы динамической разгрузки шпиндельной бабки координатно-расточного станка.

2. Проведена идентификация процесса перемещения шпиндельной бабки на вертикальных направляющих как объекта системы автоматического управления, отличающейся от известных учетом контура её динамической разгрузки.

3. Синтезирована структура системы автоматического управления движением шпиндельной бабки многооперационного координатно-расточного станка, отличающейся от известных учетом взаимовлияния контура движения и позиционирования шпиндельной бабки и контура управления её динамической разгрузки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета взаимосвязанных САУ движением и позиционированием шпиндельной бабки и её динамической разгрузки, обеспечивающих точность воспроизведения движения ШБ на вертикальных направляющих многооперационного координатно-расточного станка, что позволяет на этапе проектирования создавать современные САУ прецизионными металлорежущими станками. (Акт использования в практике инженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».)

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

- на станке 2440СФ4, выпускаемом ЗАО «Стан-Самара»; в технические проекты САУ разгрузкой для КРС класса точности С.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии» (г. Оренбург, 2005) [30], «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (г.Тольятти, 2006) [31], «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2007) [32], «Проблемы автоматизированного электропривода» г. Харьков, 2008) [33], «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии» (г. Оренбург, 2009) [62].

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 из них - в журналах, рекомендованных ВАК РФ (журнал СТИН №11-2008 и сборник серии «Технические науки», СамГТУ №2(22) — 2008), 7 публикаций - в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

На защиту выносятся основные научные положения:

1. Математическая модель процесса перемещения шпиндельной бабки на вертикальных направляющих при её динамической разгрузке.

2. Алгоритм управления и синтез системы автоматического управления перемещением шпиндельной бабки многооперационного станка высокой точности, обеспечивающий высокую производительность как при лезвийной обработке, так и при шлифовании.

3. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления движением ШБ, оснащенной системой динамической разгрузки.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 113 страницах, диссертация содержит: 53 рисунка, 2 таблицы, 1 приложение, библиографический список на 6 страницах.

Выводы по главе

1. Экспериментально подтверждены передаточные функции исполнительного электродвигателя, ОУ при статической и динамической разгрузке.

2. Экспериментально подтверждена эффективность динамической разгрузки, обеспечивающая точность воспроизведения заданного закона движения.

3. Экспериментально подтверждена реализация технологического процесса шлифования на координатно-расточном станке.

4. Результаты эксперимента позволяют утверждать о возможности создания системы управления, обеспечивающего работу координатно-расточного станка как многооперационного.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку новой системы управления динамической разгрузкой ШБ, можно сформулировать следующие выводы:

1. Проведен анализ существующих устройств разгрузки подачи шпиндельной бабки.

2. Разработана математическая модель системы автоматического управления динамической разгрузкой как объекта управления для САУ перемещением ШБ.

3. На основании теории СПР и теории инвариантных САУ синтезирована система автоматического управления процессом динамической разгрузки, согласованная с САУ приводом подачи ШБ и обеспечивающая требуемые показатели качества управления.

4. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 2440СФ4, которые показали возможность реализации новой технологической операции - шлифования.

5. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом динамической разгрузки.

6. Показана эффективность многооперационного станка - повышение точности на 10% и производительности на 60%.

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

1. Математическая модель и компьютерное моделирование перемещения шпиндельного узла координатно-расточного станка на вертикальных направляющих // СТИН. - 2008. - №11. - С. 13-17.

2. Система автоматического управления подачей шпиндельного узла многооперационного прецизионного станка // Вестник Самар. гос. техн. унта. Сер. «Технические науки». - 2008. - №2 (22). - С. 158-164.

Другие работы:

1. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления электромеханической разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // 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. - С. 124-125.

2. Структурный синтез и компьютерное моделирование системы автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла координатно-расточного станка // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23-25 мая. 4.II. - Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 21-23.

3. Система автоматического управления электроприводом динамической разгрузки шпиндельного узла одностоечного координатно-расточ-ного станка. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник науч.-техн. ун-та «Харьковский политехнический институт». -Харьков: НТУ «ХПИ». - 2008. - №30. - 646 с.

4. Система автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре: Материалы 63-й Всероссийской науч.-техн. конф. - Самара: СГАСУ, 2006.

5. Реновация прецизионных станков - научно-техническое направление в развитии станкостроения. В сб.: 24-я Межвузовская научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательской работы студентов в 2004 году, посвященная 75-летию СГАСУ. N

6. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке // Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (CALS) технологии: Сб. статей всероссийской науч.-практ. конф. - Оренбург: ИПК ОГУ, 2005. — С. 174-179.

7. Анализ информационной системы контроля за процессами шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС) // Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды: Тез. докл. 23-й студ. науч.-техн. конф. по итогам науч.-иссл. работ студентов за 2003 г. - Самара: СГАСУ, 2004. - С. 136-137.

1. ИТО (Инструмент. Технология. Оборудование.) 2008.03, С.10-36

2. Возвращательный момент // Вестник СНК «Стратегия и конкурентоспособность». — 2007. №6 18. - С. 38-40.

3. Возвращательный момент // Вестник СНК «Стратегия и конкурентоспособность». 2008. — №9 18.

4. Вейц B.JI., Кочура А.Е., Царев Г.В. Расчет механических систем приводов с зазорами. М.: Машиностроение, 1979. — 183 с.

5. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих танков. М.: Машиностроение, 1997. -390 с.

6. Абакумов A.M., Курган В.П., Михелькевич В.Н. Идентификация технологических процессов механической обработки на металлорежущих станках: Учебное пособие. Самара: Самар. политехи, ин-т, 1991. — 118 с.

7. Базаров Б.М. Технологические основы проектирования самонастраивающихся станков. -М.: Машиностроение, 1978. 216 с.

8. Бржовский Б.М. Управление технологической надежностью модулей ГПС. Саратов: Изд-во СГУ, 1989 - 108 с.

9. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. -М.: Машиностроение, 1975. 223 с.

10. Дьяконов В., Круглов В. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 448 е.: ил.

11. Решетов Д.Н., Портман В.Г. Точность металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, 1986. 336 с.

12. Рыжов Э.В. Контактная жесткость машин. — М.: Машиностроение, 1966.- 193 с.

13. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. — 208 с.

14. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. —359 с.

15. Равва Ж.С. Новое в повышение точности станков. — Куйбышев: Куйбыш. кн. изд-во, 1974. — 335 с.

16. Митрофанов В.Г., Соломенцев Ю.М., Протопович С.П. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. — М.: Машиностроение, 1979.- 536с.

17. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Прохоров Н.Ф. и др. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1985. 218 с.

18. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. В 2 кн. -М.: Машиностроение, 1982. Кн. 1. Технология машиностроения, 1982 - 203 е.; кн. 2. Основы технологии машиностроения, 1982. — 367 с.

19. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М.: Наука, 1987. - 320 с.

20. Михайлов О.П., Цейтлин JI.H. Измерительные устройства в системах адаптивного управления станками. — М.: Машиностроение, 1977. -152 с.

21. Блейз Е.С., Семенов Ю.Н., Чемоданов Б.К., Якименко Н.М. Динамика электромашинных следящих систем. — М.: Изд-во «Энергия», 1967.-408 с.

22. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов / Под ред. В.Э. Пуша. М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

23. Галицков С.Я. Динамика электромеханических исполнительных систем прецизионных станков и роботов: Учебное пособие. — Куйбышев: Куйбыш. политехи, ин-т, 1989. 108 с.

24. Петров Б.А. Манипуляторы. JL: Машиностроение, 1984. - 238 с.

25. Жесткость металлорежущих станков: Сб. статей / Под ред. В.А. Скраган. -M.-JI.: Машингиз, 1952. 52 с.л

26. Вейц BJL, Чиряев В.И. Некоторые вопросы расчета механизмов подачи тяжелых металлорежущих станков на плавность и чувствительность перемещений. М.: ЦБТИ, ЭНИМС, 1958. - 87 с.

27. Тарзиманов Г.А. Проектирование металлорежущих станков М.: Машиностроение, 1980. - 288 с.

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

29. Галицков С.Я. Динамика электромеханических исполнительных систем прецизионных станков и роботов: Учебное пособие. — Куйбышев, 1989.- 108 с.

30. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. — М.: Машиностроение, 1978. — 184 с.

31. Бурдаков С.Ф. и др. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высшая школа, 1986.-234 с.

32. Медведев B.C. и др. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978. - 356 с.

33. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. — Л.: Наука, 1970.- 187 с.

34. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел: Пер. с англ. // Под ред. И.В. Крагельского. М.: Машиностроение, 1968. - 543 с.

35. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения: Справочное пособие. -М.: Машгиз, 1962, 220 с.

36. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. -М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

37. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. -М.: Физматгиз, 1960. 328 с.

38. Ляпидус А.С. Износ направляющих. Детали и механизмы металлорежущих станков. Т.1. - М.: Машиностроение, 1972.

39. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. М: Машиностроение, 1974. — 320 с.

40. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

41. Технический паспорт на станок 2440СФ4. Самара: ЗАО «Стан-Самара», 2006.

42. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов / Под ред. В.Э. Пуша. М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

43. Решетов Д.Н Детали и механизмы металлорежущих станков. — Т.1. — М.: Машиностроение, 1972. — 664 с.

44. Козлов В.В. и др. Динамика управления роботами. М.: Наука, 1984. — 336 с.

45. Станок сверлильно-фрезерно-расточной координатный. 24К40АФ4-01. Расчеты по рабочему проекту. 24К40АФ4-01.00.00.000.РР.

46. Стратегия развития станкоинструментальной промышлен-ности России до 2015 г. Москва, 2006. Разработчик Государственное учреждение высшего профессионального образования МГТУ «Станкин».

47. Пономарев С.Д. Расчеты на прочность в машиностроении. Т.1. -М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностр. лит-ры, 1956. - 884 с.

48. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1998. — 704 с.

49. А.с. 482254 СССР, М. Кл. В 23Ь 47/26. Устройство для уравновешивания подвижного органа / Н.Ф. Спицин, В.Н. Филиппов // БИ 1975, №32.

50. Кашепава М.Я. Современные координатно-расточные станки. М.: Машгиз, 1961.-280 с.

51. Лысов В.Е. Основы синтеза систем адаптивного обеспечения точности несущих элементов прецизионных станков: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара: СамПИ, 1991.57. http://www.elmach.ru/MBH dvig.htm58. http://www.stankoinstrument.ru/

52. Паспорт на преобразователи угловых перемещений СКБ ИС. СПб., 2009.

53. Макаров А.Г. Системы прямого цифрового управления движением исполнительных механизмов на вертикальных направляющих: Автореф. дис. канд. техн. наук. Самара: СамГТУ, 1996.

54. Прецизионное шлифование. Станки Moore. 2009. http://www.mooretool.com/pdf7F 1603.pdf

55. Захаров С.И., Лысов В.Е. Компьютерная модель движения шпиндельной бабки координатно-расточного станка при её динамической разгрузке // Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии: 4-я Всерос. науч.-практ. конф. Оренбург: ИПК ОГУ, 2009.

56. Башарин А.В., Голубев Ф.Н., Кепперман В.Г. Примеры расчетов и автоматизированного электропривода JL, "Энергия", 1972. 440 е., с ил.

57. Система автоматического управления динамической разгрузкой

58. Научный руководитель Гл.конструктор1. ЗАО «Стан-Самара»шпиндельного узла многооперационногокоординатно-расточного станка»