автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Системы контурно-позиционного управления редукторными электроприводами многоцелевых металлорежущих станков

ÜÜ344S894

На правах рукописи

ИВАНКОВ Вадим Алексеевич

СИСТЕМЫ КОНТУРНО-ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕДУКТОРНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2008

1 6 О ИТ 2008

003448894

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (ИГЭУ).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Тарарыкин Сергей Вячеславович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Чернов Евгений Александрович кандидат технических наук, доцент Лебедев Сергей Константинович

Ведущая организация

ОАО «НИИ Электропривод», г. Иваново

Зашита состоится «31» октября 2008 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.02 при ИГЭУ по адресу: г.Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корп. Б, ауд. Б-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ, автореферат размещен на сайте www.ispu.ru.

Автореферат разослан «30» сентября 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета____[_В.В. Тютиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Устойчивой тенденцией развития современной станкостроительной промышленности является возрастание требований к точности и динамическим характеристикам металлорежущих станков (МС). При этом наиболее сложные технологические задачи реализуются на многоцелевых станках и обрабатывающих центрах (ОЦ).

Особенностью таких станков является использование дополнительных механизмов координатных осей (МКО) подач, значительно расширяющих возможности обработки деталей. В конструкции МКО во многих случаях применяются редукторные передачи для обеспечения наибольшего момента резания. Наиболее характерным примером редукторных механизмов подачи станков являются координатные оси поворотного перемещения рабочих органов (поворотные оси), к числу которых относятся позиционируемые шпиндели, поворотные столы и т.п.

Использование редукторных устройств характеризуется наличием зазоров и, при определенных условиях, упругих звеньев в механической передаче, которые существенно усложняют регулирование координат электропривода (ЭП).

Известные подходы к устранению негативного влияния зазоров передач и известные способы электромеханической выборки зазора обладают существенными недостатками, вследствие чего не удается достичь высоких динамических и точностных характеристик управления движением рабочих органов механизмов поворотных осей.

Перечисленные факторы обуславливают необходимость улучшения показателей качества управления движением МКО станков, которое может быть достигнуто при использовании методов синтеза систем с упругими связями на базе принципов модального управления по полному вектору состояния объекта.

Структурное построение и программно-аппаратная реализация существующих систем ЧПУ в значительной степени ограничивают возможности комплексного управления электрооборудованием МС и не всегда позволяют достичь требуемой точности позиционирования и отработки контурных перемещений механизмов поворотных координатных осей.

Целью работы является разработка и исследование цифровой системы контурно-позиционного управления редукторными электроприводами многоцелевых металлорежущих станков, обеспечивающей высокоточное управление движением рабочих органов координатных осей в условиях зазоров и упругих передач кинематических цепей.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1) анализ проблемы управления движением механизмов поворотных осей многоцелевых металлорежущих станков и определение требований, предъявляемых к системам управления электрооборудованием (СУЭО) МС;

2) исследование возможностей системы подчиненного регулирования по обеспечению максимальной точности контурно-позиционного управления электроприводом подачи поворотной оси МС с жесткими звеньями и зазорами в механической передаче;

3) разработка эффективных способов управления многодвигательными электроприводами с упругими связями и зазорами в кинематической схеме;

4) определение принципов рационального построения и разработка аппаратно-программных средств СУЭО МС на основе анализа оборудования и требований к системам ЧПУ и электроприводам подач.

5) экспериментальное исследование динамических и нагрузочных характеристик системы электромеханической выборки зазора и промышленное применение СУЭО МС.

Связь с целевыми программами. Работа выполнялась в соответствии:

-с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008 гг.), подраздел № 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» в рамках темы «Разработка теории робастного модального управления для решения задач автоматизации технологических объектов»;

- с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» (2007-2012 гг.), мероприятие № 1.6. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения» в рамках темы «Формирование заданных свойств электромехатронных модулей и систем на основе конечно-элементного компьютерного моделирования и синергетического управления в реальном времени».

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории пространства состояний и модального управления, матричное и операционное исчисление, аппарат передаточных функций и структурных схем, методы объектно-ориентированного программирования. Исследование синтезируемых систем выполнялось методами имитационного моделирования и натурных экспериментов на лабораторном и производственном оборудовании.

Научная новизна работы определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению проблемы управления редукторными электроприводами многоцелевых МС и заключается в следующем:

1) предложена методика настройки системы каскадного регулирования координатами электроприводов применительно к исполнительным органам металлорежущих станков, отличающаяся двухкритериальным подходом с использованием ступенчатого и плавно изменяющегося задающих сигналов

с целью достижения высокой точности и быстродействия контурно-позиционных перемещений.

2) разработаны эффективные способы модального и комбинированного управления координатами состояния взаимосвязанных электроприводов с зазорами и упругими звеньями в кинематических цепях, обеспечивающие повышение надежности и точности отработки контурно-позиционных перемещений ИО за счет высокодинамичного формирования тормозного момента распора и упреждающей компенсации зазоров механических передач;

3) предложены структурные решения и методы синтеза систем электромеханической выборки зазора, реализующие разработанные способы управления взаимосвязанными электроприводами, позволяющие обеспечить астатическое управление моментом распора, вести независимую настройку электроприводов, варьировать энергетические характеристики каналов;

4) предложены принципы рационального построения систем управления электрооборудованием металлорежущих станков, характеризующиеся использованием принципа открытой архитектуры СУЭО МС и применением контроллера движения для эффективного распределения и решения задач ЧПУ, логического контроля и управления ЭП на единой программно-аппаратной базе.

Практическую ценность имеют следующие результаты работы:

1) математические модели систем электромеханической выборки зазора с жесткими и упругими связями в кинематической схеме;

2) экспериментальный стенд и программно-аппаратные средства САУ для исследования многодвигательных систем с зазорами и упругими связями в кинематической схеме;

3) методика практической настройки электроприводов подачи металлорежущих станков;

4) аппаратная реализация и программное обеспечение цифровой СУЭО МС с использованием контроллера движения и промышленного компьютера для станков токарной, фрезерной, координатно-сверлилыюй и коор-динатно-расточной групп.

Практическое использование результатов работы. За период 2003-2008 гг. разработанные методы и средства цифровой системы управления электрооборудованием металлорежущих станков внедрены на следующих предприятиях Российской Федерации: ОАО «Импульс» (г. Иваново), ОАО «Каменский стеклотарный завод» (г. Каменск-Шахтинский, Ростовская обл.), ООО «Флакс», ОАО «Орелтекмаш» (г. Орел), ОАО «Свет» (г. Можга, респ. Удмуртия), ОАО «Великодворский стеклотарный завод» (п. Великодворье, Владимирская обл.), ООО «Офис-лайн», ФГУП «Крас-маш», Красноярский машиностроительный техникум (г. Красноярск), ОАО «Вати-Авто» (г. Волжский, Волгоградская обл.), ЗАО «Череповецкий завод металлических конструкций» (г. Череповец, Вологодская обл.).

Разработанной СУЭО МС оснащены станки следующих моделей: 16А20ФЗ (токарный патронно-центровой), 6Р13ФЭ, 6Т13ФЭ (фрезерные консольные вертикальные), МА655А8 (фрезерный вертикальный специализированный), ОСЮООФ4, 2550ПМФ4 (координатно-сверлильные специальные консольные); 2Е450АМФ4 (координатно-расточной вертикальный).

Использование в учебном процессе. Результаты работы послужили основой для учебно-методической разработки на кафедре «Электроники и микропроцессорных систем» Ивановского государственного энергетического университета им. В.И. Ленина по курсам «Электромеханотроника» и «Электротехнические промышленные установки». Созданные программные средства используются студентами ИГЭУ в лабораторных практикумах, курсовом и дипломном проектировании по специальности 210106 «Промышленная электроника».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» Х1-Х1У Бенардосовские чтения (Иваново 2003, 2005, 2007 гг.), II Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Домбай 2007 г.), V международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007» (Санкт-Петербург 2007 г.).

Получены диплом участника II Ивановского инновационного салона «Инновации-2005», грамота лауреата конкурса молодых ученых II Ивановского инновационного салона «Инновации-2005», золотая медаль VI Московского международного салона «Инновации и инвестиции 2006», золотая медаль 55-го Всемирного салона инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель - Эврика 2006».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень научных изданий, рекомендуемых ВАК министерства образования РФ; получен патент № 2316886 на изобретение 3 способов управления взаимосвязанными электроприводами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 102 наименования, и 19 приложений. Работа изложена на 148 листах машинописного текста, содержит 98 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, показаны ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе выполнен анализ основных задач и функциональных особенностей систем управления электрооборудованием металлорежущих

станков, а также рассмотрена проблема управления движением поворотных механизмов координатных осей подач многоцелевых МС и ОЦ.

На основе проведенных расчетов режимов резания показано, что, в общем случае, типовые механизмы позиционируемых шпинделей с зубчато-ременной и шестеренчатой передачами представляются звеньями высокой жесткости (с> ЮОООН/м), а кинематические цепи поворотных столов, вследствие высоких совокупных коэффициентов редукции, являются упругими звеньями (с < 10 Н/м). Установлено, что зазоры и упругие звенья редук-торных механизмов в кинематических передачах поворотных осей существенно усложняют регулирование координат электропривода.

Обзор существующих способов устранения негативного влияния люфтов в кинематических схемах поворотных осей показал, что они обладают существенными недостатками и ограничивают возможности металлообработки. Так, при использовании беззазорных редукторов требуется регулярная перенастройка кинематической цепи в связи с износом механической передачи; устройства электромагнитной фиксации рабочих органов приводят к потере полноценной координатной оси подачи вследствие одностороннего позиционирования исполнительного органа (ИО); применение безредуктор-ных высокомоментных механизмов «прямого привода» характеризуется высокими требования по охлаждению, качеству исполнения и техническому обслуживанию конструктивных элементов, что приводит к значительному снижению надежности механизма подачи.

Анализ известных способов электромеханической выборки зазора, построенных на основе принципа подчиненного регулирования координат электропривода, показал, что они приводят к повышенному износу передач и ухудшению качества управления движением рабочего органа при снижении жесткости кинематической цепи.

Разработана методика синтеза одноканапьной системы управления позиционным движением поворотной оси с жесткими звеньями в передаче по принципу подчиненного регулирования координат. Объектом управления САУ является электропривод переменного тока с асинхронным двигателем (АД) при условии линеаризации рабочего участка его механической характеристики. В качестве исполнительного органа системы рассмотрена кинематическая схема поворотной оси шпинделя токарного МС, конструкция которой предполагает зубчатую и ременную передачи (рис. 1).

Согласно методике, для получения максимального быстродействия и высокой точности отработки углового движения объект управления целесообразно представить в виде двумассовой электромеханической системы (ЭМС), а систему позиционного управления - в виде соответствующей трехкратно интегрирующей САУ с ПИ2И регулятором скорости. Показано, что наличие двух форсирующих звеньев в структуре регулятора скорости является необходимым условием получения устойчивого переходного процесса.

-[

•I

Шпиндс 7ьиая коробка

X

~—1—— Шестерни Перемеще нне /

X

X-----

13

АД

Рис 1 Кинематическая схема шпиндельной коробки МС

С учетом специфики требований к характеристикам станочного следящего электропривода регулятор дополнен звеньями форсирования скорости КУС и ускорения Куу (рис. 2). Анализ динамических показателей системы ведется по скачкообразному задающему сигналу (рис. 3, а), а исследование точностных характеристик - на основе анализа ошибки рассогласования ме-вду плавным задающим сигналом траектории углового движения и фактическим поворотом ИО (рис. 3, б).

змс

Рис 2 Схема позиционного управления положением общей массы ДМ - датчик момента, СП - силовой преобразователь, Р - модуль жесткости линеаризированной механической характеристики, о)|, - частоты вращения АД и ИО, фз - заданное угловое положение ИО, <|>1, (¡> - фактические угловые положения АД и ИО, Си - коэффициент жесткости кинематической передачи, .Л, Л - моменты инерции АД и ИО, То - электромагнитная постоянная времени АД, 11вх- входное напряжение СП

(р, рад

а) реакция на ступенчатый сигнал б) реакция на плавный сигнал

Ту = 30 мс £ = 0.01%

Рис. 3. Результаты анализа динамических и точностных характеристик САУ при отработке позиционного движения, ф - угловое положение ИО, £ - ошибка слежения

Показано, что упругие свойства и зазоры кинематической схемы механизма поворотной оси накладывают ограничения на использование каскадного принципа регулирования координатами состояния объекта.

На базе механических параметров поворотного стола ОЦ (рис. 4) рассмотрена процедура синтеза одноканальной САУ ЭП поворотной оси с упругими связями в кинематических передачах, построенной на принципах модального управления по полному вектору координат состояния. Настройка системы ведется на апериодический характер переходного процесса с желаемым распределением полюсов характеристического полинома по Ньютону.

5 6 7 8 9 в 12

I... 12 - зубчатые шестерни; ГЦ - гидроцилиндр; М - муфта; ПС - поворотный стол ШВП - шарико-винтовая передача; ЭД- электродвигатель

Ввиду значительного ухудшения качества переходных процессов в синтезированных системах при введении зазора в объект управления сделан вывод о недостаточных возможностях одноканапьных систем и необходимости совершенствования способов управления движением исполнительных органов многоцелевых металлорежущих станков с зазорами и упругими звеньями в механической передаче. Полученные значения параметров регуляторов одноканапьных систем положены в основу систем электромеханической выборки зазора.

Вторая глава посвящена вопросам формирования и исследования систем электромеханической выборки зазора в механизмах поворотных осей многоцелевых металлорежущих станков.

На основе анализа существующих вариантов исполнения электромеханических юрсионов (рис. 5) установлено, что при поддержании режима распора только при реверсе движения исполнительного органа (рис. 5, а, б) не обеспечивается необходимая степень надежности выборки зазора. С учетом высоких требований к точности управления движением механизмов поворотных осей МС, выбрана структура с поддержанием постоянного распора в статических и динамических режимах работы системы во всем диапазоне изменений момента нагрузки (рис. 5, в), возникающей при резании.

М,

кМ

■м,

м,

м

м„

а) б) в)

Рис 5 Варианты статических характеристик элеюромехапического торшона

Разработана двухканальная система выборки зазора для поворотных осей с жестким звеном в механической передаче, в которой для симметрии каналов используются электродвигатели одинаковой мощности. Необходимое качество управления движением достигается, благодаря синхронному и высокодинамичному формированию двигательного и тормозящего воздействий на электроприводы обоих каналов, соответственно, в контурах угла и момента, в зависимости от направления вращения исполнительного органа.

На этапе синтеза двухканальной системы электромеханической выборки зазора для ЭМС с упругими звеньями были раздельно сформированы контуры момента и угла по реакции системы на ступенчатое воздействие заданного момента распора М? и заданного углового позиционирования ИО ср} (рис. 6). В обоих случаях критерием настройки регуляторов является апериодический характер переходного процесса на основе заданного распределения полюсов характеристического полинома по Ньютону.

10

А/р

Рис 6 Одноканальная структура системы управления движением исполнительного органа поворотной оси по полному вектору координат состояния

Поскольку в предлагаемой структуре САУ регулятор угла использует информацию о тех же координатах состояния, что и регулятор момента, параметры РУ скорректированы с учетом идентичных переменных, участвующих в управлении моментом, по соответствующим разностям.

Для управления движением механизмов поворотных осей с упругими связями в кинематической схеме предложен способ выборки зазора с использованием взаимосвязанных ЭП, основанный на принципах модального управления с применением безынерционных обратных связей, связывающих переменные состояния со входом объекта регулирования. Рассмотрена реализация способа в двух вариантах: с раздельными регуляторами угла (РРУ) общей массы (рис. 7, а) и с общим суммирующим регулятором угла (ОСРУ) исполнительного органа (рис. 7, б) (патент №2316886).

Способ управления двухдвигательной системой выборки зазора с РРУ (рис. 7, а) обеспечивает высокодинамичное формирование тормозного момента распора и упреждающую компенсацию зазоров обеих кинематических передач благодаря более высокому темпу формирования управляющего воздействия по моменту тормозящего электропривода при условной неподвижности общей массы и идентичности параметров электроприводов. К преимуществам способа относится возможность однозначной и независимой настройки регуляторов каждого канала ЭП.

В способе управления электроприводами с ОСРУ (рис. 7, б) повышение точности и надежности управления движением общей массы обеспечивается при отличающихся параметрах электроприводов, а также при равных темпах формирования управляющих воздействий по моментам и углу.

Рис. 7. Схемы электромеханической выборки зазора {/р /,, ю, иМ, - напряжение, ток, угловая скорость электродвигателя и момент упругости кинематической передачи первого ЭП; IIу /2, а>2 и М, - то же, для второго ЭП; <р3, Мр, ш, <р и Мс - заданное значение угла, момент распора, действительные значения скорости, угла и момент нагрузки ОМ; Д - двигатель; ЗОМ -задатчик отрицательного момента; ЗПМ - задатчик положительного момента; ЗУ - задатчик угла; ОМ -общая масса; РМ - регулятор момента, РУ - регулятор угла; СП - силовой преобразователь.

Графики переходных процессов при идентичных электромеханических параметрах обоих каналов ЭП в системах с РРУ и ОСРУ совпадают (рис. 8), что подтверждает достижение заданных показателей качества управления в обоих случаях.

К недостаткам способов относятся недостижимость астатической стабилизации моментов распора при изменениях углового положения общей массы и высокий порядок регулятора угла.

Для устранения данных недостатков был разработан третий вариант способа управления взаимосвязанными электроприводами с упругими звеньями и зазорами в кинематических передачах (рис. 9) - с общим редуцированным регулятором угла (ОРРУ) (патент №2316886). Его отличие состоит в том, что необходимые качественные характеристики САУ перемещения ИО достигаются в случае использования ЭП, параметры которых идентичны или существенно различаются (рис. 10), обеспечивается существенное снижение порядка регулятора угла и астатическое регулирование моментами распора.

' / ! .

м. •/ -

..... . V /'

Рис. 8. Переходные процессы в системах с РРУ и с ОСРУ. Идентичные каналы.

Рис. 9. Система электромеханической выборки зазора с ОРРУ

13

Рис. 10. Переходные процессы в системе с ОРРУ

Повышение надежности работы электроприводов, а также точности и быстродействия управления движением общего рабочего органа при наличии упругих элементов и зазоров в кинематических передачах, достигается в каждом из трех способов при определенных условиях, которые должны быть проанализированы и учтены перед окончательным выбором оптимального решения.

Третья глава посвящена разработке и реализации аппаратных средств и программного обеспечения цифровой системы управления электрооборудованием металлорежущих станков.

Выполнен анализ современных требований к функционально-техническим возможностям металлорежущих станков, рассмотрены перспективы развития технологии металлообработки, приведены результаты анализа существующих систем ЧПУ, предложены принципы построения СУЭО МС.

Проведенный анализ показал, что к числу практических задач современного станкостроения, обеспечивающих повышение качества металлообработки, производительности и надежности металлорежущего оборудования, относятся использование высокоскоростной обработки, предполагающей увеличение частоты вращения шпинделей (до 40 ООО об/мин), скорости быстрого хода (свыше 100 м/мин), рабочих подач (до 60 м/мин) и ускорений (до 2.5 ё); снижение среднего времени смены инструментов (до 10 с); слияние токарной обработки с фрезерной и шлифовальной; совмещение черновых и финишных операций на одном станке. При этом особую актуальность приобретают возможности гибкого доступа к эксплуатационным параметрам системы при работе и обслуживании, а также интеграция системы в локальные сети предприятия и Интернет.

Выявлено, что существующие отечественные СУЭО МС не позволяют в полной мере реализовать предложенные структурные решения ввиду устаревших и неэффективных принципов их построения, к которым следует отнести традиционное разделение функций ЧПУ и ЭП, сложность организа-

ции внутреннего обмена информацией, аналоговое управление электроприводами, использование компьютерных процессоров в качестве вычислительного базиса расчета, работа под управлением операционной системы DOS. В то же время широкое применение зарубежных СУЭО МС характеризуется закрытостью их программно-аппаратной базы и высокой стоимостью оборудования.

Предложены общие принципы построения цифровой СУЭО МС с открытой архитектурой на основе применения контроллера движения (КД) в качестве базисного вычислительного устройства, решающего задачи ЧПУ, логического контроля и управления ЭП подач и главного движения. На верхнем уровне системы предлагается использовать промышленный компьютер, выполняющий терминальные функции и обеспечивающий программный доступ к диагностическим возможностям системы. Для обеспечения движения ИО координатных осей наиболее эффективно использовать прямое 1ИИМ-управление ключами «неинтеллектуальных» силовых модулей ЭП, алгоритмы коммутации которых реализованы в программном ядре КД.

Разработана структура аппаратных средств СУЭО МС (рис. 11) в соответствии с предложенными принципами построения, дана характеристика программному обеспечению системы.

Ручной ыаыипулчтар X ft-монитор идетнои ¡5-17' К тдиащра

Промышленный компьютер

Интерфейс ШС Пакеты ГАО/САМ Приложения АР!

ОС Windows ОС Linux ОС Unix

-Lit Г, » , I

PCI J Ethernet] US8\PC-10C\ VMC\ Высокоскоростной иифробой интерфейс управлений злектроприбодами \RS'422\

Лбухпсртобая помять DPR АН Сигнальный USP-npoueccDp Контроллер дбижения

Рис 11 Функциональная схема СУ'ЗО МС на бале контроллера движения АД - асинхронный двнггге.11,, ДПТ - двигатель постоянною тока, ЖК - жидкокристаллический, ОС - операционная система, СД - синхронный двига1ель, ШД - шаговый двигатель

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям системы электромеханической выборки зазора и промышленному применению системы управления электрооборудованием металлорежущих станков.

На базе предложенной СУЭО МС разработан экспериментальный стенд (рис. 12) для исследования системы электромеханической выборки зазора, позволяющий изменять жесткость кинематических связей, организовывать различные варианты построения многодвигательных ЭМС; регулировать и распределять нагрузку между электродвигателями при работе на ОМ.

Рис 12 Структурно-функциональная схема экспериментального стенда ДП - датчик положения, ПВВ - плата связи с входами-выходами, ППБС - плата преобразования и буферизации сигналов, ШРП - шкиво-ременная передача

Разработаны программные средства по управлению стендом в ручном и автоматическом режиме электромеханического торсиона, а также по организации обмена входными-выходными данными между функциональной клавиатурой, компонентами электроавтоматики и контроллером движения.

Проведена серия экспериментов по формированию и исследованию системы выборки зазора, содержащегося в зубчато-шестеренчатой передаче редуктора. Результаты исследований, оценивавшиеся по токовым характеристикам электроприводов двигательного и тормозящего каналов, подтвердили основные положения теоретических аспектов и имитационного моделирования САУ с жесткими кинематическими связями (рис. 13).

Предложена методика настройки регулятора ЭП подач на примере МКО токарного станка 16А20ФЗ по реакции на ступенчатое изменение сигнала задания (рис. 14, а) и по заданию движения с круговой интерполяцией

(рис. 14,6). В результате настройки удалось достигнуть высокой точности управления движением координатных осей X (до 2.5 мкм) и Ъ (до 5 мкм) при отработке перемещения с круговой интерполяцией при подаче 6 м/мин.

а) б)

Рис. 13. Исследования системы электромеханической выборки зазора на стенде: изменение токов 1-го и 2-го каналов при пуске и реверсе общей массы на 60 об/мин. I - отработка торсионной системой изменения момента сопротивления общей массы.

Ma4o.f1 Мо*. р|е( ЧмиП ЕмсШИ г 11 03 39

(р. имп

а) по ступенчатому воздействию (Ту = 18 мс) б) по плавному воздействию (е = 12...+ 12 имп) Рис. 14. Результаты итоговой настройки параметров модифицированного ПИД-регулятораугла

Широкие функционально-технические возможности предлагаемой СУЭО МС были продемонстрированы при реализации сложной технологической задачи по промышленному использованию токарной обработки «глухой» резьбы сложного профиля компонентов формооснастки стеклофор-мующих машин (рис. 15), разработанной по заказу ряда стекольных предприятий. В результате использования предложенной методики настройки электроприводов подач и разработки специализированных программных алгоритмов токарных циклов обработки венчиков горловых колец с 6-тисегментным резьбовым перемещением суппорта при максимальном значении скорости рабочей подачи до 8 м/мин были реализованы резкий вход и выход из витка с многократным (до 26 проходов) попаданием в одну и ту же

точку. Поставленная задача успешно решена, изготовленная деталь (рис. 16) была принята ОТК, программа внедрена в технологический цикл ряда предприятий, что позволило получить значительный экономический эффект.

Шаблон в33.1. Кольцо горловое. Тип 111-2. Резьба.

Рис. 16. Витковый разъем венчика горлового кольца, изготовленный по новой технологии

Приведены результаты промышленного использования разработанной СУЭО МС на станках токарной, фрезерной, координатно-сверлильной и координатно-расточной групп на предприятиях России (рис. 17).

а) б)

Рис. 17. Станки, оснащенные разработанной СУЭО МС: а-токарный патронно-центровой 16А20ФЗ; б-фрезерный консольный вертикальный бРПФЗ

в) Г)

Рис. 17. Станки, оснащенные разработанной СУЭО МС. в - координатно-сверлильный специальный консольный 2550ГТМФ4; г - координатно-расточной вертикальный 2Е450АМФ4

В приложениях приведены рекомендации по выбору контроллера движения, комплекс программ управления экспериментальным стендом в ручном и автоматических режимах, фрагменты программной реализации технологии обработки венчиков горловых колец, результаты испытания нагрузочной способности электроприводов, акты промышленного внедрения и оценки разработки СУЭО МС на инновационных салонах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате анализа основных задач СУЭО МС определен комплекс требований к современным системам управления. Выявлена проблема негативного влияния зазоров и упругих звеньев в кинематических передачах редукторных механизмов подач многоцелевых МС и ОЦ на качество управления движением электроприводов подач. Установлено, что существующие подходы к решению данной проблемы недостаточно эффективны, поскольку накладывают существенные ограничения на технологические возможности и условия эксплуатации металлорежущих станков.

2. Исследованы возможности одноканальных САУ позиционным движением механизмов поворотных осей с жесткими и упругими механическими передачами. Показано, что точность и быстродействие отработки движения НО данных систем ограничены и недостаточны для обеспечения требуемого качества управления контурно-позиционным перемещением поворотных механизмов подач МС вследствие раскрытия зазора кинематических передач в режимах удержания углового положения, что приводит к возникновению устойчивых автоколебаний выходной координаты угла.

3. Для механизмов с жесткой кинематической передачей разработана двухканальная система каскадного регулирования электромеханической выборки зазора (электромеханический торсион), при использовании которой достигается требуемое повышение точности позиционного движения пово-

ротных осей металлорежущих станков благодаря синхронному и высоко динамичному формированию двигательного и тормозящего воздействий на электроприводы обоих каналов.

4. Для механизмов с упругими связями предложены три способа построения систем электромеханической выборки зазора, реализованные на основе принципов модального управления с безынерционными обратными связями. Исследованы и показаны условия оптимального применения каждого из предложенных способов, позволяющих вести независимую настройку каналов управления ЭП, реализовать астатическое управление моментом распора, варьировать энергетические характеристики контуров момента и угла.

5. На основе предложенных способов управления разработаны структурные решения и методики синтеза регуляторов, позволяющие обеспечить высокодинамичное формирование тормозного момента распора и упреждающую компенсацию зазоров.

6. Предложены и обоснованы принципы построения цифровой СУЭО МС с открытой архитектурой, реализующей разработанные варианты построения систем электромеханической выборки зазора. В основу системы положен специализированный контроллер движения, решающий задачи ЧПУ, логического контроля и управления ЭП, с терминальным использованием промышленного компьютера.

7. В результате исследований, проведенных на разработанном экспериментальном стенде, подтверждены основные теоретические положения и результаты имитационного моделирования торсионной системы управления движением ИО МС.

8. Эффективность предложенных принципов и широкие функционально-технические возможности разработанной СУЭО МС продемонстрированы при решении сложных технологических задач, подтверждены результатами ее широкого промышленного применения и участия на инновационных салонах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. ИванковВ.А. Модальное управления взаимосвязанными электроприводами с упругими звеньями и зазорами в кинематических передачах / В.А. Иванков, C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков В.В., Е.В. Красильникъянц // Вестник ИГЭУ .-2006.-№5.-С. 14-19.

2. Красильникъянц Е.В. Применение контроллеров движения для систем управления электромеханическими объектами / Е.В. Красильникъянц, А.П. Бурков, В.А. Иванков // Мехатроника, автоматизация, управление. -2008,-№2.-С. 45-50.

3. Краснльникъянц E.B. Системы управления движением технологическими объектами / Е.В. Краснльникъянц, А.П. Бурков, В.А. Иванков, Г.А. Булдукян, В.В. Елышковский, A.A. Варков // Вестник ИГЭУ. - 2007. -№ 4. - 26-30.

н прочих нздашшх:

4. Булдукян Г.А. Математическая модель системы электромеханической выборки зазора / Г.А. Булдукян, В.А. Иванков // Материалы международной науч.-техн. конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XII Бенардосовские чтения). - Иваново: ИГЭУ, 2005. - С. 22.

5. Булдукян Г.А. Экспериментальный стенд для испытания электромеханических систем / Г.А. Булдукян, В.А. Иванков // Материалы международной науч.-техн. конференции «Состояние и перспективы развития энерго-технологни» (XIV Бенардосовские чтения). - Иваново: ИГЭУ, 2007. - С. 7.

6. Иванков В.А. Принципы рационального построения системы управления металлорежущего станка / В.А. Иванков, Е.В. Красильникьянц // Материалы международной науч.-техн. конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XII Бенардосовские чтения). - Иваново: ИГЭУ, 2005. -С. 5.

7. Иванков В А. Расширение функциональных возможностей токарного станка средствами следящего электропривода / В.А. Иванков, Е.В. Краснльникъянц // Материалы международной науч.-техн. конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XII Бенардосовские чтения). - Иваново: ИГЭУ, 2005. - С. 16.

8. Иванков В.А. Токарная обработка виткового разъема венчиков горловых колец / В.А. Иванков // Материалы международной науч.-техн. конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XIV Бенардосовские чтения). - Иваново: ИГЭУ, 2007. - С. 166.

9. Краснльникъянц Е.В. Металлорежущие станки с ЧПУ для стекольной промышленности / Е.В. Краснльникъянц, В.А. Иванков, Г.А. Булдукян // Стеклянная тара. - 2007. - №7. - С. 20-22.

10. Краснльникъянц Е.В. Принципы построения систем управления движением / Е.В. Краснльникъянц, А.П. Бурков, В.А. Иванков.// Материалы Второй Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. - С. 8081.

11. Тарарыкин C.B. Системы управления взаимосвязанными электроприводами с упругими звеньями и зазорами в кинематических передачах / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков, В.А. Иванков, Е.В. Краснльникъянц // Известия ТРТУ. - 2007. -№3. - С. 13-20.

12. Ширяева С.А.. Система управления с электромеханической выборкой зазора на основе регуляторов состояния / С.А, Ширяева, В.А. Иванков

// Материалы международной науч.-техн. конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XIV Бенардосовские чтения). - Иваново: ИГЭУ, 2007. - С. 9.

13. Патент №2316886 Российская Федерация, кл. H 02 Р 5/46, H 02 Р 5/69 / Тарарыкин C.B., Иванкоп В.Д., ТютиковВ.В., Красильникъ-янц Е.В.; заявитель и патентообладатель фед. Агентство по образ. ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». - №2006114515/09; заявл. 27.04.2006; опубл. 10.02.2008, Бюл. №4. - 15. с.

ИВАНКОВ Вадим Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ КОНТУРНО-ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕДУКТОРНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001 г Подписано в печать 24 09 2008 Формат 60x84 1/16 Печать плоская Уел печ л 1,39 Тираж 100 экз Заказ № 181 ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им В И Ленина» 153003, Иваново, ул Рабфаковская, 34

Отпечатано в РИО ИГЭУ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

МНОГОЦЕЛЕВЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ.

Вводные замечания.

1.1. Анализ функциональных особенностей систем управления электрооборудованием металлорежущих станков.

1.2. Определение кинематических параметров механизма поворотной оси многоцелевого металлорежущего станка и расчет режимов резания.

1.2.1. Расчет параметров кинематической цепи позиционируемого шпинделя.

1.2.2. Расчет параметров кинематической цепи поворотного стола.

1.3. Синтез системы управления электроприводом поворотной оси с жесткими связями в кинематической схеме.

1.4. Синтез системы управления электроприводом поворотной оси с упругими связями в кинематической схеме.

Выводы.

2. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫБОРКИ ЗАЗОРА В МЕХАНИЗМАХ ПОВОРОТНЫХ ОСЕЙ МНОГОЦЕЛЕВЫХ

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ.:.

Вводные замечания.

2.1. Система подчиненного регулирования координат состояния с жестким звеном в механической передаче.

2.2. Система с управлением по полному вектору координат состояния при упругом соединении в кинематической цепи.

2.3. Система с комбинированным способом модального и каскадного регулирования координат состояния при упругом соединении в кинематической цепи.

Выводы.

3. ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ.

Вводные замечания.

3.1. Перспективы развития и анализ архитектуры современных СУЭО МС.

3.2. Принципы рационального построения СУЭО МС.

3.3. Структура аппаратных средств и программного обеспечения СУЭО МС.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ.

Вводные замечания.

4.1. Разработка испытательного стенда и исследование много двигательной системы электромеханической выборки зазора.

4.2. Производственные испытания СУЭО МС на промышленных объектах.

4.2.1. Методика настройки электроприводов подач металлорежущего станка.

4.2.2. Оценка функционально-технических возможностей СУЭО МС при решении сложной технологической задачи металлообработки.

4.2.3. Результаты промышленного внедрения и оценки разработки

СУЭО МС.

Выводы.

К числу основных задач отечественной станкостроительной промышленности относится оснащение металлорежущих станков (МС) системой числового программного управления (ЧПУ), отвечающей современным требованиям и тенденциям развития металлообработки. В полном объеме эти требования могут быть реализованы при помощи многоцелевых станков и обрабатывающих центров (ОЦ), которые являются наиболее сложными и прогрессивными машинами станкостроения.

В станках данного типа важную роль играют дополнительные координатные оси контурно-позиционного перемещения рабочих органов, существенно расширяющие возможности металлообработки. В конструкции подобных механизмов во многих случаях недопустимо прямое муфтовое соединение исполнительного органа (ИО) с валом электродвигателя (ЭД), что обусловлено требованиями преодоления наибольшего момента сопротивления при резании, а также обеспечения заданных динамических и статических характеристик движения ИО с большим моментом инерции. Поэтому в кинематических схемах данных механических узлов ЭД в составе редукторного электропривода (ЭП) присоединяется к ИО через понижающую механическую передачу. Наиболее характерным примером редукторных механизмов подач являются координатные оси поворотного перемещения исполнительных органов МС, так называемые «поворотные оси», к числу которых относятся позиционируемые шпиндели, поворотные столы и т.п.

Следует отметить, что использование редукторных устройств характеризуется наличием зазоров и, при определенных условиях, упругих звеньев в механической передаче, которые существенно усложняют регулирование координат электропривода. Так, в контур управления движением шпинделя попадают звенья ременной передачи и зазоры шестеренчатого механизма, которые ухудшают динамические показатели и качественные характеристики при отработке позиционных перемещений. В свою очередь, на поворотных столах ОЦ используются червячные передачи [32], в которых также существует неком-пенсируемый зазор, причем контактная жесткость зубчатого соединения вследствие большой редукции оказывается настолько мала, что механическая передача становится упругим звеном. В таких случаях зазор и упругость передачи также существенно ограничивают качественные характеристики управления поворотной осью.

Анализ способов устранения негативного влияния люфтов механических передач при управлении движением ИО редукторных электроприводов координатных осей МС показал, что существующие подходы не достаточно эффективны [38]. В основном, они представлены механическими решениями с применением беззазорных редукторов и устройств электромагнитной фиксации ИО [32], а также вариантов исполнения механизмов поворотных осей при помощи «прямых приводов» [50], направленных на устранение ре-дукторной передачи с сохранением высоких характеристик нагрузочной способности. Данные способы характеризуются значительным снижением надежности работы механизма подачи и существенным ограничением возможностей металлообработки.

Известные способы устранения или уменьшения влияния зазора на работу системы редукторного электропривода подачи МС, работающие по принципу электромеханической выборки зазора [3 — 6, 10, 69, 72], приводят к повышенному износу передач, снижению надежности САУ ЭП и ухудшению качества управления движением рабочего органа. Кроме того, при снижении жесткостей кинематической цепи показатели качества и быстродействия САУ существенно ухудшаются из-за недостаточных возможностей управления ЭП со сложной механической частью по ограниченному количеству координат состояния на основе принципа подчиненного регулирования тока, скорости и угла.

Решение проблемы качественного управления движением упругих механизмов состоит в подавлении их резонансных частот средствами регуляторов, обладающих большим числом степеней свободы [20, 55]. Таким образом, при синтезе САУ упругих электромеханических систем (ЭМС) целесообразно использовать теорию пространства состояний, в соответствии с которой в системе электромеханической выборки зазора заданное качество переходных процессов формируется на основе применения регуляторов состояния с безынерционными обратными связями [13, 14, 65, 67, 68].

При практической реализации новых методов управления движением механизмов подач металлорежущих станков в рамках системы управления электрооборудованием (СУЭО) МС к данным системам предъявляются повышенные требования по быстродействию, точности и функциональным возможностям. Эта задача обуславливает необходимость комплексной разработки отечественной СУЭО МС, поскольку существующие УЧПУ в большинстве случаев не отвечают расширяющимся технологическим требованиям металлообработки ввиду применения устаревших и неэффективных принципов программно-аппаратной реализации системы ЧПУ, к которым относятся аналоговое управление электроприводами, программное и аппаратное разделение функций ЧПУ и ЭП, использование компьютерных процессоров в качестве вычислительного базиса расчета и реализации алгоритмов управления движением ЭП координатных осей, работа под управлением операционной системы DOS. В то же время применение зарубежных СУЭО МС, в которых реализованы более современные методы и средства управления электрооборудованием станков, характеризуется закрытостью программно-аппаратной базы, высокой стоимостью оборудования и ослаблением промышленно-экономической независимости отечественной станкостроительной отрасли.

Таким образом, структурное построение и программно-аппаратная реализация существующих систем ЧПУ в значительной степени ограничивают возможности комплексного управления электрооборудованием МС и не позволяют достичь требуемой точности позиционирования и отработки контурных перемещений механизмов поворотных координатных осей. Решение задачи создания и программно-аппаратной реализации высокоэффективной СУЭО МС обуславливает необходимость совершенствования подходов к программно-аппаратной реализации таких систем, что дает возможность повысить производительности и увеличить надежность работы оборудования.

Целью работы является разработка и исследование цифровой системы контурно-позиционного управления редукторными электроприводами многоцелевых металлорежущих станков, обеспечивающей высокоточное управление движением рабочих органов координатных осей в условиях зазоров и упругих передач кинематических цепей.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1) анализ проблемы управления движением механизмов поворотных осей многоцелевых металлорежущих станков и определение требований, предъявляемых к системам управления электрооборудованием МС;

2) исследование возможностей системы подчиненного регулирования по обеспечению максимальной точности контурно-позиционного управления электроприводом подачи поворотной оси МС с жесткими звеньями и зазорами в механической передаче;

3) разработка эффективных способов управления многодвигательными электроприводами с упругими связями и зазорами в кинематической схеме;

4) определение принципов рационального построения и разработка аппаратно-программных средств СУЭО МС на основе анализа оборудования и требований к системам ЧПУ и электроприводам подач.

5) экспериментальное исследование динамических и нагрузочных характеристик системы электромеханической выборки зазора и промышленное применение СУЭО МС.

Связь с целевыми программами. Работа выполнялась в соответствии:

-с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008 гг.), подраздел № 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» в рамках темы «Разработка теории робастного модального управления для решения задач автоматизации технологических объектов»;

- с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» (2007-2012 гг.), мероприятие № 1.6. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения» в рамках темы «Формирование заданных свойств электромехатронных модулей и систем на основе конечно-элементного компьютерного моделирования и синергетического управления в реальном времени».

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории пространства состояний и модального управления, матричное и операционное исчисление, аппарат передаточных функций и структурных схем, методы объектно-ориентированного программирования. Исследование синтезируемых систем выполнялось методами имитационного моделирования и натурных экспериментов на лабораторном и производственном оборудовании.

Научная новизна работы определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению проблемы управления редукторными электроприводами многоцелевых металлорежущих станков и заключается в следующем:

1) предложена методика настройки системы позиционного управления электроприводов подачи металлорежущих станков, обеспечивающая высокую точность и требуемое быстродействие контурно-позиционных перемещений рабочих органов, отличающаяся использованием плавного сигнала задающего воздействия по угловому перемещению для формирования упреждающего воздействия по скорости и ускорению рабочего органа и оценки точностных характеристик системы по ошибке рассогласования заданного и фактического углового положения;

2) разработаны эффективные способы модального и комбинированного управления координатами состояния взаимосвязанных электроприводов с зазорами и упругими звеньями в кинематических цепях, обеспечивающие повышение надежности и точности отработки контурно-позиционных перемещений ИО за счет высокодинамичного формирования тормозного момента распора и упреждающей компенсацией зазоров механических передач;

3) предложены структурные решения и методы синтеза, реализующие разработанные способы управления взаимосвязанными электроприводами, характеризующиеся динамическими характеристиками процессов формирования распора и отработки угловых задающих воздействий для исследования предложенных систем электромеханической выборки зазора с жесткими и упругими связями в кинематической схеме;

4) предложены принципы рационального построения систем управления электрооборудованием металлорежущих станков, характеризующиеся использованием принципа открытой архитектуры СУЭО МС и применением контроллера движения для решения задач ЧПУ, логического контроля и управления ЭП на единой программно-аппаратной базе.

Практическую ценность имеют следующие результаты работы:

1) математические модели систем электромеханической выборки зазора с жесткими и упругими связями в кинематической схеме;

2) экспериментальный стенд и программно-аппаратные средства САУ для исследования многодвигательных систем с зазорами и упругими связями в кинематической схеме;

3) методика практической настройки электроприводов подачи металлорежущих станков;

4) аппаратная реализация и программное обеспечение цифровой СУЭО МС с использованием контроллера движения и промышленного компьютера для станков токарной, фрезерной, координатно-сверлильной и координатно-расточной групп.

Практическое использование результатов работы. За период 2003-2008 гг. разработанные методы и средства цифровой системы управления электрооборудованием металлорежущих станков внедрены на следующих предприятиях Российской Федерации: ОАО «Импульс» (г. Иваново), ОАО «Каменский стеклотарный завод» (г. Каменск-Шахтинский, Ростовская обл.), ООО «Флакс», ОАО «Орелтекмаш» (г. Орел), ОАО «Свет» (г. Можга, респ. Удмуртия), ОАО «Великодворский стеклотарный завод» (п. Великодворье, Владимирская обл.), ООО «Офис-лайн», ФГУП «Красмаш», Красноярский машиностроительный техникум (г. Красноярск), ОАО «Вати-Авто» (г. Волжский, Волгоградская обл.), ЗАО «Череповецкий завод металлических конструкций» (г. Череповец, Вологодская обл.).

Разработанной СУЭО МС оснащены станки следующих моделей: 16А20ФЗ (токарный патронно-центровой), 6Р13ФЗ, 6ПЗФЗ (фрезерные консольные вертикальные), МА655А8 (фрезерный вертикальный специализированный), ОСЮООФ4, 2550ПМФ4 (ко-ординатно-сверлильные специальные консольные); 2Е450АМФ4 (координатно-расточной вертикальный).

Использование в учебном процессе. Результаты работы послужили основой для учебно-методической разработки на кафедре «Электроники и микропроцессорных систем» Ивановского государственного энергетического университета им. В.И. Ленина по курсам «Электромеханотроника» и «Электротехнические промышленные установки». Созданные программные средства используются студентами ИГЭУ в лабораторных практикумах, курсовом и дипломном проектировании по специальности 210106 «Промышленная электроника».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» Х1-Х1У Бенардосовские чтения (Иваново 2003, 2005, 2007 гг.), II Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Домбай 2007 г.), V международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007» (Санкт-Петербург 2007 г.).

Получены диплом участника II Ивановского инновационного салона «Инновации-2005», грамота лауреата конкурса молодых ученых П Ивановского инновационного салона «Инновации-2005», золотая медаль VI Московского международного салона «Инновации и инвестиции 2006», золотая медаль 55-го Всемирного салона инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель - Эврика 2006».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень научных изданий, рекомендуемых ВАК министерства образования РФ; получен патент № 2316886 на изобретение 3 способов управления взаимосвязанными электроприводами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 102 наименования, и 19 приложений. Работа изложена на 151 листе машинописного текста, содержит 98 рисунков и 7 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа основных задач СУЭО МС определен комплекс требований к современным системам управления. Выявлена проблема негативного влияния зазоров и упругих звеньев в кинематических передачах редукторных механизмов подач многоцелевых МС и ОЦ на качество управления движением электроприводов подач. Установлено, что существующие подходы к решению данной проблемы недостаточно эффективны, поскольку накладывают существенные ограничения на технологические возможности и условия эксплуатации металлорежущих станков.

2. Исследованы возможности одноканальных САУ позиционным движением механизмов поворотных осей с жесткими и упругими механическими передачами. Показано, что точность и быстродействие отработки движения ИО данных систем ограничены и недостаточны для обеспечения требуемого качества управления контурно-позиционным перемещением поворотных механизмов подач МС вследствие раскрытия зазора кинематических передач в режимах удержания углового положения, что приводит к возникновению устойчивых автоколебаний выходной координаты угла.

3. Для механизмов с жесткой кинематической передачей разработана двухканальная система каскадного регулирования электромеханической выборки зазора (электромеханический торсион), при использовании которой достигается требуемое повышение точности позиционного движения поворотных осей металлорежущих станков благодаря синхронному и высоко динамичному формированию двигательного и тормозящего воздействий на электроприводы обоих каналов.

4. Для механизмов с упругими связями предложены три способа построения систем электромеханической выборки зазора, реализованные на основе принципов модального управления с безынерционными обратными связями. Исследованы и показаны условия оптимального применения каждого из предложенных способов, позволяющих вести независимую настройку каналов управления ЭП, реализовать астатическое управление моментом распора, варьировать энергетические характеристики контуров момента и угла.

5. На основе предложенных способов управления разработаны структурные решения и методики синтеза регуляторов, позволяющие обеспечить высокодинамичное формирование тормозного момента распора и упреждающую компенсацию зазоров.

6. Предложены и обоснованы принципы построения цифровой СУЭО МС с открытой архитектурой, реализующей разработанные варианты построения систем электромеханической выборки зазора. В основу системы положен специализированный контроллер движения, решающий задачи ЧПУ, логического контроля и управления ЭП, с терминальным использованием промышленного компьютера.

7. В результате исследований, проведенных на разработанном экспериментальном стенде, подтверждены основные теоретические положения и результаты имитационного моделирования торсионной системы управления движением ИО МС.

8. Эффективность предложенных принципов и широкие функционально-технические возможности разработанной СУЭО МС продемонстрированы при решении сложных технологических задач, подтверждены результатами ее широкого промышленного применения и участия на инновационных салонах.

1. Абгарян К.А. Матричное исчисление с приложениями в теории динамических систем: Учебное пособие для вузов / К.А Абгарян. М.: Физматлит, 1994. — 544 с.

2. Автоматизация настройки систем управления / В.Я Ротач и др. М.: Энергоатом-издат, 1984.-272 с.

3. Авторское свидетельство СССР № 1075360, кл. Н 02 Р 5/46, 1984.

4. Авторское свидетельство СССР № 1115191, кл. Н 02 Р 5/46; В 23 Q 15/00, 1984.

5. Авторское свидетельство СССР № 1767692, кл. Н 02 Р 7/68, 1992.

6. Авторское свидетельство СССР № 864477, кл. Н 02 Р 5/46, 1981.

7. Адаптивные системы с переменной структурой для управления электроприводами роботов / В.Ф. Филаретов, A.A. Дыда, B.C. Очкал. // Автоматизированный электропривод. 1990. - №5 - С. 169-174.

8. Альперович Т.П. Расчеты и исследования точности металлорежущих станков. В 6 т. Т. 5. Итоги науки и техники. Серия «Резание металлов» / Т.П. Альперович,— М.: ВИНИТИ, 1979.-391 с.

9. Амосов A.A. Вычислительные методы для инженеров / A.A. Амосов, Ю.А. Дубнинский, Н.В. Копченова. М.: Высш. Шк., 1994. - 554 с.

10. Башарин A.B. Управление электроприводами: Учеб. способ, для вузов / A.B. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. — Ленинград: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1982. — 392 с.

11. Безъязычный В.Ф. Обзор условий проведения высокоскоростной обработки резанием / В.Ф. Безъязычный, Р.Н. Фоменко // Справочник. Инженерный журнал. — 2006.-№6.-С. 13-16.

12. Белов М.П. Автоматизированный электропривод производственных механизмов и технологических комплексов: Учеб. Для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 576 с.

13. Борцов Ю.А. Автоматизированный электропривод с упругими связями / Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский. — СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 288 с.

14. Борцов Ю.А. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением / Ю.А. Борцов, Н.Д. Поляхов., В.В. Путов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984.-216 с.

15. Булдукян Г.А. Экспериментальный стенд для испытания электромеханических систем / Г.А. Булдукян, В.А. Иванков // Тез. докл. междунар. науч-техн. конф. «Состояние и перспективы развития энерготехнологии. XIV Бенардосовские чтения». — Иваново, 2007. С. 7

16. Бурков АЛ. Аппаратная база для контроллера движения / А.П.Бурков, Е.В. Красильникъянц, Н.В. Салахутдинов // Тез. докл. междунар. науч-техн. конф. «Состояние и перспективы развития энерготехнологии. XIV Бенардосовские чтения». -Иваново, 2007.-С. 3.

17. Бурков А.П. Принципы построения контроллеров движения / А.П.Бурков, Е.В. Красильникъянц // Материалы доклада конференции АЭП-2007. — Санкт-Петербург, 2007. -С. 24.

18. Бурков А.П. Требования к программному обеспечению контроллера движения / А.П. Бурков, A.A. Варков // Тез. докл. междунар. науч-техн. конф. «Состояние и перспективы развития энерготехнологии. XIV Бенардосовские чтения». Иваново, 2007. -С. 14

19. Воронов A.A. Синтез минимальных модальных регуляторов, действующих от измеримых входа и выхода линейного объекта / A.A. Воронов // Автоматика и телемеханика. 1993. - №2. - С. 34-51.

20. Гжиров Р.И. Программирование обработки на станках с ЧПУ. Справочник / Р.И. Гжиров. М.: Политехника, 2000. — 358 с.

21. Головенков С.Н. Основы автоматики и автоматического регулирования станков с программным управлением / С.Н. Головенков, C.B. Сироткин. М.: Машиностроение, 1988.-288 с.

22. Горизонтальный обрабатывающий центр серии ИР 1250 / Руководство по эксплуатации. Иваново ИЗТС, 1999. - 86 с.

23. ГОСТ 27803-91. Электроприводы регулируемые для станкостроения и робототехники. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1991. —17 с.

24. Гультяев A.K. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: практ. пособие / А.К. Гультяев. — СПб.: Корона принт, 1999. 288 с.

25. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2 т. Т. 1 / под ред. Д.Н. Решетова. — М.: Машиностроение, 1972. 662 с.

26. Зотов М.Г. Инженерные методы аналитического конструирования управляющих устройств / М.Г. Зотов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2000.-№1.-С. 24-27.

27. Иванков В.А. Токарная обработка виткового разъема венчиков горловых колец /

28. B.А. Иванков // Тез. докл. междунар. науч-техн. конф. «Состояние и перспективы развития энерготехнологии. XIV Бенардосовские чтения». — Иваново, 2007. — С. 166

29. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. Для студентов высш. техн. учеб. заведений / М.Н. Иванов. -М.: Высш. шк., 1991.-383 с.

30. Изосимов Д.Б. Синтез следящей системы управления электромеханическими объектами с упругими механическими передачами / Д.Б. Изосимов, С.Е. Рывкин,

31. C.B. Байда // Мехатроника, автоматизация, управление. -2004. — №3. С. 9-17.

32. Исполнительные механизмы быстродействующих следящих систем станков / Авду-шев С.А. и др..-Л.: ЛДНТП, 1975.-40 с.

33. Кирдяшев Ю.Н. Проектирование сложных зубчатых механизмов / Ю.Н. Кирдяшев,

34. A.Н. Иванов. Л., Машиностроение, 1973. - 352 с.

35. Ключев В.И. Теория электропривода. Учебник для вузов / В.И. Ключев. М.: Энер-гоатомиздат, 1985. — 560 с.

36. Котов Д.Г. Синтез регуляторов состояния для систем модального управления заданной статической точности / Д.Г. Котов, В.В. Тютиков, C.B. Тарарыкин // Электричество. 2004. - №8. - С. 32-43.

37. Красильникъянц Е.В. Применение контроллеров движения для систем управления электромеханическими объектами / Е.В. Красильникъянц, А.П. Бурков, В.А. Иванков // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. — №2. — с. 45-50.

38. Красильникъянц Е.В. Разработка контроллера движения / Е.В. Красильникъянц,

39. B.В. Ельниковский // Тез. докл. междунар. науч-техн. конф. «Состояние и перспективы развития энерготехнологии. XIV Бенардосовские чтения». — Иваново, 2007. —1. C. 13.

40. Кузин Ф.А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты. Практическое пособие для аспирантов и соискателей ученой степени / Ф.А. Кузин. М.: «Ось-89», 2001. - 224 с.

41. Лазарев Ю.Ф. MATLAB 5.x / Ю.Ф. Лазарев. Казань.: Изд-во BITV, 2000. - 384 с.

42. Лебедев A.M. Следящие электроприводы станков с ЧПУ / A.M. Лебедев, Р.Т. Орлова, A.B. Пальцев. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 223 с.

43. Левина З.М. Контактная жесткость машин / З.М. Левина, Д.Н. Решетов. М.: Машиностроение, 1971. - 264 с.

44. Маталин A.A. Многооперационные станки / A.A. Маталин, Т.Б. Дашевский, И.И. Княжицкий. М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.

45. Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник. В 3 т. / под ред. Н.Д. Eiynoea. M.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 748 с.

46. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов: Учеб. для вузов / О.П. Михайлов. М.: Машиностроение, 1990. — 304 с.

47. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков / О.П. Михайлов. М.: Машиностроение, 1989. — 224 с.

48. Модзелевский A.A. Многооперационные станки: Основы проектирования и эксплуатация / A.A. Модзелевский, A.B. Соловьев, В.А. Лонг. М.: Машиностроение, 1981. — 216 с.

49. Молодцов. В.В. Двигатели приводов подач / В.В. Молодцов // Приложение. Справочник. Инженерный журнал. — 2007. — №1. С. 9-10.

50. Поворотные столы серии RSM-T СП Рухсервомотор / Техническая документация. — респ. Белорусь, 2006. — 46 с.

51. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления: Учеб. Пособие для вузов / Е.П. Попов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.мат. лит., 1989. - 304 с.

52. Потемкин В.Г. Система MATLAB 5 для студентов / В.Г. Потемкин, П.И. Рудаков. -2-е изд. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. - 448 с.

53. Программный комплекс для автоматизированного проектирования систем модального управления («Сателлит»), Руководство пользователя / Д.Г. Котов и др.. — Иваново, 2002. 78 с.

54. Ривин Е.И. Динамика привода станков / Е.И. Ривин. Машиностроение, 1966. — 203 с.

55. Соколовский Г.Г. Система управления электроприводом с упругостью / Г.Г. Соколовский // Электричество. 1984. -№1. - С. 15-18.

56. Соколовский Г.Г. Управление электроприводом упругого механизма при использовании расширенной информации об объекте / Г.Г. Соколовский, Ю.В. Постников // Автоматизированный электропривод. 1990. - №4. - С. 65-76.

57. Сосонкин BJL Концепция системы ЧПУ на основе персонального компьютера (PCNC) / В.Л. Сосонкин // Станки и инструмент. 1990. -№11. - С. 5-7,

58. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 2 / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. — Машиностроение, 1985. 548 с.

59. Станок токарный патронно-центровой модели 16А20ФЗ / Руководство по эксплуатации. — завод «Красный Пролетарий», Москва, 1984. — 56 с.

60. Станок токарный с ЧПУ РТ955ФЗ / Руководство по эксплуатации. — ОАО РСЗ, Рязань, 1987. 77 с.

61. Стенин П.А. Сопротивление материалов: Учебник для немашиностроительных специальностей вузов / П.А. Степин. — М.: Высш. школа, 1983. — 303 с.

62. Тарарыкин C.B. Методы и средства параметрической оптимизации и настройки микропроцессорных систем управления / C.B. Тарарыкин, A.B. Пучков, В.В. Тютиков // Вестник ИГЭУ. 2001. - №1. - С. 12-14.

63. Тарарыкин C.B. Методы и средства построения многоканальных электромеханических систем / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков // Электротехника: ежемесячный научно-технический журнал. — М. -1995. —№5. -С. 38-43.

64. Тарарыкин C.B. Обобщенная методика синтеза электромеханических систем с модальными регуляторами состояния / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков // Изв. вузов. Электромеханика. 1995. - №5-6. - С. 103-108.

65. Тарарыкин C.B. Особенности применения теории состояния при синтезе управляемых динамических систем / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков // Изв. вузов. Электромеханика. 1991. -№12. - С. 27-33.

66. Тарарыкин C.B. Проектирование регуляторов состояния упругих электромеханических систем / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков // Электричество. 1998. - №3. - С. 5257.

67. Тарарыкнн C.B. Системное проектирование линейных регуляторов состояния: Учеб. пособие / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков. — ИГЭУ Иваново, 2000. — 212 с.

68. Тарарыкин С. В. Системы координирующего управления связанными электроприводами. Научное издание / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков. — ИГЭУ Иваново, 2000. -212 с.

69. Тарарыкин C.B. Структурная оптимизация много двигательных электромеханических систем / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков // Электричество: ежемесячный теоретический и научно-практический журнал. — М. —2001. —№1.

70. Тарарыкин C.B. Физическое моделирование упругих механических систем средствами цифрового следящего электропривода / C.B. Тарарыкин, В.В. Тютиков, Е.В. Красильникъянц // Электротехника. 1999. - №3. - С. 11-15.

71. Терехов В.М. Системы управления электроприводов / В.М. Терехов, О.И. Осипов. — М.: Академия, 2005. 381 с.

72. Тютиков В.В. Применение программного комплекса MATLAB в курсе ТАУ / В.В. Тютиков, C.B. Тарарыкин, В.В. Шлыков // ИГЭУ Иваново, 2001. 72 с.

73. Тютиков В.В. Робастное модальное, управление технологическими объектами / В.В. Тютиков, C.B. Тарарыкин. ГОУВПО ИГЭУ Иваново, 2006. - 256 с.

74. Тютиков В.В. Синтез систем модального управления заданной статической точности / В.В Тютиков, C.B. Тарарыкин, Е.В. Красильникъянц, Н.В. Салахутдинов // Электротехника. М. - 2003. - №2. - С. 23-27.

75. Устройство ЧПУ 4СК / Руководство по эксплуатации, Москва, 1995. 157 с.

76. Устройство ЧПУ «Маяк-600/610». Руководство по эксплуатации, Москва, 1993. — 138 с.

77. Устройство ЧПУ «МИКРОС-12Т». Руководство по эксплуатации, Москва, 1998. — 173 с.

78. Устройство ЧПУ «МИКРОС-12Ф». Руководство по эксплуатации, Москва, 1998. — 194 с.

79. Устройство ЧПУ серии NC110. Руководство по эксплуатации, Санкт-Петербург, 2002.-168 с.

80. Устройство ЧПУ FMS-3000 / Руководство по эксплуатации, ООО «Модмаш-Софт», Нижний Новгород, 2003. 142 с.

81. Шевчук В.А. Причины выбора РС-несовместимой платформы при построении АСУТП / В.А. Шевчук // Автоматизация в промышленности. —2003. — №4. — С. 45-47.

82. DCX-PCI300 Motion Controller. Technical Data Электронный документ. / Precision MicroControl Corporation PMC, 2005. 67 pages, (http://www.pmccorp.com). Проверено 18.05.2006.

83. Galil Controllers. General Description. Family General Description Электронный документ. / Galil Motion Control, Inc, 2004. 52 pages, (http:// www.galilmc.com). Проверено 20.05.2006.

84. Magellan Motion Processor User's Guide Электронный документ. / Performance Motion Devices, Inc PMD, 2002.-428 pages, (http://www.pmdcorp.com). Проверено 18.05.2006.

85. Magellan Motion Processor Programmer's Command Reference Электронный документ. / Performance Motion Devices, Inc PMD, 2002. — 673 pages, (http://www.pmdcorp.com). Проверено 18.05.2006.

86. Navigator Motion Processor. MC2300 Series. Data Sheet Электронный документ. / Performance Motion Devices, Inc PMD, 2002. — 37 pages, (http://www.pmdcorp.com). Проверено 18.05.2006.

87. MultiFlex PCI 1440 Motion Controller. Specifications Электронный документ. / Precision MicroControl Corporation PMC, 1999. 51 pages, (http://www.pmccorp.com). Проверено 18.05.2006.

88. PCI Bus Accelera Series. DMC-18x6 Series. User Manual Электронный документ. / Galil Motion Control, Inc, 2000. — 528 pages, (http://www.galilmc.com). Проверено 20.05.2006.

89. PMAC General Reference Manual Электронный документ. / Delta, Delta Tau Data Systems, Inc, 1998. 103 pages, (http://www.deltatau.com). Проверено 18.05.2006.

90. SPiiPlus High Performance Motion Controllers Series. Technical Data Электронный документ. / ACS Motion Control, Inc, 2002. 62 pages, (http://www.acs-tech80.com). Проверено 23.05.2006.

91. SPiiPlus Motion Controller. User manual. Specification. Data Sheet Электронный документ. / ACS Motion Control, Inc, 2001. 528 pages, (http://www.acs-tech80.com). Проверено 23.05.2006.

92. The Magellan Family of Motion Processors. Technical Data Электронный документ. / Performance Motion Devices, Inc PMD, 2002. 32 pages, (http:// www.pmdcorp.com). Проверено 18.05.2006.

93. Turbo-PMAC/PMAC2 Software Reference Электронный документ. / Delta Tau Data Systems, Inc, 2001. 861 pages, (http://www.deltatau.com). Проверено 18.05.2006.

94. Turbo-PMAC2 PCI Hardware Reference Manual Электронный документ. / Delta Tau Data Systems, Inc, 2004. 97 pages, (http://www.deltatau.com). Проверено 18.05.2006.

95. CNC Steuerungen Vergleich andronic 2060L/2060S, andron GmbH Электронный документ. (http://www.andron.de/de/02Produkte/02ProdukteandronicVergleich2060L20 60S.htm). Проверено 15.03.2006.

96. Highest precision while maintaining high speeds: SINUMERIK 840D Электронный документ. (http://www.automation.siemens.com/mc/mc-sol/en/cd4fc6al-9d32-lld5-86db-080006278927/840dap 13.pdf). Проверено 12.03.2006.

97. PA 8000e The High-End CNC Электронный документ., (http://www.powerauto mation.de/index.php?id=21). Проверено 10.02.2006.

98. TwinCAT NC I Axis interpolation in three dimensions Электронный документ. (http://www.beckhoff.ru/english.asp7applicat/default.htm). Проверено 25.02.2006.