автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Структурное моделирование и алгоритм управления подвижными органами обрабатывающего центра с целью обеспечения требуемой динамической точности инструмента при воспроизведении заданной траектории

(си

004618776

Пешев Ярослав Иванович

СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫМИ ОРГАНАМИ ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО ЦЕНТРА С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ЛЕЯ 20/0

Самара-2010

004618776

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 Галицков Станислав Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Щетинин Владимир Георгиевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный

технический университет» (г. Тольятти)

Защита диссертации состоится «28» декабря 2010 г. в 09 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18, 1 корпус, ауд. №4 (Учебный центр «СамГТУ Электрощит»),

Отзывы но 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 2010]

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.03

Губанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Требования к качеству обработки деталей для последующих технологических операций непрерывно возрастают, так, в 1990 году величина ноля допуска составляла значение 5 мкм, а в настоящее время стремительно приблизилась к величине 1-3 мкм. В таких условиях крайне актуальными становятся вопросы разработки многооперационных координатно-расточных станков (обрабатывающих центров) класса точности С, способных повысить качество выпускаемой продукции и её конкурентоспособность, как на региональном, так и на мировом рынках.

Реализуемые на подобных станках технологические процессы и операции (металлообработка, контрольные измерения) предъявляют высокие требования к точности позиционирования рабочих органов, а также к динамическим процессам перемещения подвижных узлов заключающиеся в отсутствии ударов в кинематических звеньях электропривода подачи при разгоне, торможении, позиционировании; монотонность позиционирования; обеспечение требуемых значений скоростной ошибки и ошибки по ускорению при одновременном обеспечении высоких скоростей перемещения подвижных узлов.

Стремление к цели обеспечения требуемой точности положения инструмента в рабочем пространстве прецизионного металлорежущего станка, приводит к необходимости решения целого ряда сложных и взаимосвязанных проблем таких как: обеспечение динамики перемещения и позиционирования рабочих органов линейных интерполирующих координат; компенсация погрешностей от взаимовлияния интерполирующих координат; обеспечение требуемой жёсткости несущей системы станка (станина, стойка, мехашиеские крепления несущих элементов); компенсация разворота и всплывания подвижных узлов на направляющих; компенсация температурных деформаций.

Значительный вклад в области повышения точности прецизионных координатно-расточных станков за счёт введения системы автоматического управления (САУ) подвижными узлами и несущими элементами был внесён такими учёными как: Ж.С. Равва, К.В. Вотанов, В.А. Кудинов, Д.Н. Решетов, С.Я. Галицков, А.П. Соколовский, С.Я., В.Г. Болтянский, H.H. Красовский, Г.М. Уланов, З.М. Левин. Вклад в решение проблем по улучшению динамических характеристик станков внесён зарубежными исследователями: Г. Шлезингером, Ф. Кенигсбергом, И. Тлусты.

Динамические погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка имеют крайне сложную природу возникновения, и зачастую носят случайный характер. В условиях работ по развитию нано-технологий этот вид погрешностей приобретает особое значение, поэтому данная диссертационная работа актуальна и своевременна.

Работа выполнена в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения».

Предметом исследования является влияние динамики САУ линейными интерполирующими координатами и САУ устройством автоматической смены инструмента (УАСИ) на точность положения инструмента в рабочем пространстве станка и эксплуатационную надёжность по точности.

Объектом исследования является формирование алгоритмов управления траекториями перемещений подвижных органов линейных интерполирующих координат и руки механизма смены инструмента, которые обеспечивают требуемую величину динамической ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Цель настоящей работы.

Структурное представление процесса формирования динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Разработка управляющих алгоритмов для САУ линейными интерполирующими координатами и УАСИ, которые обеспечивают заданную динамическую ошибку положения инструмента в рабочем пространстве и требуемую долговечность станка по точности.

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

1. Представление каждой линейной интерполирующей координаты (автономного сепаратного канала) в виде математической модели, которая учитывает упруго-диссипативные процессы во время перемещения подвижного органа, реализует формирование собственной помехи линейной интерполирующей координаты и реакцию подвижного органа на внешние силовые возмущающие воздействия.

2. Представление УАСИ как источника возмущающих воздействий на подвижные органы линейных интерполирующих координат x, y, z.

3. Моделирование формирования динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка от взаимовлияния линейных интерполирующих координат и воздействия на последние УАСИ.

4. Разработка критериев формирования ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий перемещения подвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой видов интерполяций.

5. Разработка системы управления электроприводом механизма смены инструмента, которая минимизирует возмущающие воздействия и повышает эксплуатационную надёжность станка.

Методы исследования: теоретические исследования базируются на методах теории автоматического управления, классической механики, линейной алгебры, теорий вероятности и математической статистики. Во-

просы 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:

Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления о формировании статических и динамических погрешностей положения инструмента в рабочем пространстве станка, которые определяют качество обработки деталей.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Разработана модель формирования статической и динамической ошибки в воспроизведении заданной траектории движения инструмента, отличающаяся от известных, учётом взаимовлияния САУ линейными интерполирующими координатами.

2. Впервые разработана модель формирования составляющей возмущающего воздействия от технологической операции автоматической смены инструмента. Указанная модель позволяет синтезировать и оценить эффективность СЛУ устройством автоматической смены инструмента, обеспечивающей плавность перемещения руки механизма смены инструмента и исключающей механические нагрузки на элементы станка.

3. Определены предельные технологические параметры обрабатывающего центра при реализации лезвийных и шлифовальных технологических операций, обеспечивающие заданную динамическую ошибку положения инструмента в рабочем пространстве станка.

4. Впервые разработаны критерии формирования ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий перемещения подвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой видов интерполяций.

5. Разработаны алгоритмы управления САУ линейными интерполирующими координатами и устройством автоматической смены инструмента, которые обеспечивают требуемую точность, а также эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра. Указанные алгоритмы отличаются от известных учётом взаимовлияния линейных интерполирующих координат и УАСИ через несущие элементы обрабатывающего центра.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- создана компьютерная модель, которая позволяет оценить влияние параметров САУ линейными интерполирующими координатами станка, а также его конструкции на точность воспроизведения задапного закона движения.

- определены технологические параметры для разработки САУ устройством автоматичной смены инструмента.

- результаты работы использовались при разработке управляющих алгоритмов обрабатывающим центром 2440СМФ4 на предприятии ЗАО «Стан-Самара» (Акт использования в практике инженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».)

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

- на обрабатывающем центре 2440СФ4, выпускаемом ЗАО «Стан-Самара»;

- в технических проектах САУ одностоечных координатно-расточпых станков класса точности С.

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

¡.Международная научно-техническая конференция, Тольятти -

2006г.

2. Тринадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва - 2007 г.

3. XV-ая Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», Харьков-2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ, в том числе 3 из них - в журналах, рекомендованных ВАК РФ (журнал СТИН №10-2009 и сборник серии «Технические науки» СамГТУ №2(22) - 2008, СамГТУ №1(23) - 2009), 3 публикации - в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

На защиту выносятся основные научные положения:

1. Математические модели и структурное представление процесса формирования статической и динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при воспроизведении линейными интерполирующими координатами заданной траектории.

2. Математическая модель формирования возмущающего воздействия от технологической операции автоматической смены инструмента.

3. Методика определения предельных технологических параметров обрабатывающего центра при реализации лезвийных и шлифовальных технологических операций, обеспечивающих заданную динамическую ошибку положения инструмента в рабочем пространстве станка.

4. Критерии формирования ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий перемещения подвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой видов интерполяций.

5. Алгоритмы управления САУ линейными интерполирующими координатами и механизмом смены инструмента.

Структура и объём работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 52 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 206 страницах, диссертация содержит: 95 рисунков, 11 таблиц, 1 приложение, библиографический список на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении в краткой форме изложены актуальность проведённого исследования; научная новизна; практическая значимость диссертационной работы; перечень задач, решаемых в диссертации; приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе показана роль прецизионных многооперационных станков (обрабатывающих центров) в автоматизации технологических процессов серийного и мелкосерийного производства с учётом особенностей развития российского станкостроения. Представлены анализ природы возникновения и классификация ошибок положения режущего инструмента в рабочем пространстве станка.

Формулируются цели и задачи исследования.

Во второй главе разработана математическая модель формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Первый этап синтеза математической модели формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка состоит в представлении каждой линейной интерполирующей координаты обрабатывающего центра в виде автономного сепаратного канала, который учитывает как упругие, инерционные и диссипативные процессы в серводвигателе, а также передаточных и исполнительного механизмов, так и свойства системы автоматического управления положением исполнительного подвижного узла.

Описание упруго-диссипативных процессов линейной интерполирующей координаты удобно представить в виде расчётной схемы.

^х^гх СХДХ {(х^а

<Рк Ьх Ьх

Г/РХ

Л(ПХ

Рисунок 1

Для линейной интерполирующей координаты X упомянутая выше расчётная схема (см. рисунок 1) представлена в виде последовательной цепи четырёх упруго-диссипативных и трёх инерционных элементов, причём С!Х, С2х и Д1Х, Д2Х - крутильная жёсткость и коэффициент демпфирования соединительной муфты и винта, соответственно; Сзх, С4Х и Дзх, Дп- -линейная жёсткость и коэффициент демпфирования шариковинтовой пары (ШВП) и упорного подшипника со стыками; тх - масса рабочего органа (совместно с массой обрабатываемой заготовки); FTP х - сила трения в направляющих; Аспх - силовое возмущающее воздействие от перемещения стола; Jm х, Jbx~ момент инерции ротора серводвигателя и винта; iBr х ~ коэффициент передачи винт-гайка.

С использованием вышеуказанной расчётной схемы и основного уравнения движения электропривода получим систему операторных уравнений (1), описывающую динамические процессы механической части линейной интерполирующей координаты X:

мдвх(р) ~j дв х (р)р2 <Р\Х (Р) = С\Х{Т\ХР + l)?> к (р) С\х(I + Т\хр)ф ip) ~JBXP1<PlX(р) = Cix(l + Т2ХрЬпх(р)

сix 0+Тгх р)<рцх (р) = Kufx F в x (/>) Fbx(p) - Сгх (] + Тъх р)х III (р) гвх(р) = с4х(1 + г4хр)ху1 (р)

' FBX(P)-FTPX(.P)=>"XP2XS(P) • ^

FTPX(.P) = fTPN-P-X5(.P)

ХЪ(р) = 1вгхПХ(Р) <P\xiP) - Pix (р) ~<Р2Х 0>) п1л<р) = <Р2х(р)-<РЗх(р) ХШ(Р) = ХЗ(Р)-ХА(Р) хмр) = ха(р)-х5(р) В системе операторных уравнений (1) введены следующие обозначения: Kufx ~ коэффициент, связывающий вращающий момент винта с

усилием подачи; - <рхх -сргх - угол скручивания соединительной муфты; (рш = <р1Х - <ргх - угол скручивания ходового винта; Хш(р) = Х3(р)~ХА(р) - упругая осевая деформация ходового винта Xv\ = Ха~ Хъ ~ упругая осевая деформация упорного подшипника со стыками.

Wjiy(p) =

а(р)

где Vm Тэ=Ти, Тм =

■М1

Vш(ТэТмр2+Тмр + \)' , _ 2jlt

п

»hznP<!VmTu

Передаточная функция (2) по управляющему воздействию синхронного серводвигателя с постоянными магнитами синтезирована с применением известной модели обобщенного двухфазного синхронного серводвигателя.

В (2) введены следующие обозначения: т, - число фаз статора

серводвигателя, - число пар полюсов, J- приведённый к валу серводви-

Ц

гателя момент инерции; Мс - момент сил сопротивления; Тп = — , причём

Ь1 - индуктивность статорной обмотки, Л; - активное сопротивление статарной обмотки; £У0 - частота вращения магнитного поля; СО - частота вращения ротора; у/в - потокосцепление, создаваемое постоянными магнитами на роторе; ц/ы , у/ц - потокосцепления, создаваемые статарными

обмотками; Кп - коэффициент передачи серводвигателя по управляющему воздействию.

Таким образом, математическая модель автономного сепаратного канала линейной интерполирующей координаты X синтезирована на основе методики синтеза СЛУ по идеологии систем подчинённого регулирования, системы операторных уравнений (1) и передаточной функции (2).

Методика синтеза математической модели автономного сепаратного канала линейной интерполирующей координаты Г имеет полную аналогию с методикой синтеза математической модели автономного сепаратного канала линейной интерполирующей координаты X.

Рисунок 2

Расчётная схема линейной интерполирующей координаты Ъ, изображена на рисунке 2, в которой введены обозначения: Сц, и Д!7_, Дц ~ крутильная жёсткость и коэффициент демпфирования соединительной муфты и винта, соответственно; Сц, С42 и Д32, Д47, - линейная жёсткость и коэффициент демпфирования шариковинтовой пары и упорного подтип-

ника со стыками; Су , Д" - линейная жёсткость и коэффициент демпфирования противовеса; mz - масса рабочего органа (шпиндельной бабки); тп - масса противовеса; fbz~ сила подачи шпиндельной бабки; ftp -¿ - сила трения в направляющих; Асп z - силовое возмущающее воздействие от перемещения шпиндельной бабки; jab z,jbz~ момент инерции ротора серводвигателя и винта.

Динамические процессы механической части линейной интерполирующей координаты Z описываются системой операторных уравнений (3), в которой: Kmfz ~ коэффициент, связывающий вращающий момент

винта с усилием подачи; çlz = çiz - çlz - угол скручивания соединительной муфты; срш = (р22 - (ръг - угол скручивания ходового винта; zm(p) = z¿(p)-z4(p) - упругая осевая деформация ходового винта Zvi = Z\~Zs - упругая осевая деформация упорного подшипника со стыками.

M zip)-J двг (р)р2 <p]Z (р)=Ciz friz Р+5 Viz (р) Ciz (i+Tu p)Çi2 (p) -Jbzp1 <Piz (P)=C2Z (1+T2Z p)ç>az (p)

C2Z (1+T2Z p)<? uz (p) = Kmfz Fbzîp) FBz(p)=C3z(l+T3zp)zm(.p) F в z (p) = C4Z ('+Taz p)zv i (p)

' FBz(P)-FTPZ(P) = 'r'Zp2Z5(p) •

FTpz<.P)=fTpN-p-Z5(p)

Zl(p)=ÏBrznz(P) <Plz(P) = nz(P)-<P2z(P) <puz(P) = <p2z(P)-<p3z(P) zm(p) = z3(p)-z4(p)

ZIV(JP) = Z4(P)-Z5(JJ)

Влияние противовеса, разгружающего по массе шпиндельную бабку, на динамические показатели линейной интерполирующей координаты Z, отражено системой операторных уравнений (4):

Математическая модель автономного сепаратного канала линейной интерполирующей координаты 2 синтезирована на основе методики

Fz(p) = Zi{p)mnp2 z2(p) = -z5(p) + z]¡(p)

(4)

ZÁP) = Gj(p)-Fz{p)

представления синхронного серводвигателя с постоянными магнитами на роторе как объекта управления (2), методики синтеза САУ по идеологии систем подчиненного регулирования, а также систем операторных уравнений (3) и (4).

Рисунок 3

На рисунке 3 изображена структурная схема автономного сепаратного канала линейной интерполирующей координаты 2. Указанная структурная схема включает в себя звенья, учитывающие упругие, инерцион-

ные, диссипативные процессы в серводвигателе подачи, передаточных и исполнительных механизмов линейной интерполирующей координаты Z; контур стабилизации тока серводвигателя подачи; контур стабилизации частоты вращения вала серводвигателя подачи и контур положения шпиндельной бабки. Элементы, показанные на рисунке 3 пунктиром, учитывают наличие противовеса, обеспечивающего разгрузку по массе подвижного органа (шпиндельной бабки).

Lz

На рисунке 3 обозначены: Тхf = — электромагнитная постоян-

пая времени серводвигателя, if, - индуктивность статорной обмотки, R^

~ «- Mmz mfzfoi

- активное сопротивление статорной обмотки; Си = —-— = —!— ,

hz 2

m jZ - число фаз статора серводвигателя, Z,f — число пар полюсов, -потокосцепление, создаваемое постоянными магнитами на роторе, Iэ z -ток статорной обмотки серводвигателя; КдГ - коэффициент передачи датчика тока; КдС - коэффициент передачи датчика скорости (энкодера, встроенного в серводвигатель); КдП - коэффициент передачи датчика положения шпиндельной бабки (фотооптической линейки); К7СП - коэффициент передачи силового преобразователя, - постоянная времени силового преобразователя; WpT(p) — передаточная функция корректирующего регулятора контура тока; WpC (р) - передаточная функция корректирующего регулятора контура скорости; Wpn(p) - передаточная функция корректирующего регулятора контура положения; 1Э z (р) - изображение тока серводвигателя; ZBX(p) - изображение сигнала задания положения шпиндельной бабки; Z(p) - изображение положения шпиндельной бабки в рабочем пространстве станка; AZiд(р) - изображение отклонения шпиндельной бабки от заданного положения за счёт выборки зазора ШВП и упругих деформаций; AFZ (р) - изображение силового возмущающего воздействия на шпиндельную бабку, которое создаёт момент на ходовом винте превышающий момент трогания ШВП.

Реализация возможности моделирования межканальных связей линейных интерполирующих координат через несущие элементы станка, требует рассмотрения каждого автономного сепаратного канала с позиций формирования собственной помехи линейной интерполирующей коорди-

натой и реакции подвижного органа линейной интерполирующей координаты на внешние силовые возмущающие воздействия.

Структурная схема канала реакции линейной интерполирующей координаты X на внешние возмущающие воздействия изображена на рисунке 4, где WK у (р) = ——;----колебательное звено, учи-

Т}ХР2+2?РХТРХР + \

тывающее упругие свойства ШВП; Ккх - коэффициент, устанавливающий связь между внешним силовым возмущающим воздействием и отклонением стола от заданного положения, в результате упругих деформаций ШВП; FBXX (р) - изображение внешнего силового возмущающего воздействия на стол; FKX(p) - изображение внешнего силового возмущающего воздействия на выходе колебательного звена WKX(p); АХУд(р) - изображение отклонения стола от заданного положения за счёт упругих деформаций ШВП; AFX (р) - изображение силового возмущающего воздействия на стол, которое создаёт момент на ходовом винте превышающий момент трогания ШВП.

fbxx(p) 1 /

/ к"

тгхр 2+2£рхтрхр+!

Ркх<р)

тгх f ¿Худ

Ккх

ftfx

~fttx 1 J /

/ 1 frrx

¿Fx(p)

Рисунок 4

Структурно, каналы реакции линейных интерполирующих координат У и 2 на внешние силовые возмущающие воздействия полностью аналогичны каналу реакции линейной интерполирующей координаты X.

Собственная помеха линейной интерполирующей координаты возникают при перемещении подвижного узла этой координаты и обусловлена неидеальностыо геометрии элементов ШВП, направляющих, наличием

на направляющих посторонних твёрдых частиц (загрязнений), а также другими неучтёнными факторами.

В процессе сравнения, и статистической обработки результатов экспериментов, согласно положениям теории инженерного эксперимента, было предложено представлять собственную помеху Асмх в виде суммы

двух составляющих: Аспх = Аспех + ^спух ■

-составляющая АСПеХ обусловлена влиянием упругих деформаций элементов ШВП в процессе разгона/торможения серводвигателя подачи, указанная составляющая собственной помехи моделируется колебательным звеном передаточной функцией:

^саех(р)=АсЛеАР)= , , К'Х-—•

едвхЮ Т^р2+2^хТЕХр + \

- составляющая ЛСпух обусловлена геометрической неидеалыю-стью направляющих, ШВП, наличием между ними загрязнений и другими случайными факторами.

Данная составляющая может быть представлен в виде сигнала Аси у х (0, амплитуда Асп у х (генеральная совокупность) которого изменяется во времени случайным образом и имеет нормальный закон распределения:

=— г- ,

спчх

л/2 л 2 а,

* \ Л (

л.

лСП\Х V лспчх

С целью синтеза генератора составляющей Асп у х собственной помехи Аспх, путём статистической обработки экспериментально полученных осциллограмм, были найдены функциональные зависимости

/спух = /С7!') и а спух -ягх), в которых введены следующие обозначения: А сп ух - среднее значение амплитуды сигнала составляющей Аспух собственной помехи Аспх; /спух ~ частота сигнала составляющей Асп у х собственной помехи Аспх ; Ух - линейная скорость перемещения стола.

Математическую модель формирования составляющих собственной помехи линейной интерполирующей координаты X иллюстрирует структурная схема на рисунке 5, на которой обозначены: сОдВХ(р) - изображение угловой скорости вращения вала серводвигателя электропривода подачи стола; £дВХ(Р) - изображение углового ускорения вращения вала

серводвигателя электропривода подачи стола; Аспх(р) - изображение

собственной помехи линейной интерполирующей координаты X; ^спсх(Р) - изображение составляющей собственной помехи Ас//Х , которая обусловлена влиянием упругих деформаций элементов ШВП в процессе разгона/торможения серводвигателя подачи стола; Аспух(р) ~ изображение составляющей собственной помехи Аспх , которая обусловлена геометрической неидеальностью направляющих, ШВП, наличием между

ними загрязнений; А сп ух - среднее значение амплитуды сигнала составляющей Асп У Х собственной помехи А сих ; /спух - частота сигнала составляющей АСПух собственной помехи АГ11Х; Х(р) - изображение положения стола в рабочем пространстве станка. Звенья с передаточными функциями 1Уд (р) = р реализуют операцию дифференцирования. Функциональный блок аЬя выделяет абсолютное значение сигнала.

Математическая модель формирования составляющих собственной помехи линейной интерполирующей координаты Г структурно полностью аналогична математической модели формирования составляющих собственной помехи линейной интерполирующей координаты X.

Разгон/торможение в процессе перемещения шпиндельной бабки способствует возникновению сильных гармонических колебаний противовеса преимущественно в вертикальной плоскости. Это обусловлено тем, что груз, подвешенный на двух тросах, соединённых с подвижным органом 7, являет собой по существу пружинный маятник. Поэтому, очевидно, что имеет место быть составляющая Асп п 2 собственной помехи > вызванная колебаниями противовеса.

Представляя противовес в виде пружинного маятника, получим выражение математической модели формирования составляющей Д сп € у :

ш ДстдгОО,_«л_

£Мй1<Р>

иДвг(Р)

Рисунок 6

Структурная схема формирования составляющих собственной помехи линейной интерполирующей координатой 2 представлена на рисунке 6, на которой обозначены: о)дВ2{р) - изображение угловой скорости вращения вала серводвигателя электропривода подачи шпиндельной бабки; СдВ 7 (р) - изображение углового ускорения вращения вала серводвигателя электропривода подачи шпиндельной бабки; Асп 2 (р) - изображение собственной помехи линейной интерполирующей координаты 2\ ДспЕг(р) ~ изображение составляющей собственной помехи Асп 2, которая обусловлена влиянием упругих деформаций элементов ШВП в процессе разгона/торможения серводвигателя подачи шпиндельной бабки; Аспуг(Р) ~ изображение составляющей собственной помехи Лс/72 , которая обусловлена геометрической неидеальностью направляющих, ШВП, наличием между ними загрязнений; Аа/;72(/>) - изображение составляющей собственной помехи АСП2 , вызванной колебаниями противовеса

шпиндельной бабки; A cnvz - среднее значение амплитуды сигнала составляющей Асп vz собственной помехи Acuz ; fcnvz - частота сигнала составляющей Acnvz собственной помехи Acnz; Vz(p) - изображение линейной скорости перемещения шпиндельной бабки; аг (/;) - изображение линейного ускорения перемещения шпиндельной бабки; Z(p) - изображение положения салазок в рабочем пространстве станка. Звенья с передаточными функциями 1Уд (р) = р реализуют операцию дифференцирования. Функциональный блок abs выделяет абсолютное значение сигнала.

При синтезе многосвязанной модели формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка учитывались конструктивные особенности взаимного механического соединения лннейных интерполирующих координат станка.

Силовые возмущающие воздействия от УАСИ были определены экспериментально на разных этапах технологической операции автоматической смены инструмента. В результате чего можно выделить четыре источника силовых возмущающих воздействий: Ь'УАСИ зи 2 - от захвата инструментов рукой, РУАСИСРz - от схода руки с инструментов, FyACiiBHZ -от выема инструментов, FyAcliш z - от посадки инструментов.

Система операторных уравнений, отражающая взаимную связь автономных сепаратных каналов и УАСИ:

FBXX (Р) - FBC X (Р) + ДСП У (РЖ(ПР + Дел гСрЖогр + РулСИ (РЖ«Р

_ Рвх У (р) = Рве У (р)+Дел X (РЖ01Р + Дел г(Р)^03Р + Рулен (Р)Цу Р

FBXZ (р) = Рве Z (р) + &сп х(Р)К02Р + асп У(РЖ(ЙР + PyACIl(P)KAZP '

Pbxz (р) = Рве z (р)+Ася х (р)аЪр+Дел y (р)к озр+руаси г (р)

В (5) дифференцирующие звенья К0)р-Ктр учитывают взаимосвязь линейных интерполирующих координат обрабатывающего центра через несущие конструкции, а именно: Кохр - учёт взаимной механической связи линейных интерполирующих координат X и Y (У и X), К01р -учёт взаимной механической связи линейных интерполирующих координат X и Z (Z и X), Ктр - учёт взаимной механической связи линейных интерполирующих координат У и Z (Z и У). Воздействие силового возмущения от УАСИ FyACM на линейные интерполирующие координаты X, Y через несущие конструкции обрабатывающего центра учитывается дифференцирующими звеньями КАХр, К4гр и Kizp соответственно.

Многосвязанная модель формирования погрешностей положения инструмента в рабочем пространстве станка, синтезированная с применением системы операторных уравнений (5), показана на рисунке 7. Блок «X» включает в себя автономный сепаратный канал линейной интерполирую-

щей координаты X, канал реакции линейной интерполирующей координаты X на внешние возмущающие воздействия, канал формирования составляющих собственной помехи линейной интерполирующей координаты X. Состав блоков «Г» и «/» аналогичен блоку «X».

В третьей главе с использованием многосвязанной модели, структурная схема которой изображена на рисунке 7, осуществляется имитационное моделирование формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при отработке линейной интерполяции; при воздействии на подвижные органы (стол, салазки, шпиндельная бабка) внешнего динамического силового возмущающего воздействия; при технологическом процессе шлифования с осцилляцией шпиндельной бабкой; при технологической операции автоматической смены инструмента.

Исследование возникновения погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при отработке круговой и линейной видов интерполяций позволило вывести критерий формирования ошибки положения стола и салазок при отработке линейной и круговой"интерполяции. Указанный критерий позволяет установить аналитическую зависимость между абсолютным максимальным значением составляющей собст-

венной помехи линейной интерполирующей координаты и угловым ускорением вращения вала серводвигателя подачи подвижного органа линейной интерполирующей координаты, а также линейной скоростью перемещения подвижного органа линейной интерполирующей координаты.

Результаты экспериментов и моделирования показали следующие результаты: для участка разгона/торможения вала серводвигателя подачи допустимый диапазон изменения ускорений (0-1,5 м/с2). При ускорении 1,5 м/с2 для линейной интерполирующей координаты X, максимальное отклонение салазок от заданного положения составило - 1,8 мкм, шпиндельной бабки - 0,6 мкм. При ускорении 1,5 м/с2 для линейной интерполирующей координаты Г, максимальное отклонение стола от заданного положения составило - 1,1 мкм, шпиндельной бабки - 0,8 мкм.

При движении стола со скоростью 5400 мм/мин, максимальное отклонение салазок от задашюго положения составило - 2,3 мкм, шпиндельной бабки - 0,4 мкм. Движение салазок со скоростью 5400 мм/мин, взывает максимальное отклонение стола от заданного положения - 1,5 мкм, шпиндельной бабки - 0,8 мкм.

Проведённый анализ формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при воздействии на подвижные органы внешнего динамического силового возмущающего воздействия позволил найти допустимый диапазон максимальных значений динамической составляющей силы резания х, в котором сохраняется заявленный класс точности С, а также область резонансных частот, лежащие в диапазоне 50... 100 Гц.

Результатом изучения законов формирования ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка при осцилляции шпиндельной бабкой является разработка способов уменьшения силовых возмущающих воздействий от противовеса в режиме осцилляции и, как следствие, обеспечение требуемых точностных показателей обрабатывающего центра.

Путём исследования возмущающих воздействий от УАСИ была доказана необходимость применения САУ УАСИ, осуществляющая режим «мягкая смена инструмента». В указанном режиме управление электроприводом УАСИ осуществляется специально разработанной системой, которая обеспечивает плавное замедление перемещения руки при захвате, выеме, посадке инструмента и при сходе руки с инструмента.

В режиме «мягкая смена инструмента» в десятки раз снижается максимальное отклонение рабочих органов линейных интерполирующих координат X, У и 2 по сравненшо с традиционным режимом автоматической смены инструмента.

В аварийном режиме автоматической смены инструмента применение САУ УАСИ позволило снизить приблизительно в 90 раз максимальное отклонение рабочего органа линейной интерполирующей координаты 2.

В четвёртой главе получены критерии формирования траекторий перемещения формообразующих линейных интерполирующих координат X и ¥ для линейной и круговой видов интерполяций. Критерии позволяют определить значения угловых ускорений серводвигателей подач и линейных скоростей перемещения подвияагых узлов, при которых обеспечивается заявленный класс точности С.

Максимальная ошибка положения стола при отработке линейной интерполяции линейными интерполирующими координатами У и/или 2 и установившейся частоте вращения вала серводвигателя подачи (7 и 2):

ЛХцЛХ (Уц у,Уц7)= />">; 1/А' К к X = ^

= +\Уцг\Кугк02)ккх

"Уравнение (6) справедливо для следующих диапазонов изменения линейных скоростей перемещения салазок и шпиндельной бабки: 0 < Уиг < 5400 мм/мин , 0 < Уи г < 5400 мм/мин.

Максимальная ошибка положения стола при отработке линейной интерполяции линейными интерполирующими координатами У и/или 2 и * разгоне/торможении серводвигателя подачи (7 и 2):

. ^ шах ¡„¡т/яр „ „ет/5? и гшх | п-шах

■•"// Щъит^иг^щзиг^иг^г г '^вхих^кх - ^

= +Уиг\кУг^ко\ +^|гдацг|-к'г2 +\уиг\кУг + \а2т\тп}кпг^ккх

Уравнение (7) справедливо для следующих диапазонов установившихся линейных скоростей перемещения салазок и шпиндельной бабки: 0 <УЦГ < 5400 мм/мин, 0 <Уиг< 5400 мм/мин.

Максимальная ошибка положения салазок при отработке линейной интерполяции линейными интерполирующими координатами X и/или 2 и установившейся частоте вращения вала серводвигателя подачи (Хи 2):

Л У^3* = ^шш у (¥их > г )кк г = ^

= §УЦХ\кУХк01 + \Vijz\кугкт)кк у

Уравнение (8) справедливо для следующих диапазонов изменения линейных скоростей перемещения стола и шпиндельной бабки: 0 2 Уцх < 5400 мм/мин, 0 < Уиг < 5400 мм/мин.

Максимальная ошибка положения салазок при отработке линейной интерполяции линейными интерполирующими координатами X и/или 2 и разгоне/торможении серводвигателя подачи (Хи 2):

лутач/ет/5Р т/ ОТХР пк) гпш к

А'ц ^йъих,'их,-ррцг,'иг>ах ¡-гвхитккг - ^

Уравнение (9) справедливо для следующих диапазонов установившихся линейных скоростей перемещения стола и шпиндельной бабки: 0 < Уих < 5400 мм/мин, 0 <Уиг< 5400 мм/мин.

Абсолютное значение максимальной ошибки положения стола при отработке круговой интерполяции линейными интерполирующими координатами (Л'и У):

ккх

Абсолютное значение максимальной ошибки положения салазок при отработке круговой интерполяции линейными интерполирующими координатами (А'и У):

лвг г V. V

тгК,.

\Куу

^01

(И)

ККГ

Уравнения (10) и (11) справедливы, если в процессе отработки круговой интерполяции не выполняется условие: Ук Бт(/) > 5400 мм/мин .

Анализ и моделирование возмущающих факторов в процессе отработки технологической операции автоматической смены инструмента позволили синтезировать алгоритмы перемещения руки механизма смены инструмента, при которых возмущающие воздействия от УАСИ не оказывают существенного влияния на эксплуатационную надёжность станка по точности.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, достигнутые в работе, заключаются в следующем:

1.На основании теоретического и экспериментального анализа конструкции обрабатывающего центра; САУ линейными интерполирующими координатами; физических процессов механической части линейных интерполирующих координат впервые была синтезирована модель формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка. Перспективными направлениями применения указанной модели, являются совершенствование механических узлов координатно-расточного станка и разработка принципиально-новых САУ интерполирующими координатами.

2. Разработана математическая модель формирования возмущающего воздействия от технологической операции автоматической смены инструмента.

3. Найдены критерии, на основании которых выбираются максимально-допустимые значения линейной скорости перемещения подвижно-

го узла линейной интерполирующей координаты 1, расстояния осцилляции, при отработке технологического процесса шлифования с осцилляцией шпиндельной бабкой. Указанные значения ограничены максимальной ошибкой положения подвижных органов формообразующих линейных интерполирующих координат (стола и салазок), которая не должна превышать ±2,5 мкм для класса точности С.

4. Найдены критерии, на основании которых выбираются значения углового ускорения серводвигателей подач и линейной скорости перемещения подвижных органов линейных интерполирующих координат для случаев отработки линейной и круговой видов интерполяций, при которых максимальная ошибка положения стола, салазок и шпиндельной бабки не превышает ±2,5 мкм.

5. Разработана САУ механизмом смены инструмента, позволяющая, при незначительном увеличении времени автоматичной смены инструмента, повысить эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра в среднем на 45% и безопасность обслуживающего персонала.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Повышение динамической точности положения инструмента в рабочем пространстве станка типа обрабатывающий центр // СТИН. -2009.-№10.-С. 13-16.

2. Анализ формирования погрешностей в положении инструмента координатно-расточного станка // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2008. - №2 (22). - С. 172-176.

3. Компенсация динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка типа «обрабатывающий центр» // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2009. - №1 (23).-С. 221-224.

4. Адаптивное обеспечение точности обрабатывающего центра 2440СМФ4 // 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. - 556 с.

5. Разработка алгоритма управления устройством автоматической смены инструмента обрабатывающего центра 2440СМФ4 // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23-25 мая. 4.11. - Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 60-63.

6. Система управления электроприводом механизма смены инструмента обрабатывающего центра. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник Национального технического ун-та «Харьковский политехнический институт». - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2008. - №30. - 646 с.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 15 от 22 ноября 2010 г.)

Тираж 100 экз. Заказ №93

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

Введение.

1*. Постановка проблемы. Цели и задачи исследования1.

1.1 Актуальность, применения- обрабатывающих центров в машино-строительномтфоизводстве.

1.2 Проблемы обеспечения» точности прецизионных многооперационных станков.

1.3 Общие сведения о назначении, конструкции ж принципа, действия обрабатывающего центра 2440СМФ4.

1.4 Цели.и задачи исследования.

2' Формирование погрешности прецизионного^ металлорежущего станкаш её структурирование.

211 Математическое моделирование электромеханических исполнительных,устройств как объектов управления.38»

2.Г.1 Представление линейной интерполирующей' координаты X как автономного сепаратного канала.

2.1.2 Представление линейно» интерполирующей координаты У как, автономного сепаратного канала.

2Л\3 Представление линейной интерполирующей: координаты 2 как автономного сепаратного канала.

2.2 Моделирование межканальных связей линейных интерполирующих координат.

2.2.1 Моделирование канала1 реакции линейной интерполирующей координаты Хна внешние силовые возмущающие воздействия.

2.2.2 Моделирование составляющих собственной помехи- линейной* интерполирующей координаты X.

2.2.3 Моделирование канала реакции линейной интерполирующей координаты У на внешние силовые возмущающие воздействия.

2.2.4 Моделирование составляющих собственной' помехи линейной интерполирующей координаты У.

2.2.5 Моделирование канала реакции линейной интерполирующей координаты 2на внешние возмущающие воздействия;.

2.2.6 Моделирование составляющих, собственной помехи линейной интерполирующей координаты^.9II

2.2.7 Модель формирования погрешности! положения« инструмента; в рабочемшространстве; станка.94

Выводышо главе:. —.—. . . .10 В

3 Моделирование процесса формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка. . —.103?

3.1 Моделирование линейных интерполирующих координат как автономных сепаратных каналов;.—.

3.1.1 Методика! расчёта, параметров автономного сепаратного канала линейнойшнтерполирующей координаты Ж.,.'. .103'

3.1.2 Методика расчёта параметров автономного сепаратного канала линейнойшнтерполирующей координаты ¥.--------------------------------------.110;

3.1.3 Методика расчёта1 параметров» автономного, сепаратного. канала линейнойшнтерполирующей координаты ^:. 1Ш

3.2 Модел 11р ование формирования, погрешности положения инструментов рабочем пространстве станка«.V.Г13

3:2.1 Моделирование взаимовлияния линейных: интерполирующих координат прш отработке линейной интерполяции.;.'.-.:.

3:2.2 Моделирование влияния на текущее положение рабочих органов линейных интерполирующих координат X, ¥ и Z внешнего динамического силового возмущающего воздействия:.

3.23 Моделирование формирования погрешности положения; инструмента1 в рабочем пространстве станка при технологическом процессе: шлифованиям осцилляцией: шпиндельношбабкой.136?

3.2.4 Влияние скоростной ошибки: наг точность отработки круговой интерполяции.:.

3.2.5 Моделирование формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при технологической операции автоматической смены инструмента.

Выводы по главе.

4 Критерии формирования траекторий' движения, подвижных органов формообразующих линейных интерполирующих координат X и Y для обеспечения' заданной погрешности? положения, инструмента в-рабочем\ пространстве станка и повышение эксплуатационной' надёжности, обрабатывающего центра.

4.1 Критерий формирования траекторий движения стола и салазок для» обеспечения' заданной погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при отработке линейной интерполяции.

4.2 Критерий формирования траекторий движения» стола и салазок для обеспечения заданной погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка при отработке круговой интерполяции.

4.3 Алгоритм управления САУ формообразующими линейными интерполирующими координатами X и Y при отработке линейной и круговой видов интерполяций.\. .-.180'

4.3.1 Алгоритм управления САУ формообразующими линейными интерполирующими координатами X и Y при отработке линейной интерполяции.

4.3.2 Алгоритм управления САУ формообразующими- линейными интерполирующими координатами X и Y при отработке круговой интерполяции.

4.4 Разработка алгоритма управления электроприводом механизма смены инструмента с целью повышения эксплуатационной надёжности обрабатывающего центра.185*

Выводы по главе.

Анализ работьъ и опыт эксплуатации прецизионных многооперационных станков- показывает, что по отношению к универсальным станкам их производительность. выше' в« среднем в 3-8 раз. Машинное' время, в сумме обработки составляет 60-70 % , а в, отдельных случаях 80% вместо 25-35% на универсальных станках, что способствует сокращению - производственного цикла обработки, а, следовательно, I приводит к высвобождению производственных площадей.

Реализуемые на подобных станках технологические процессы и операции (металлообработка, контрольные измерения) предъявляют высокие требованиям к точности позиционирования! рабочих органов; а также' к динамическим процессам, перемещения подвижных узлов? заключающиеся-в отсутствии* ударов^ в кинематических звеньях электропривода подачи при разгоне, торможении, позиционировании; монотонность позиционирования; обеспечение требуемых значений скоростной ошибки и ошибки* по ускорению при- одновременном обеспечении высоких скоростей перемещения подвижных-узлов.

Стремление к цели обеспечения^ требуемой точности« положениям инструмента в рабочем пространстве прецизионного? металлорежущего» станка, приводит к необходимости решения, целого ряда, сложных и взаимосвязанных проблем таких как: обеспечение динамики перемещения и позиционирования рабочих органов линейных интерполирующих координат; компенсация погрешностей от взаимовлияния интерполирующих координат; обеспечение требуемой жёсткости несущей системы станка (станина, стойка, механические- крепления- несущих элементов); компенсация^ разворота, т всплывания подвижных узлов- на направляющих; компенсация» температурных деформаций.

Значительный вклад в области повышения точности прецизионных координатно-расточных станков за счёт введения системы* автоматического1 управления (САУ) подвижными узлами и несущими элементами был внесён' такими учёными-как: Ж.С. Равва, К.В. Вотинов, В.А. Кудинов, Д.Н. Решетов, С.Я. Галицков, А.П. Соколовский, С.Я., В.Г. Болтянский, H.H. Красовский, F.M: Уланов, З.М. Левин. Вклад в, решение проблем по улучшению динамических характеристик станков внесён зарубежными» исследователями: Г. Шлезингером, Ф. Кенигсбергом, И. Тлусты.

Динамические погрешности имеют крайне сложную природу возникновения, и зачастую- носят случайный характер: В условиях работ по развитию» нанотехнологий этот вид погрешностей приобретает особое значение:

Предметом исследования является влияние динамики* 1 САУ линейными интерполирующими координатами и САУ устройством-автоматической смены инструмента (УАСИ) на точность положения инструмента в рабочем пространстве станка и эксплуатационную-надёжность по точности. Объектом исследования является формирование алгоритмов-управления траекториями' перемещений- подвижных органов, линейных интерполирующих координат и руки механизма смены инструмента^ которые обеспечивают требуемую величину динамической ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Цель настоящей работы:

Структурное представление процесса формирования динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка.

Разработка управляющих алгоритмов для САУ линейными интерполирующими координатами и УАСИ, которые обеспечивают заданную динамическую ошибку положения инструмента в рабочем пространстве и требуемую долговечность станка по точности.

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

1. Представление каждой линейной интерполирующей координаты (автономного сепаратного'канала) в виде математической модели, которая учитывает упруго-диссипативные процессы во- время перемещения, подвижного органа, реализует формирование собственной помехи линейной* интерполирующей координаты и реакцию подвижного органа-на внешние силовые возмущающие воздействия.

2Г. Представление УАСИ как источника возмущающих воздействий на подвижные органы.линейных интерполирующих координат^, Г, 2.

3. Моделирование формирования динамической погрешности положения инструмента в рабочем, пространстве станка от взаимовлияния* линейных интерполирующих координат и воздействия на последние УАСИ.

4. Разработка критериев формирования ошибки положения инструмента в рабочем пространстве станка от траекторию перемещения, подвижных узлов, формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой-видов интерполяций.

5. Разработка системы управления электроприводом механизма смены. инструмента, которая минимизирует возмущающие воздействия и повышает эксплуатационную надёжность станка.

Методы исследования: теоретические исследования, базируются на методах теории автоматического управления; 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:

Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления, о формировании статических и динамических погрешностей положения инструмента в рабочем пространстве станка; которые:определяют качество обработки деталей.

В- диссертации, получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Разработана- модель формирования- статической и динамической ошибки в воспроизведении заданной траектории движения инструмента, отличающаяся от известных, учётом взаимовлияния- САУ линейными интерполирующими координатами:

2. Впервые разработана модель формирования составляющей возмущающего воздействия от технологической операции автоматической, смены инструмента. Указанная^ модель позволяет синтезировать и оценить, эффективность САУ устройством- автоматической смены,' инструмента, обеспечивающей плавность перемещения, руки механизма смены инструмента и исключающей'механические нагрузки на элементы станка:

3'. Определены предельные- технологические параметры-обрабатывающего центра при реализации лезвийных и шлифовальных технологических операций, обеспечивающие заданную1 динамическую' ошибку положения инструмента в рабочем пространстве станка.

4. Впервые разработаны, критерии формирования ошибки положения^ инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий перемещения подвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих координат при отработке линейной и круговой видов интерполяций.

5. Разработаны, алгоритмы управления САУ линейными интерполирующими координатами и устройством автоматической смены инструмента, которые обеспечивают требуемую точность,, а также эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра: Указанные алгоритмы отличаются от известных учётом взаимовлияния линейных интерполирующих координат и УАСИ через несущие элементы обрабатывающего центра.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- создана, компьютерная модель, которая^ позволяет оценить влияние параметров.' САУ линейными, интерполирующими координатами станка, а также его конструкции на. точность воспроизведения * заданного' закона движения:

- определены технологические параметры для1 разработки САУ устройством автоматичной смены инструмента.

- результаты, работы использовались при разработке управляющих алгоритмов? обрабатывающим центром 2440СМФ4 на предприятии ЗАО4 «Стан-Самара» (Акт использования* в практике- инженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».)

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

- на обрабатывающем центре 2440СФ4, выпускаемомЕ ЗАО «Стан-Самара»;

- в технических проектах САУ одностоечных координатно-расточных t станков класса точности С.

Апробация работы. Основные положения и* результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Автоматизация»технологических процессов и производственный контроль» (г. Тольятти, 2006) [40], «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва^ 2007) [30], «Проблемы* автоматизированного электропривода»« (г.Харьков, 2008) [31].

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 3 из них — в журналах, рекомендованных ВАК РФ1 (журнал СТИН №10-2009, сборник^ серии «Технические науки», СамГТУ №2(22) - 2008), сборник серии «Технические науки», СамГТУ №1(23) - 2009), 3 публикации - в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

На защиту выносятся1 основные научные положения:,

1. Математические модели и структурное представление процесса-формированиям статической и динамической- погрешности положения* инструмента в рабочем- пространстве станка, при воспроизведении линейными интерполирующимикоординатами заданнойтраектории.

2. Математическая модель формирования возмущающего воздействия от технологической операции автоматической смены инструмента1.

3. Методика определения- предельных технологических параметров^ обрабатывающего центра при реализации, лезвийных и шлифовальных технологических операций, обеспечивающих заданную динамическую ошибку положения-инструмента в рабочем пространстве станка:

4. Критерии формирования ошибки положениям инструмента в рабочем пространстве станка от траекторий'перемещенияшодвижных узлов формообразующих линейных интерполирующих^ координат при? отработке линейной и круговой видов-интерполяций.

5. Алгоритмы- управления» САУ линейными, интерполирующими координатами и механизмом смены инструмента.

Структура и объём работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 52 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 206 страницах, диссертация содержит: 95 рисунков, 11 таблиц, 1 приложение, библиографический- список на, 6» страницах.

Выводы по главе

На базе проведённых исследований компьютерной многосвязанной модели формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка, которые описаны в п. 3.1-3.4, а также экспериментальных исследований (см. п. 2.1.1) были получены:

1. критерии формирования траекторий движения подвижных органов формообразующих линейных интерполирующих координат X и 7 с целью обеспечения заданной погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка для линейной и круговой видов интерполяций. Указанные критерии характеризуют качество управления подвижными органами линейных интерполирующих координат X, 7, X и позволяют синтезировать алгоритм выбора желаемых траекторий движения стола, салазок и шпиндельной бабки, при которых обеспечивается заявленный класс точности С; алгоритм управления электроприводом механизма смены инструмента. Данный алгоритм позволяет сформировать желаемую траекторию движения руки механизма смены инструмента, с целью повышения эксплуатационной надёжности обрабатывающего центра

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе решена крайне актуальная на сегодняшний день задача по выявлению и структурированию динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве одностоечного прецизионного координатно-расточного станка. Это дало возможность обеспечить заявленный класс точности С и повысить эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра 2440СМФ4 за счёт выбора соответствующих траекторий движения рабочих органов линейных интерполирующих координат и руки механизма автоматической смены инструмента.

Основные научные и практические результаты, достигнутые в работе, заключаются в следующем:

1. На основании теоретического и экспериментального анализа конструкции обрабатывающего центра; САУ линейными интерполирующими координатами; физических процессов механической части линейных интерполирующих координат была синтезирована модель формирования погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка. Перспективными направлениями применения указанной модели, являются совершенствование механических узлов координатно-расточного станка и разработка принципиально-новых САУ интерполирующими координатами.

2. Разработана методика синтеза математической модели канала реакции подвижного органа линейной интерполирующей координаты на внешнее силовое возмущающее воздействие.

3. Разработана методика синтеза генератора собственной помехи линейной интерполирующей координатой.

4. Найдены критерии, на основании которых выбираются значения углового ускорения серводвигателей подач и линейной скорости перемещения подвижных органов линейных интерполирующих координат для случаев отработки линейной и круговой видов интерполяций, при которых максимальная ошибка положения стола, салазок и шпиндельной бабки не превышает ± 2,5 мкм.

5. Найдены критерии, на основании которых выбираются максимально-допустимые значения линейной скорости перемещения подвижного узла линейной интерполирующей координаты Z, расстояния осцилляции, при отработке технологического процесса шлифования с осцилляцией шпиндельной бабкой. Указанные значения ограничены максимальной ошибкой положения подвижных органов формообразующих линейных интерполирующих координат (стола и салазок), которая не должна превышать ± 2,5 мкм для класса точности С.

6. Разработана САУ механизмом смены инструмента, позволяющая, при незначительном увеличении времени автоматичной смены инструмента, повысить эксплуатационную надёжность обрабатывающего центра в среднем на 45% и безопасность обслуживающего персонала.

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

1. Повышение динамической точности положения инструмента в рабочем пространстве станка типа обрабатывающий центр // СТИН. - 2009. -№10.-С. 13-16.

2. Анализ формирования погрешностей в положении инструмента координатно-расточного станка // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2008. - №2 (22). - С. 172-176.

3. Компенсация динамической погрешности положения инструмента в рабочем пространстве станка типа «обрабатывающий центр» // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». - 2009. - №1 (23). - С. 221-224.

Другие работы:

1. Адаптивное обеспечение точности обрабатывающего центра 2440СМФ4 // 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. - 556 с.

2. Разработка алгоритма управления устройством автоматической смены инструмента обрабатывающего центра 2440СМФ4 // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23-25 мая. 4.II. - Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 6063.

3. Система управления электроприводом механизма смены инструмента обрабатывающего центра. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник Национального технического ун-та «Харьковский политехнический институт». - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2008. - №30. - 646 с.

1. Алексеев В.В. Блоки систем векторного управления частотно-регулируемым приводом на микромодулях. JL: ЛДНТП, 1979, 28 с.

2. Башарин A.B., Голубев Ф.Н., Кепперман В.Г. Примеры расчетов и автоматизированного электропривода. Л., "Энергия", 1972. 440 е., с ил.

3. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука,1916.

4. Боровков, А. А. «Математическая статистика». М.: Наука, 1984.

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

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

7. Высоцкий В.Е., Зубков Ю.В., Тулупов П.В. Математическое моделирование и оптимальное проектирование вентильных электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 2007, - 340 с. - ISBN 975-5-283-03259-7

8. Галицков С.Я. Автоматическое управление несущими системами станков // Тез. докл. 3-й Всесоюзной научно-технической конференции «Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств» Тольятти, 1988. С.359-360.

9. Галицков С .Я. Исследование системы автоматического управления положением корпусных деталей станков с учётом многосвязанности объекта: Автореф. дис. канд. техн. наук. Куйбышев: КПтИ, 1975.

10. Галицков С.Я. Системы управления прецизионными станками и роботами. Самара: СамГТУ, 1993. 118 с.

11. И.Гмурман, В. Е. «Теория вероятностей и математическая статистика»: Учеб. пособие — 12-е изд., перераб.- М.: Высшее образование, 2006.-479 с.:ил (Основы наук).

12. Грачёв JI.H. Автоматизированные участки для точной размерной обработки деталей. / JI.H. Грачёв, Д.С. Гиндин. -М.: Машиностроение, 1981. -235 с.

13. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. JL: Наука, 1970.-187 с.

14. Дробкин Б. 3., Корзунов Е. А., Крутяков Е. А., Павлов П. А., Пронин М. В. Высоковольтные преобразователи частоты ОАО «Электросила» // Электротехника. 2003. № 5.

15. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник. Спб.: Питер,2002.

16. Дьяконов В.П. MATLAB6/6.1/6.5 + Simulink4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя М.: Солон-Пресс.- 2002. -768 с.

17. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. Серия «Библиотека профессионала». — М.: Солон-Пресс, 2005.

18. Дьяконов В.П., Круглов В.Н. MATL AB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. Спб.: Питер, 2002. -448с.

19. Жданович В.Ф. Комплексная механизация и автоматизация в механических цехах. / В.Ф. Жданович, Г.Б. Гай. М.: Машиностроение, 1976/ -288 с.

20. Захаренко А. Б., Семенчуков Г. А. Исследование синхронной электрической машины со скосом постоянных магнитов // Электротехника. -2007. № 2. - с. 59 - 65.

21. Зимин E.H., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1979. -318с., ил.

22. Иванов А.И., "Закономерности удара в механических системах", Природа, 1999, №10.

23. Козлов В.В. и др. Динамика управления роботами. М.: Наука, 1984.-336 с.

24. Колмогоров, А. Н. «Основные понятия теории вероятностей». М.: Наука, 1974.

25. Контрольное задание и методические указания по курсу "Преобразовательная техника" для студентов специальности 18.04.00 / Самар. гос. техн. ун-т. Сост. П.К. Кузнецов, В.И. Семавин. Самара, 1997. -24 с.

26. Кравцов П.Г. Идентификация и синтез системы автоматического корректирования положения подвижных узлов прецизионных станков: Автореф. дис. канд. техн. наук. Челябинск: ЧПИ, 1981.

27. Кудинов В.Л. Динамика станков. Л.: Машиностроение, 1967.359 с.

28. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер с англ.- М.: Машиностроение. -М.: Наука, 1976.

29. Лысов В.Е. Основы синтеза систем адаптивного обеспечения точности несущих элементов прецизионных станков: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара: СамПИ, 1991.

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

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

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

33. Методические указания к расчету и проектированию систем подчинённого регулирования электроприводов постоянного тока по курсу "Системы управления электроприводами" для студентов специальности 0628. / Сост. Рапопорт Э.Я. Куйбышев: КПтИ, 1985. -29с.

34. Мировое станкостроение 2007 // Инструмент Технология Оборудование. 2008. - №3. - С. 10-30.

35. Паспорт на преобразователи линейных перемещений СКБ ИС. -СПб., 2009.

36. Петров Б.А. Манипуляторы. Л.: Машиностроение, 1984, - 238 с.

37. Равва Ж.С. Новое в повышение точности станков. Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1974. 335 с.

38. Расчёт и конструирование направляющих качения с роликовыми опорами. М., ЭНИМС, 1974. - 47 с.

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

40. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/В .В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. Л.: Энергоатомиздат, 1987, 136 с.

41. Станки, современные технологии и инструмент для металлообработки электронный ресурс. — режим доступа: http ://www. stankoinform .ru/ stanki6 .htm

42. Станкоинструментальная отрасль России электронный ресурс. / Н.Рощина (Проммашинструмент. режим доступа: http://www.instmment.spb.ru/zurnals/23/zurnal 23Theme.shtml)

43. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей // Под ред. JI. Г. Мамиконянца. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984.

44. Теория автоматического управления. Линейные непрерывные системы. Учеб. пособие./К.Ш. Либерзон; Самар. гос. техн. ун-т; Самара 2003, 214с.

45. Теория автоматического управления. Основы линейной теории автоматического управления: Учеб. пособ./ В.Е. Лысое-, Самар. гос. техн. унт. Самара, 2001. 200с.

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

47. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 478 е.: ил. ISBN 5-06-001540-8

48. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования. М., "Энергия", 1973, 192с. с ил.

49. Чернин И.М. и др. Расчёты деталей машин/И.М. Чернин, А.В. Кузьмин, Г.М. Ицкович. 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа, 1978. - 472 е., ил.

50. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: "Мир", 1972. 383 е., с ил.

51. Klaus F. // Wirtshaftlichkeitsrechung als entschudungshilfe fur di machinencuswahe. Machinenmarkt-1983/-89 №8 -PI 14-117.

52. SIMODRIVE 611, MASTERDRIVES MC. AC Servomotors 1FK7. -Документация производителя по сервису 6SN1197-0AD06-0BP0, ф. Siemens, издание 01.2003.1. TTTÖшш\-штт

53. Станкостроительное акционерное общество