автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Структурное моделирование и синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке

На правах рукописи

Медведев Александр Сергеевич

СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ШЛИФОВАНИЯ НА КООРДИНАТНО-ШЛИФОВАЛЬНОМ СТАНКЕ

Специальность 05 Л 3.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□3472858

Самара - 2009

003472858

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: ГОУВПО Тольяттинский государственный

университет (г. Тольятти)

Защита диссертации состоится 26 июня 2009г. в 9 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217,03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Галактио-новская, д. 141, ауд. 28 ,6 корп. СамГТУ

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

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

Автореферат разослан -^мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке нового алгоритма управления процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальных станках, его моделированию и синтезу системы автоматического управления процессом шлифования.

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

Анализ существующих алгоритмов управления процессом тонкого шлифования показал на имеющийся резерв повышения производительности при обеспечении точности класса С для координатно-шлифовальных станков, заключающийся в автоматическом управлении процессом тонкого шлифования в продолжении всей технологической операции в функции тока высокоскоростного электрошпинделя.

Используя результаты фундаментальных исследований в области автоматизации процесса шлифования выполненных Михелькевичем В.Н., Решетовым А.И., Абакумовым А.М., Курганом В.П. и другими исследователями, удаюсь идентифицировать процесс тонкого шлифования, и на его

основе разработать новый алгоритм и систему автоматического управления упомянутым процессом, существенно повышающий производительность КИ1С (на 20-24%). На основании вышеизложенного следует, что работа является своевременной и актуальной.

Цель работы заключается в разработке нового алгоритма и системы автоматического управления процессом тонкого шлифования на прецизионных координатно-шлифовальных (КШС) станках, реализующих управление процессом на протяжении всей технологической операции и обеспечивающей существенное повышение производительности станка при заявленной точности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.

2) Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя.

3) Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования.

4) Исследование эффективности управления процессом тонкого шлифования при релейном изменении регулирующего воздействия.

Методы исследования: Решение поставленных задач основано на использовании методов математического моделирования, имитационного моделирования, системного анализа, теории автоматического управления, теории электропривода, разделов технологии машиностроения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса тонкого

координатно-шлифовальном станке с ЧПУ с учетом динамики исполнительного высокоскоростного электропривода шлифовального круга.

2. Разработан новый алгоритм управления процессом шлифования, позволяющий контролировать технологическую операцию и обеспечивающий повышение производительности при заявленной точности станка.

3. Проведён структурно-параметрический синтез системы автоматического управления тонкого шлифования для станка с ЧПУ.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Разработана инженерная методика синтеза, и реализована САУ процессом тонкого шлифования, позволяющая на основе нового алгоритма управления обеспечить повышенную производительность при заданных показателях качества обработки поверхности детали.

2. Рекомендована технологическая карта операции шлифования для разработки программного обеспечения, управляющего процессом тонкого шлифования для координатно-шлифовального станка с ЧПУ.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математических методов, результатами математического моделирования и экспериментальных исследований САУ на станке.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение в проектировании и разработке систем автоматического управления процессом тонкого шлифования на Самарском станкостроительном заводе «Стан-Самара».

Апробация результатов работы. Основные научные и практические исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на

1. Всероссийской научно-практической конфернции в г.Оренбург 2005г.

2. Международной, научно-технической конференции 23-25 мая. г,Тольятти: ТГУ, 2006

3. Всероссийской научно-практической конференции. Оренбург.ЮГУ, 2007

4. 13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. г.Москва 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 2 статьи в изданиях из Перечня рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 63 наименований, 1 приложения. Общий объем диссертации составляет 97 страниц, включая 56 рисунков, 1 таблицу.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Математическая модель и структурное представление процесса тонкого шлифования, совместно с высокоскоростным электрошпинделем, как объекта системы автоматического управления.

- Алгоритм управления процессом шлифования при стабилизации среднего значения усилия резания.

- Математическая модель и структурное представление системы автоматического управления процессом тонкого шлифования по новому алгоритму.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности разработки нового алгоритма и системы автоматического управления процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальных станках класса точности С. Сформулирована цель и определены задачи работы, изложена научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе дан обзор литературных данных по исследованию процесса тонкого шлифования, анализ особенностей технологической one-

рации, показывается необходимость минимизации упругих деформации в кинематической цепи подачи шлифовального круга, рассматриваются возможные варианты реализации и выбирается специально разработанное для этих целей устройство - шлифовальная головка рисунок 1.

Упомянутый узел, как инструмент, устанавливается в шпиндель КШС для реализации процесса шлифования (рисунок 2).

Процесс шлифования шлифовальной головкой (рисунок 1) осуществляется за счет следующих движений: При обработке шлифовальный круг совершает планетарное вращение от шпинделя станка через вал I, планшайбу 3, скреплённую с ней каретку 9, с эксцентрично закреплённым на ней электрошпинделем 12. При отключённом электродвигателе 13, кулак 5, установленный на валу I по ходовой посадке, получает синхронное вращение с планшайбой через внутреннее кольцо подшипника 10, сепаратор 4, внутреннее кольцо подшипника 11. Для врезания, электрошпиндель о шлифовальным кругом перемещается за счёт перемещения каретки 9 в

радиальном направлении относительно оси вала I по роликовым направляющим качения. Механическая подача (точная настройка) шлифовального круга осуществляется от кулака 5. Вращение от электродвигателя 13 через червячную передачу 1 - 2 передаётся на наружное кольцо подшипника 10, далее через сепаратор 4, внутреннее кольцо подшипника 11 и далее на кулак 5, взаимодействующий с кареткой посредством пружины 7.

От изменения направления вращения электродвигателя 13 происходит увеличение или уменьшение скорости вращения кулака относительно планшайбы и происходит поперечная подача каретки в ту или другую сторону.

Преобразователь угловых перемещений 14 через муфту 15 отслеживает положение (размеры) подачи шлифовального круга.

С использованием описанного приспособления процесс тонкого врезного шлифования для КШС при обработке внутренней поверхности кольца 2, закрепленного на столе 3 станка, показан на Рисунок2, на рисунке дополнительно обозначены К - круг, 1 - шпиндель станка. В шпиндель 1 устанавливается шпиндельная головка.

7

Рисунок 2

Процесс шлифования, совместно с электрошпинделем является объектом системы автоматического управления. Существующий алгоритм управления поперечной подачей для КШС с ЧПУ осуществлял периодическую подачу с помощью САУ приводом подачи М2 и смещает электрошпиндель М1 на величину 5-10 мкм, осуществляя врезание в металл заготовки. Глубина врезания определялась исходя из условия обеспечения без-прижоговой зоны в процессе шлифования. После прекращения искрения обработка продолжалась в течении 3-5 с и затем снова реализовывалась подача на указанную величину. Числовые значения подачи и времени выбирались из экспериментальных данных. Алгоритм гарантировал точность при любых помехах, ЧПУ выполняла функцию задающего сигнала. Контроля процесса не осуществлялось. Анализ алгоритма показал, что существует резерв возможности увеличения производительности за счет формирования более совершенной диаграммы, в которой необходимо исключить паузы, а ввести контроль за процессом в функции тока электродвигателя шлифовального круга и установить моменты их значений, при которых будет осуществляться подача шлифовального круга без прижегов.

На основании рассмотренного сформулированы задачи исследований:

1) Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, как объекта системы автоматического управления.

2) Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя, характеризующего качественные показатели процесса шлифования.

3) Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования.

4) Исследование эффективности управления процессом тонкого

шлифования при релейном изменении регулирующего воздействия.

Во второй главе решена задача идентификации процесса шлифования совместно с электродвигателем шлифовального круга, как объекта системы автоматического управления.

На основании аналитического описания процесса шлифования и уравнений движения электропривода шлифовального круга, представленных в виде уравнений:

Р

Р

(\-е~рт*\ к Ааык(р) = АРу(р)±-

Ртл- Р

Д Ру(р) ~ту Да (р)

К =К е'Хг

^ реж " режО^

Аау(р)^АРу(р)

<?Рсоф) =Мд(р)-Мш(р)

Кш К (Р) ~ со{р)\ = ^^ (1 + \р)

Л.„, К

В системе уравнений обозначено: Да(р), Дауф), Даш<(р) - съем металла, упругая деформация, износ шлифовального круга за 1 оборот планетарного вращения шпинделя соответственно, т - время одного оборота планетарного вращения шпинделя. ДРу(р) - усилие резания, КР.Ж - режуща? способность щ/т% X - коэффициент разный 0,05-0,15, "ч - время

шлифования, Ьу - коэффициент связи усилия резания с упругой деформацией, I - момент инерции двигателя подачи шлифовального круга, Мя(р), МсТ(р) - движущий и статический моменты двигателя шлифовального круга, Шо(р), ю(р) - частота задания и вращения двигателя шлифовального круга, Кш, Кщ- конструктивные коэффициенты двигателя шлифовального круга.

На рисунке 3 представлена структурная схема объекта управления. Входной величиной является Аазд(р) - величина задания съема припуска, выходной съем металла Да(р).

Рисунок 3

На рисунке к ранее введенным обозначениям добавлены Тя = —

И.

- электромагнитная постоянная времени двигателя, р - коэффициент передачи звена асинхронного двигателя.

Проведена оценка влияния вариации параметров объекта управления на динамические и статические показатели качества. Анализ проводился с помощью моделирования в среде МаЛаЬ 6.1. Для этого была разработана схема модели. Результаты моделирования представлены в таблице 1.

Таблица 1.

8СТ% 6% Л1 % АРУ %

Аш 0 0,6 94,3 96,6

ДХ 0 0,6 14,3 88

АКнк 1,86 0,6 0,5 3

Анализ данных в таблице 1 подтверждает необходимость присутствия в структуре объекта управления принятых звеньев, поскольку они существенно влияют на переходной процесс. Кроме того, здесь приводится обоснование о целесообразности управления процессом по току высокоскоростного электрошпинделя.

В третьей главе дано теоретическое обоснование алгоритма управления процессом тонкого шлифования с контролем тока высокоскоростного электрошпинделя, обеспечивающего автоматическое управление процессом шлифования в безприжеговой зоне и повышающего производительность технологической операции.

В предлагаемом алгоритме используется информация о токе высокоскоростного электрошпинделя, которая косвенно характеризует качество процесса управления. Переключение на подачу шлифовального круга выдавать не в момент, когда ток электродвигателя достигает уровня тока холо-

стого хода, а когда его значение спадет до 0,3-0,5 1„ при резании. Это практически обеспечивает непрерывную подачу шлифовального круга и диаграмма процесса представлена на Рисунке4.

Из рисунка 4 следует, что переключая подачу шлифовального круга с помощью реле РП управляемого от тока электродвигателя шпинделя, исключаем паузы и существенно повышаем производительность процесса.

Теоретической основой синтеза структуры управления процессом тонкого шлифования является теория систем подчиненного регулирования. Критерием является оптимальное быстродействие при линейной структуре системы и ограничение на прижег в ходе технологической операции. Однако классические настройки регулятора скорости в виде ПИ-регулятора не удовлетворяют требованиям обеспечения заданного максимального значения тока из условий прижега. Это объясняется периодической ступенчатой подачей Дазд(р), что приводит к резкому возрастанию контакта режущей кромки круга с обрабатываемой поверхностью. Инерционность кинематической цепи не позволяет обеспечить упомянутое значение.

На рисунках 6 и 7 показаны значения тока электрошпинделя и процесс отработки заданного припуска а. Значение тока превосходит допустимое в 3 раза.

Рисунок 6 Рисунок 7 Рисунок В

Учитывая, что процесс управления подачей шлифовального круга осуществлялся в функции тока высокоскоростного электрошпинделя с помощью релейного элемента с гистерезисом, то коррекцию регулятора скорости целесообразно провести методом компьютерного моделирования. Разработанная для этих целей модель показана на рисунке 5.

Было проведено пошаговое изменение коэффициента обратной связи в контуре тока в сторону увеличения. Это позволило снизить скорость подачи и увеличить быстродействие контура скорости. При Кос=0,9 (наилучшее значение) на рисунке 8 показано изменение упомянутого выше тока. Однако скачкообразное движение подачи приводит к перерегулированию 1525%. Для достижения требуемых значений тока переключения необходимо ввести задатчик интенсивности подачи Аа^р).

Рисунок 9

На рисунке 9 показана отработка тока двигателя и (рисунок 10) съем припуска а, полностью удовлетворяющих требованиям по качеству обработки изделий. Анализ полученных результатов показывает на то, что время процесса шлифования снизилось по сравнению с процессом по традиционному алгоритму в ~3 раза (с 75 до 25 с). Таким образом, становится очевидной эффективность предложенного алгоритма шлифования.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования как по определению передаточных функций звеньев системы, так и по исследованию эффективности нового алгоритма управления. Экспериментальные исследования вроводияись на стенде-станке модели 3284СФ4, оснащенной снс-

темой ЧПУ «Маяк-600» фирмы «Ижпрест». В качестве комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры использовался переносной компьютер, подключаемый к частотному преобразователю IJnidrive SP фирмы Control Techniques, который служит в станке для управления высокоскоростным электрошпинделем ШФВ24-48. Используется цифровой осциллограф CTScope, позволяющий получить необходимые графические зависимости, по которым определяются передаточные функции процесса шлифования, СА'У асинхронным двигателем шлифовального круга и др. На Рисунок! 1а,б показано рабочее пространство станка с приводом и цифровым осциллографом и электрошпиндель шлифовального круга, реализующий процесс шлифования.

Рисунок 11 а

Рисунок!16

На рисунке 12а,б показаны переходные характеристики АД ©=Щ) и 1=Яг), по которым определялась электромеханическая и электромагнитная постоянная времени и передаточные функции двигателя по управляющему воздействию.

Рисунок 12а

Рисунок 126

На рисунке 13 показан процесс отработки Дазд=5 мкм, который позволяет идентифицировать процесс шлифования в виде:

„. . . Аа,д(р) Кр

■пш\Р) ® —--=-• что подтверждает теоретические исследова-

АРу(р) Тр + 1

шш.

На рисунке 14 показан процесс изменения тока АД при традиционном алгоритме управления, а на рисунке 15 при новом алгоритме. Анализ показывает на качественное совпадение процесса шлифования с теоретически обоснованным и смоделированным. Однако здесь разница во времени составляет 50%, т.е. несколько меньше, чем при моделировании. Разница объясняется недостаточной жесткостью реальной кинематической цепи.

Рисунок 14

Рисунок 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку нового алгоритма управления и синтеза системы автоматического управления процессом тонкого шлифования, решающих задачу повышения производительности технологической операции и координатно-шлифовального станка в целом при заявленной точности класса С, можно сформулировать следующие выводы:

1. Проведен анализ существующих устройств поперечной подачи шлифовального круга при врезном шлифовании и на основе шлифовальной головки реализован процесс тонкого шлифования.

2. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, ток которого позволяет реализовать постоянный контроль технологической операции.

3. Разработан новый алгоритм управления процессом шлифования, поддерживающий на предельно допустимом из условий нагрева ре-

жим резания и обеспечивающий высокую производительность самой операции и станка в целом.

4. На основании теории СПР синтезирована система автоматического управления процессом шлифования, обеспечивающая требуемые показатели качества управления.

5. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 32К84СФ4, которые показали эффективность представленного алгоритма.

6. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом тонкого шлифования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Медведев A.C. Идентификация процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/А.С. Медведев, В.Е. Лы-сов.//СТИН.-2009. -№3 ,-С.31 -34.

2. Медведев A.C. Разработка САУ процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/А.С. Медведев//Вестник СамГТУ.№2(20)-2007. С. 147-152

3. Медведев A.C. Математическая модель и компьютерное моделирование процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/А.С. Медведев, В.Е. Лысов/УКомпьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии./ Сборник статей всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург, ИПК ОГУ, 2007- С.244-251

4. Медведев A.C. Разработка алгоритма управления процессом прецизионного шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текет]// Медведев A.C., Лысов В.Е.//Радиоэлектроняка, электротехника я энергетика: сборник тезисов докладов 13 международной

научно-технической конференции студентов и аспирантов-Москва,2007.-С.210-214.

5. Медведев A.C. Структурный синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/Медведев А.С.,Лысов В.Е.//Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сборник статей Международной научно-технической конференции. - Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 24-26.

6. Медведев A.C. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст] / Медведев A.C., Лысов В.Е., Захаров С.И. // Компьютерная интеграция производства и ИПИ (CALS) технологии / Сборник статей всероссийской научно-практической конференции. -Оренбург.: ИПК ОГУ, 2005. - С. 174-179.

7. Медведев A.C. Реновация прецизионных станков - научно-техническое направление в развитии станкостроения[Текст]/ Медведев A.C., Захаров С.И.//24-Я Межвузовская научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательской работы студентов в 2004 году, посвященная 75 летию СГАСУ/СГАСУ- Самара, 2005.

8. Медведев A.C. Синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС) [Текст]/ Медведев A.C.// Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды: тезисы докладов 23-й студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов за 2003г./ СГАСУ. Самара, 2004. - С. 135-136.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 2 от 14 мая 2009 г.)

Заказ № 397 Тираж 100 экз.

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

Введение.

1 Современное состояние проблемы управления процессом прецизионного шлифования и постановка задачи исследования.

1.1 Технологические основы прецизионного шлифования.

1.1.1 Автономный электропривод подачи шлифовального круга.

1.1.2 Электропривод подачи шлифовального круга с помощью синхронной пары .:.

1.1.3 Электропривод подачи шлифовального круга путем доворота с помощью шлифовальной головки.

1.2 Управление процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальных станках.

1.3 Постановка задачи исследования.

2 Идентификация процесса тонкого врезного шлифования.

2.1 Математическая модель и структурное представления операции тонкого шлифования.;.

2.2 Математическая модель и структурное представление асинхронного электродвигателя шлифовального круга.

2.3 Структурная схема процесса тонкого шлифования как объект системы автоматического управления им.

2.4 Анализ влияния режущей способности круга на динамику процесса тонкого шлифования.

2.5 Аппроксимация аналитического описания процесса шлифования.

2.6 Алгоритмизация процесса шлифования.

2.7 Оценка влияния вариации параметров объекта управления на динамические и статические показатели качества.

3 Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом тонкого шлифования.

3.1 Структурный синтез САУ обеспечения точности тонкого шлифования.

3.2.1 Параметрический синтез регуляторов скорости и положения САУ подачи шлифовального круга.

3.2.2 Параметрический синтез регулятора скорости САУ высокоскоростного электрошпинделя.

3.2.3 Структурное моделирование систем автоматического управления процессом шлифования при предварительной настройке регуляторов и анализ показателей качества управления.

3.3 Параметрический синтез регулятора скорости и задатчика интенсивности из условий обеспечения граничных условий процесса шлифования.

4 Экспериментальные исследования системы автоматического управления процессом тонкого шлифования.

4.1 Определение передаточной функции двигателя электрошпинделя.

4.2 Определение передаточной функции двигателя по возмущению.

4.3 Определение передаточной функции процесса шлифования.

4.4 Определения эффективности нового алгоритма.

Станкоинструментальная промышленность относится к числу базовых отраслей промышленности России. Поскольку станкоинструментальная промышленность является одной из важнейших фондообразующих отраслей, техническое состояние этой отрасли во многом определяет уровень развития экономики страны. Однако неблагоприятные экономические условия в 90-х гг. существенно снизили спрос на отечественную продукцию и придали сырьевую направленность промышленной политике. Это способствовало застою в станкостроении. В 2005 году Россия произвела 6,3 тыс. единиц металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования, что в 16 раз меньше, чем РСФСР (101,5 тыс. ед.). В то же время, и особенно с 2002 года существенно растёт производство станков в ведущих странах мира: Япония -10521ед. - 88% станков, рост 33.4%; Германия - 921 бед.- 72.5% станков, рост 19.1%; Италия - 4639ед. -55% станков, рост 11.6% (данные 2004г.) [1]. Эти данные указывают на утраченные лидирующие позиции России.

Однако, начиная с 2005 года, ставится задача возрождения станкостроения как отрасли «фондообразующей для всего машиностроения» [2] и выдвигается государством как основная задача развития экономики. Актуальность решения проблем станкостроения активизирует научную деятельность этой сферы и в частности определяет ориентацию развития станкостроения.

Весьма важным здесь является оценка износа оборудования: по его функциональному износу, который включает технологический износ и делает ненужным станок в результате появления на рынке новых прогрессивных технологий, и моральный износ вследствие развития и удешевления производства станка из-за изменений конструкции. В этой связи процесс актуальных исследований в области развития машиностроения и станкостроения можно представить в виде, показанном на рисунке В1.

Рисунок B.l

Спрос на рынке нового оборудования, в основном, крупными предприятиями по государственному заказу или заказу естественных монополий. Эти предприятия выступают и в качестве основных потребителей высокопроизводительного импортного оборудования. Основная группа машиностроительных предприятий не имеет таких средств, и удовлетворяются за счет закупок недорогого массового универсального металлообрабатывающего оборудования, для чего активно используется вторичный рынок. На этом рынке решающую роль играет модернизация существующих конструкций станков, отвечающих функциональному назначению и не испытывающего морального износа как по конструкции, так и потенциальным возможностям ведения технологического процесса. К таким станкам относятся одностоечные координатно-шлифовальные станки, например 3284СФ4. Основными тенденциями в модернизации являются:

1) Оснащение станка современной системой ЧПУ.

2) Оснащение станка современными цифровыми электроприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей с частотным управлением.

3) Обеспечение повышения производительности труда и точности за счёт внедрения передовых алгоритмов управления.

4) Повышения гибкости и универсальности станков, концентрации в одном станке возможностей реализации большего числа технологических операций.

Вопросам исследования процесса шлифования посвящается ряд работ выполненных для целей подшипниковой промышленности. К их числу относятся работы Грановского Г.И., Грановского В.Г. [4], Тараненко В.А., Митрофанова В.Г. [5], Михелькевича В.Н. [6], Кургана В.П., Абакумова A.M. [7], Ре-шетова А.И. Однако ими были разработаны системы управления процессом шлифования, работающих по циклу черновое, чистовое, шлифование и выхаживание. Для целей тонкого шлифования отсутствуют этапы чернового, чистового шлифования и несколько модифицирована процедура выхаживания.

Выполняемая работа посвящена глубокой модернизации координатно-шлифовальных станков с ЧПУ, обеспечивающих точность класса С (1-2мкм.) и чистоту поверхности 0.16-0.32 мкм.

Диссертационная работа выполняется в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения», а

5 также программы Министерства Образования Российской Федерации «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки и контроля».

Предметом исследования данной работы является повышение производительности и качества обработки деталей на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ.

Цель настоящей работы заключается в разработке нового алгоритма и системы автоматического управления процессом шлифования на прецизионных координатно-шлифовальных станках, реализующего управление процессом на протяжении всей технологической операции и обеспечивающего существенное повышение производительности станка при заявленной точности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.

2) Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя.

3) Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования.

4) Исследование эффективности управления процессом тонкого шлифования при релейном изменении регулирующего воздействия.

Методы исследования: Решение поставленных задач основано на использовании методов математического моделирования, имитационного моделирования, системного анализа, теории автоматического управления, теории электропривода, разделов технологии машиностроения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования деталей на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ как объекта системы автоматического управления.

2. Разработан алгоритм управления процессом шлифования, позволяющий контролировать технологическую операцию и обеспечивающий повышение производительности при заявленной точности станка.

3. Проведён структурно-параметрический синтез системы автоматического управления тонкого шлифования для станка с ЧПУ.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1) Разработана инженерная методика синтеза, и реализована САУ процессом тонкого шлифования, позволяющая на основе нового алгоритма управления обеспечить повышенную производительность и качественные показатели шероховатости поверхности.

2) Рекомендована технологическая карта операции шлифования для разработки программного обеспечения, управляющего процессом тонкого шлифования для координатно-шлифовального станка с ЧПУ.

Результаты исследований внедрены на ЗАО «Стан-Самара» в виде системы управления реализующей технологическую операцию тонкого шлифования цилиндрических колец из стали.

Основные положения и результаты данной работы докладывались на:

1. Всероссийской научно-практической конференции в г.Оренбург 2005 г.

2. Международной. научно-технической конференции 23-25 мая. г.Тольятти: ТГУ, 2006

3. Всероссийской научно—практической конференции. Оренбург.ЮГУ, 2007г.

4. 13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. г.Москва 2007г.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 2 статьи в изданиях, утвержденных ВАК.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения.

В первой главе дан обзор литературных данных по процессу шлифования, и подчеркивается особенность и проблема тонкого шлифования, которая по существу сводится к управлению процессом выхаживания. Показано, что для этих целей необходимо разработать специальную кинематическую цепь подачи шлифовального круга, минимизирующую статические и динамические деформации, имеющую компактную конструкцию и обладающую высокой надежностью. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе диссертации приводится аналитическая идентификация процесса шлифования. На его основе синтезируется структурная схема объекта управления. Методом компьютерного моделирования доказывается необходимость учета в структуре объекта управления режущей способности круга, а также неучета тшк в силу малости этой величины при частотах вращения круга от 12000 до 96000 об/мин. Кроме того, предлагается упрощенная модель процесса для качественной оценки работоспособности системы.

В третьей главе автор показывает, что теоретической основой синтеза системы автоматического управления целесообразно принять теорию систем подчиненного регулирования. Показывается, что в данной системе для привода подачи шлифовального круга используется САУ — с контуром стабилизации скорости и положения. В диссертации доказывается необходимость замыкания системы третьим контуром — по току электрошпинделя, который косвенно обеспечивает заданные требования по качеству обрабатываемой поверхности и существенно повышает производительность технологической операции шлифования. Кроме того, здесь же отмечается, что классическая настройка контура скорости на технический оптимум не обеспечивает требуемые показатели качества управления. Методом компьютерного моделирования находится требуемый коэффициент обратной связи в контуре скорости, позволяющий приблизиться к границам тока переключения реле, и для окончательного установления заданных значений упомянутых токов вводится задатчик интенсивности при подаче Аа31).

В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования. В качестве экспериментальной установки используется серийный координатно-шлифовальный станок, оснащенный современной системой автоматического управления «Маяк-600» фирмы «Ижпрест». На станке установлен комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры, позволяющий получить передаточные функции процесса шлифования, САУ асинхронным двигателем шлифовального круга, САУ подачи шлифовального круга, а также параметры звеньев САУ: жесткость узлов, моментов инерции.

Результаты экспериментов по шлифованию традиционным алгоритмом и предложенным в диссертации показали, что предложенное решение на 20-24% повышает производительность процесса при заявленном качестве обработки деталей.

На защиту выносятся следующие положения:

- Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.

- Разработка алгоритма управления процессом шлифования при стабилизации среднего значения усилия резания.

- Синтез системы автоматического управления процессом тонкого шлифования по новому алгоритму.

Выводы по главе:

1. Экспериментальные исследования проведены на стенде-станке модели 3284СФ4 оснащенного системой ЧПУ.

2. В качестве комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры использовался переносной компьютер, который подключался напрямую к частотным преобразователям электроприводов станка. Информация выводилась в виде осциллограмм на цифровой осциллограф.

3. Экспериментально подтверждены передаточные функции процесса тонкого шлифования, передаточная функция АД шлифовального круга.

4. Экспериментально подтверждена эффективность нового алгоритма управления, позволяющая повысить производительность станка на 20-24%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку нового алгоритма управления и синтеза системы автоматического управления процессом тонкого шлифования, решающих задачу повышения производительности, технологической операции и координатно-шлифовального станка в целом при заявленной точности класса С, можно сформулировать следующие выводы:

1. Проведен анализ существующих устройств поперечной подачи шлифовального круга при врезном шлифовании и на основе шлифовальной головки реализован процесс тонкого шлифования.

2. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, ток которого позволяет реализовать постоянный контроль технологической операции.

3. Разработан новый алгоритм управления процессом шлифования, поддерживающий на предельно допустимом из условий нагрева режим резания и обеспечивающий высокую производительность самой операции и станка в целом.

4. На основании теории СПР синтезирована система автоматического управления процессом шлифования, обеспечивающая требуемые показатели качества управления.

5. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 32К84СФ4, которые показали эффективность представленного алгоритма.

6. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом тонкого шлифования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС). В сб.: Студенческая наука.

Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды. Тезисы докладов 23-й студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов за 2003г./ СГАСУ. Самара, 2004.-С. 135-136.

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

3. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (CALS) технологии./ Сборник статей всероссийской научно-практической конференции. — Оренбург.: ИПК ОГУ, 2005.-С. 174-179.

4. Структурный синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Международная научно-техническая конференция 23-25 мая. 4.II. - Тольятти: ТГУ, 2006. - С. 24-26.

5. Математическая модель и компьютерное моделирование процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии./ Сборник статей всероссийской научно-практической конференции. — Оренбург.: ИПК ОГУ, 2007- С.244-251

6. Разработка алгоритма управления процессом прецизионного шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика./ Сборник тезисов докладов 13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов.

7. Разработка САУ процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Вестник СамГТУ.№2(20)-2007. Научный журнал. - ГОУ ВПО «СамГТУ» С. 147-152

8. Идентификация процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: СТИН.№03-2009 Научно-технический журнал.С.31-34

1. ИТО (Инструмент. Технология. Оборудование.) №3, 2008, 82с.

2. Мануров Д. Перспектива развития станкостроения. Промышленная политика. 22-29с.3. СТИН№ 03.2009, 40с.

3. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа. 1985. 304с.

4. Тараненко В.А., Митрофанов В.Г., Косов М.Г. Технологические способы и средства повышения точности обработки нежестких деталей. Обзор информации. М.: ВНИИГЭМР. 1987. 64с.

5. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. М.: ■ Машиностроение. 1975. 304с.

6. Абакумов A.M., Курган В.П., Михелькевич В.Н. Идентификация технологических процессов механической обработки на металлорежущих станках. Учебное пособие. Самара. 1991. 117с.

7. Решетов А.Г. Автоматизация шлифования и размерного контроля деталей. Тольятти, издательство фонда «Развитие через образование», 2003. 270с.

8. Теория автоматического управления (Под ред. Чл-кор АНСССР Ю.М. СоломенцеваМ.: Машиностроение. 1992. 272с.

9. Теория автоматического регулирования. Кн. 1, 2, 3 / Под ред. В.В. Со-лодовникова М.: Машиностроение, 1967.

10. П.Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. Кн. 1. М.: Машиностроение, 1982. 239с.

11. Ключев В.И. Теория электропривода. М. 2001. 324с.

12. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых электроприводах. Чебоксары, 1998, 250с.

13. Н.Гультяев А.К. Matlab 5.2 Имитационное моделирование в среде Windows. СПб. Техническая книга, 1999. 287с.

14. Современные методы проектирования систем автоматического управления // Под ред. Б.П. Петрова, В.В. Солодовникова, Ю.И. Топчеева. М.: Машиностроение, 1967.

15. Казанцев B.C. Задачи классификации и их программное обеспечение (пакет Квазар). М.: Наука, 1990. 75с.

16. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение 1984.

17. Лысов В.Е. Теория автоматического управления. Основы линейной теории автоматического управления. Самара 2001г. 200с.

18. Регулирование координат электропривода : Учеб. пособие для вузов. / В.И. Ключев; МЭИ, М.: 1979. 90с.

19. Математические основы теории автоматического управления : Учеб. пособ. для вузов // Под ред. Б.К. Чемоданова. М.: Высшая школа, 1977. 356с.

20. Теория автоматического управления Учеб. [С.Е. Душин, А.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др.]; Под ред. В.Б.Яковлева. М.: Высшая школа. 2005. -567с.

21. Теория автоматического управления. Специальные методы анализа линейных систем: Учебн. пособие для вузов // В.Е. Лысов, Самара, 1999, 151с.

22. Рапопорт Э.Я. Системы подчинённого регулирования электропривода постоянного тока.; Конспект лекций. Куйбыш. авиац. инс-т. Куйбышев.: 1985. 56с.

23. Вавилов А.А. Частотные метолы расчёта нелинейных систем. —Л.: Энергия, 1970. -324с.

24. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. -М.: Наука, 1979. -256с.

25. Иосифьян А.Г., Каган Б.М. Основы следящего привода. M.JL: Госэнер-гоиздат, 1954. -596с.

26. Летов A.M. Математическая теория процессов управления. М.: Наука, 1981,255с.

27. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1978. 735с.

28. Д. Сю, А. Мейер Современная теория автоматического управления и её применение / Перевод с анг. Бочковой B.C. и др. Под ред. Ю.И. Тончее-ва. М.: Машиностроение 1972. 551с.

29. Кузин Л.Г. Расчёт и проектирование дискретных систем управления. М.: Машгиз, 1962. 683с.

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

31. Разработка САУ процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Вестник СамГТУ.№2(20)-2007. Научный журнал. -ГОУ ВПО «СамГТУ» С.147-152

32. Идентификация процесса тонкого шлифования на координатног шлифовальном станке. В сб.: СТИН.№03-2009 Научно-технический журнал.С.31-34

33. Федоров С.М., Литвинов А.П. Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами. М-Д.: Энергия, 1965. 223с.

34. Николаев Ю.А., Петухов В.П., Феликсов Г.И., Чемоданов Б.К. Динамика цифровых следящих систем. М.: Энергия, 1970. 510с.

35. Анализ и синтез цифровых систем управления промышленными установками: Учеб. пособ. // В.Е. Лысов ; Самар. гос. техн. ун-т, 1992. 95с.

36. Машинный анализ и синтез САУ в пространстве состояний: Учеб: пособ. для вузов // Г.С. Чхартишвили, И.В. Починок МЭИ. М., 1989, 65с.

37. Тимофеев А.В., Юсупов P.M. Интеллектуализация систем автоматического управления // Техническая кибернетика. 1994, №5.

38. Захаров В.Н., Ульянов С.В. Нечёткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления // Техническая кибернетика. 1992, №5. /

39. Алиев Р.А., Кязимов М.М. Интеллектуальная система управления процессом определения натяга резьбы трубы // Автоматизация и современные технологии. 1999, №9.

40. Городецкий А.Е., Ерофеев А.А. Принципы построения интеллектуальных систем управления подвижными объектами // Автоматика и телемеханика. 1997. №9.

41. Искусственный интеллект. Применение в интегрированных производственных системах / Под ред. Э. Кьюссака; Пер. с анг. А.П. Фомина; Под ред. А.И. Дащенко, Е.В. Левнера. М.: Машиностроение. 1991.

42. Дальский A.M., Кулешова З.Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении. Машиностроение, 1988.

43. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение 1984.

44. Миров М.В. Исследование и оптимизация многосвязанных систем управления. М.: Наука 1986.

45. Воронов А.А. Введение в динамику сложных управляемых систем. М.: Наука 1985.

46. Уланов Г.М. Динамическая точность и компенсация возмущений в системах автоматического управления. М.: Машиностроение, 1971.

47. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соло-менцев. В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов и др. М.: Машиностроение, 1980.

48. Пальтов И.П. Нелинейные методы исследования автоматических систем. Л.: Энергия, 1976. 128с.

49. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. 720с.

50. Попков Ю.С. Следящие системы. М.: Высш. школа, 1963. 301с.

51. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. JL: Энергоиздат, 1982. 392с.

52. Фишбейн В.Г. Расчёт систем подчинённого регулирования вентильного электропривода постоянного тока. М.: Энергия, 1972. 136с.

53. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1973. 870с.

54. Динамика цифровых следящих систем. / Под ред. Б.К. Чемоданова. М.: Энергия, 1970. 496с.

55. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. Кн. 1. М.: Машиностроение, 1982. 239с.

56. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. 41. М.: Энергия 1965. 396с.

57. Миров М.В., Фиаков В.Г. Теория автоматического регулирования и авторегуляторы. М. 1963.