Ситема автоматического управления динамической разгрузкой шпиндельного узла многооперационного координатно-расточного станка
Скачать 170.62 Kb.
|
На правах рукописи Захаров Сергей Игоревич СИТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКОЙ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА МНОГООПЕРАЦИОННОГО КООРДИНАТНО-РАСТОЧНОГО СТАНКА Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Самара - 2009 Работа выполнена на кафедре «Электропривод и промышленная автоматика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет». Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лысов Владимир Ефимович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лившиц Михаил Юрьевич кандидат технических наук, доцент Масляницын Александр Петрович Ведущая организация: ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (г. Оренбург) Защита диссертации состоится «24» декабря 2009 г. в 11 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, д. 141, ауд. 28, 6 корп. СамГТУ. Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.03; факс: (846) 278-44-00. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18). Автореферат разослан __ ноября 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Губанов Н.Г. Д 212.217.03 Общая характеристика работы Диссертационная работа посвящена разработке системы автоматического управления движением и позиционированием шпиндельной бабки (ШБ) одностоечного координатно-расточного станка, перемещающейся на вертикальных направляющих, при её динамической разгрузке. Это позволяет расширить технологические возможности станка, повысить его производительность и заявленные показатели качества обработки детали. Актуальность темы. Станкоинструментальная промышленность относится к числу базовых отраслей промышленности России и во многом определяет уровень развития страны. Неблагоприятные экономические условия в 90-х гг. существенно снизили спрос на отечественную продукцию и затормозили развитие отрасли. Однако современное состояние экономики требовало возрождения станкостроения, обновления и глубокой модернизации станочного парка, в том числе и прецизионных станков. Создание новых инструментов, новых материалов потребовали разработки новых или глубокой модернизации существующих станков, обеспечивающих заявленную точность и высокую производительность, которые соответствуют международным стандартам. Работа выполнена в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения». Предметом исследования данной работы является движение, позиционирование ШБ на вертикальных направляющих. Объектом исследования является процесс динамической разгрузки ШБ при гармоническом задающем сигнале с переменной частотой в заданном диапазоне. Цель настоящей работы заключается в разработке САУ динамической разгрузкой шпиндельной бабки координатно-расточного станка, позволяющей реализовать систему осцилляцией ШБ в заданном диапазоне частот и осуществить технологическую операцию тонкого шлифования. Это дает возможность расширить технологические возможности станка, повысить его производительность и точность обработки. Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи:
Методы исследования: теоретические исследования базируются на методах классической механики, линейной алгебры, теорий вероятности и математической статистики. Вопросы анализа и синтеза систем управления решались методами дифференциального и интегрального исчисления, компьютерного моделирования, численными методами. Метод экспериментального исследования на стенде-станке использовался для получения исходных данных, проведения и уточнения результатов теоретического анализа. Научная новизна работы заключается в следующем:
Практическая ценность работы состоит в следующем: На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета взаимосвязанных САУ движением и позиционированием шпиндельной бабки и её динамической разгрузки, обеспечивающих точность воспроизведения движения ШБ на вертикальных направляющих многооперационного координатно-расточного станка, что позволяет на этапе проектирования создавать современные САУ прецизионными металлорежущими станками. (Акт использования в практике инженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».) Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены: – на станке 2440СФ4, выпускаемом ЗАО «Стан-Самара» – в технических проектах САУ разгрузкой для КРС класса точности С. Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 1. Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии», г. Оренбург, 2005. 2. Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», г. Тольятти, 2006. 3. 13-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2007. 4. Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода», г. Харьков, 2008. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 из них – в журналах, рекомендованных ВАК РФ (журнал СТИН №11-2008 и сборник серии «Технические науки», СамГТУ №2(22) – 2008), 7 публикаций – в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций. На защиту выносятся основные научные положения:
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 113 страницах, диссертация содержит: 53 рисунка, 2 таблицы, 1 приложение, библиографический список на 6 страницах. СОДЕРЖАНИЕ работы Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется её цель и задачи исследований. Приводятся методы исследования и защищаемые научные результаты. Определяется практическая ценность полученных результатов. В первой главе работы осуществляется анализ и описание факторов, влияющих на точность координатно-расточных станков, и рассмотрение методов её повышения, также приводится схема формирования погрешностей. Рассматривается устройство шпиндельной бабки координатно-расточного станка, описывается система её статической разгрузки. Прецизионные координатно-расточные станки должны обладать высокой степенью точности и производительности. Обеспечение точности представляет собой целый комплекс конструкторских, технологических и эксплуатационных задач. Их эффективное решение позволяет на стадии проектирования прогнозировать, а при эксплуатации – поддерживать точностные характеристики станков. В станкостроении накоплен существенный опыт в оценке точности технологического оборудования и в разработке эффективных путей ее повышения. Значительный вклад в станкостроение внесли отечественные и зарубежные ученые: В.Л. Вейц, В.Э. Пуш, В.А. Кудинов, Б.М. Базров, Б.М. Бржозовский, А.М. Дальский, М.Г Косов, Д.Н. Решетов, Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, В.А. Кудинов, Ж.С. Равва. В области управления: В.Г. Митрофанов, Ю.М. Соломенцев, Б.С. Балакшин. В области цифрового управления: В.А. Бесекерский, О.П. Михайлов, Б.К.Чемоданов. Одним из наиболее перспективных методов повышения и поддержания точности станков является оснащение их специальными системами автоматического управления, позволяющими управлять различными элементами технологических систем станков, существенно повышая их точностные показатели и обеспечивая высокую производительность. При обработке заготовок их массы, а также наличие подвижных узлов в станках приводят к возникновению деформации несущих систем. Особенно это относится к ШБ прецизионных координатно-расточных станков при выполнении технологической операции тонкого шлифования путем осцилляции ШБ. Этим обусловливается снижение геометрической точности в положении инструмента относительно детали в рабочем пространстве станка. Во второй главе приведены аналитические исследования влияния силовых деформаций от перемещения ШБ на вертикальных направляющих при лезвийной обработке на точность станка. При построении математической модели использовалась расчетная модель интерполирующей координаты Z при статической разгрузке, показанной на рисунке 1. Данная модель описывается системой уравнений в операторном виде:            Рисунок 1          .На рисунке 1 обозначено: JДВ – момент инерции исполнительного электродвигателя; JВ – момент инерции шарико-винтовой пары (ШВП); m1, m2 – масса ШБ и противовеса, G1, G2 – вес ШБ и противовеса,  – сила трения в направляющих скольжения. Упруго-диссипативные элементы C1,D1; C4,D4; C5,D5 моделируют осевую жесткость и рассеяние энергии кинематических звеньев исполнительного механизма: троса, ходового винта и подшипника со стыками, соответственно, а элементы C2,D2 и C3,D3 – крутильную жесткость и демпфирование соединительной муфты и ходового винта. Параметры расчетной схемы C1,C4,C5 могут быть определены как аналитически, так и экспериментально. C1,C4 – коэффициент жесткости троса и осевая жесткость ходового винта, величины которых приводятся в техническом паспорте применительно к электроприводу подачи шпиндельной бабки 2440СФ4. Величина крутильной жёсткости  практически не изменяется во всём диапазоне рабочих нагрузок. Крутильная жёсткость C3 ходового винта зависит от длины его рабочего участка, который определяется расстоянием от соединительной муфты до гайки, и может быть найдена по соотношению  , где dХВ , GХВ – диаметр и модуль сдвига материала винта, lР – длина рабочего участка ходового винта, определяемого расстоянием от соединительной муфты до гайки. Осевая жёсткость C5 упорного подшипника со стыками может быть определена из соотношения  , где N0 – усилие, действующее на подшипник и стыки, zШ, dШ – количество и диаметр шариков упорного подшипника, K1 – безразмерный коэффициент, зависящий от геометрии поверхностей стыков и свойств материалов, dН,dВ – наружный и внутренний диаметры подшипника.Коэффициент демпфирования i-того элемента расчётной схемы, испытывающего крутильные деформации, определяется по выражению  . Здесь  – коэффициент относительного рассеяния энергии в i-том элементе, Ci – коэффициент жесткости i-того элемента, JПР i – момент инерции нагрузки и кинематических звеньев привода, приведённый к i-тому элементу. Переход от вращательно движения к поступательному учтен в расчетной модели коэффициентом передачи «винт – гайка»  Соответственно для звеньев, испытывающих деформации растяжения или сжатия,  .Применительно к рассматриваемой схеме  ,  , ,  ,  .В системе обозначено:  , – координаты перемещения ползуна и противовеса по оси  , – упруго-диссипативная деформация;  – сила, коэффициент трения и нормальное усилие к плоскости направляющих,  – силы инерции ползуна и противовеса, где  ,  ,  ,  , – ток, угловая скорость, момент инерции якоря двигателя, активное сопротивление и индуктивность якорной цепи исполнительного двигателя;  , – конструктивный коэффициент и магнитный поток двигателя;  ,  – вращающий момент и момент нагрузки двигателя.Полученной математической модели соответствует структурная схема, приведенная на рисунке 2.  Рисунок 2 Выполнено математическое описание модели перемещения ШБ при лезвийной обработке и осцилляции как объекта управления. Получены динамические структуры объекта управления. Математическое моделирование реализовано с помощью математического пакета Matlab Simulink. Исследования при традиционной статической разгрузке показали на возникновение недопустимых для высокого класса точности станка нагрузок (рисунки 3 и 4), т.е. возникновение ударов.   Рисунок 3 Рисунок 4 На рисунке 3 кривая 1 – без противовеса, кривая 2 – с учетом противовеса. Из сравнения становится очевидным факт возникновения ударных нагрузок. Это подтверждается и графическими зависимостями, показанными на рисунке 4. Поэтому необходимо разработать динамическую разгрузку ШБ, которая бы обеспечивала требуемые показатели качества. На рисунке 5 представлена структурная схема САУ динамической разгрузкой.  Рисунок 5 Система синтезирована на основе теории СПР с учетом влияния разгружаемой массы. С использованием данных из экспериментов была построена компьютерная модель динамической разгрузки. Результаты, представленные на рисунке 6 (сигнал задания 2 Гц), свидетельствуют о точности воспроизведения заданной траектории движения ШБ.  Рисунок 6 Дальнейшее повышение точности воспроизведения осуществлялось синтезом САУ перемещением ШБ, согласованной с САУ динамической разгрузкой. На основе построенной математической модели перемещения ШБ при лезвийной обработке и статическом противовесе, а также при осцилляции и динамической разгрузке можно сделать следующие выводы: 1. Существующая система разгрузки противовесом обеспечивает работу станка в статических режимах работы ШБ. При осцилляции ШБ свыше 1 герца возникают недопустимые нагрузки на конструкцию станка, что ведет к потере точности. 2. Динамическая разгрузка обеспечивает плавность перемещения и требуемую точность воспроизведения траектории ШБ в определенном диапазоне частот. Аналитические выражения и структуры позволяют синтезировать систему уравнений перемещений шпиндельного узла. В третьей главе синтезируется согласованная работа САУ воспроизведением заданной траектории ШБ и её динамической разгрузкой. Сигналом задания для контура разгрузки является сигнал выхода тахогенератора САУ движением ШБ. На основании теории инвариантных САУ синтезировано первое согласующее звено (КЗ) (рисунок 7).  ; ; .    ; .На рисунке 8 представлена осциллограмма переходных процессов  при z=12,56c-1 (f=2Гц). Анализ показал, что практически разгрузка обеспечивает снижение влияния массы до 10% усилия, что является допустимым для КРС класса высокой точности. Рисунок 8 Дальнейшее повышение точности воспроизведения связано с учетом действия составляющих, которыми пренебрегали при линеаризации контуров тока и скорости в САУ шпиндельной бабкой и САУ динамической разгрузкой. В силу сложности аналитических исследований учет был произведен методом компьютерного моделирования. В связи с тем, что контур динамической разгрузки отстает по фазе от контура движения ШБ, изначально задается дифференцирующее звено (КЗ1), включенное на разность частот вращения электродвигателя подачи ШБ и ее динамической разгрузки. Вариация параметров этого звена позволила установить значения, обеспечивающие заданные требования по воспроизведению движения ШБ. Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных исследований повышения точности технологической системы координатно-расточного станка. На станке модели 2440СФ4 проведены экспериментальные исследования, которые позволили сравнить полученные результаты с теоретическими исследованиями в описании объекта управления – ШБ со статической и динамической разгрузкой, а также передаточных функций этих систем; констатировать эффективность выполнения технологических операций на созданном многооперационном станке. В состоянии покоя ШБ удерживается следящей САУ позиционирования ШБ совместно с САУ динамической разгрузкой. На систему действуют внешние помехи – неабсолютное уравновешивание, изменение трения в направляющих из-за изменения режимов движения, температуры и неучтенных факторов. На осциллограмме (рисунок 9) показано значение тока двигателя ШБ, которое практически стабильно (±0,1 А).   Рисунок 9 Рисунок 10 При движении шпиндельной бабки с изменением частоты возрастают токи нагрузки на двигатель ШБ и на электродвигатель разгрузки, на рисунках 10, 11, 12 показаны значения тока электродвигателя ШБ при значениях частоты осцилляции 0.5, 1, 3 Гц.   Рисунок 11 Рисунок 12 На рисунке 13 построен график изменения нагрузки на электродвигатель ШБ. Здесь кривая 1 показывает экспериментальные значения, полученные на станке, кривая 2 – реакцию динамической разгрузки для этих же значений тока нагрузки. Отличие в 8-10% свидетельствует об эффективность системы разгрузки, а следовательно – о возможности создания многооперационного станка.  Рисунок 13 Для целей создания многооперационного КРС была разработана, изготовлена и испытана шлифовальная головка (рисунки 14 и 15), которая используется как инструмент.   Рисунок 14 Рисунок 15 Процесс шлифования осуществляется за счёт следующих движений:
Работа выполнена на кафедре «Электропривод и промышленная автоматика» Самарского государственного технического университета в период обучения в аспирантуре с 2006 по 2009 г. Заключение По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку новой системы управления динамической разгрузки ШБ, можно сформулировать следующие выводы:
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Математическая модель и компьютерное моделирование перемещения шпиндельного узла координатно-расточного станка на вертикальных направляющих // СТИН. – 2008. – №11. – С. 13-17. 2. Система автоматического управления подачей шпиндельного узла многооперационного прецизионного станка // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. «Технические науки». – 2008. – №2 (22). – С. 158-164. 3. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления электромеханической разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тринадцатая: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 1 – 2 марта 2007 г.: В 3-х т. – Т.2. – М., 2007. – С. 124-125. 4. Структурный синтез и компьютерное моделирование системы автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла координатно-расточного станка // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23-25 мая. Ч.II. – Тольятти: ТГУ, 2006. – С. 21-23. 5. Система автоматического управления электроприводом динамической разгрузки шпиндельного узла одностоечного координатно-расточ-ного станка. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник Национального технического ун-та «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ «XПИ». – 2008. – №30. – 646 с. 6. Система автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре: Материалы 63-й Всероссийской науч.-техн. конф. – Самара: СГАСУ, 2006. 7. Реновация прецизионных станков – научно-техническое направление в развитии станкостроения. В сб.: 24-я Межвузовская научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательской работы студентов в 2004 году, посвященная 75-летию СГАСУ. 8. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке // Компьютерная интеграция производства и ИПИ (CALS) технологии: Сб. статей всероссийской науч.-практ. конф. – Оренбург: ИПК ОГУ, 2005. – С. 174-179. 9. Анализ информационной системы контроля за процессами шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС) // Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды: Тез. докл. 23-й студ. науч.-техн. конф. по итогам науч.-иссл. работ студентов за 2003 г. – Самара: СГАСУ, 2004. – С. 136-137. Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 10 от 11 ноября 2009 г.) Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано на ризографе. ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной полиграфии 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Структурное моделирование и синтез системы автоматического управления... Специальность 05. 13. 06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) | | Программа учебной дисциплинЫ «теория автоматического управления» Цели и задачи дисциплины «Теория автоматического управления» (тау) – изучение общих принципов построения и функционирования автоматических... |
 | Рабочая программа дисциплины «теория автоматического управления» Цели и задачи дисциплины «Теория автоматического управления» (тау) – изучение общих принципов построения и функционирования автоматических... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: изучить устройство моделей токарного станка по дереву стд -120 М, рассмотреть кинематическую схему станка и операции, выполняемые... |
| Программа дисциплины "Теория автоматического управления" Цели и задачи дисциплины: Дисциплина обеспечивает теоретическими знаниями в области проектирования систем управления | | Синтез астатических законов управления с неполной обратной связью для морских подвижных объектов Важным требованием к системе управления является наличие астатизма по регулируемой координате. В работе представлен алгоритм построения... |
| Тема урока: Составные части машин. Устройство токарного станка Обучающая: повторить принципы организации рабочего места в столярной мастерской, правила внутреннего распорядка и безопасности труда... | | Моделирование систем автоматического управления с дробным пид-регулятором В данной работе разработан цифровой алгоритм управления на основе дробного пид-регулятора и построена имитационная модель системы... |
| Задачи фундаментального координатно-временного обеспечения. Методы... Список тем рефератов для самостоятельной работы по курсу «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение задач геодезии... | | Теория автоматического управления Методическая разработка рекомендована для педагогов дополнительного образования детей |
| «Теория автоматического управления» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Курсовой проект по дисциплине «бпд» на тему «Техника Безопасности» Тряпкой или лучше концами, смоченными в керосине, смывают со станка грязь и засохшее масло. Если на станке обрабатывались чугунные... |
| Рабочая программа по дисциплине Теория автоматического управления Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Кулигин Дмитрий Сергеевич студент группы ау-1-м-11 Московский государственный горный университет Система автоматического управления двухвальным газотурбинным двигателем с селектором |
| Изучение регулятора напряжения переменного тока Таким образом, возникает вопрос о создании локальных систем автоматического регулирования напряжения в электрической сети. Представляется... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Система управления обучением Moodle для создания и размещения динамической программы курса в мобильном формате |
