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 05.13.06 – 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 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. 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 __ мая 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета Губанов Н.Г. Д 212.217.03. 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, удалось идентифицировать процесс тонкого шлифования, и на его основе разработать новый алгоритм и систему автоматического управления упомянутым процессом, существенно повышающий производительность КШС (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: Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления. Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования. 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: Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования деталей, как объекта системы автоматического управления, на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ с учетом динамики исполнительного высокоскоростного электропривода шлифовального круга. Разработан новый алгоритм управления процессом шлифования, позволяющий контролировать технологическую операцию и обеспечивающий повышение производительности при заявленной точности станка. Проведён структурно-параметрический синтез системы автоматического управления тонкого шлифования для станка с ЧПУ. Практическая значимость работы состоит в том, что: 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. 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 Всероссийской научно–практической конфернции в г.Оренбург 2005г. Международной. научно-технической конференции 23-25 мая. г.Тольятти: ТГУ, 2006 Всероссийской научно–практической конференции. Оренбург.:ОГУ, 2007 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 операции, 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. 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 с 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. 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 безприжоговой 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: Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, как объекта системы автоматического управления. Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя, характеризующего качественные показатели процесса шлифования. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования. 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: Py(p)=my(p) ∆aу(р)=hу∆Py(p) Jpω(p)=Mд(р)-Мст(р) В системе уравнений обозначено: Δа(р), Δау(р), Δаик(р) – съем металла, упругая деформация, износ шлифовального круга за 1 оборот планетарного вращения шпинделя соответственно, τ – время одного оборота планетарного вращения шпинделя, ΔРу(р) – усилие резания, Креж – режущая способность круга, λ – коэффициент равный 0,05-0,15, τ1 – время шлифования, hy – коэффициент связи усилия резания с упругой деформацией, J – момент инерции двигателя подачи шлифовального круга, Мд(р), Мст(р) – движущий и статический моменты двигателя шлифовального круга, ω0(р), ω(р) – частота задания и вращения двигателя шлифовального круга, Кm, Кω – конструктивные коэффициенты двигателя шлифовального круга. На рисунке 3 представлена структурная схема объекта управления. Входной величиной является Δазд(р) – величина задания съема припуска, выходной съем металла Δа(р). Рисунок 3 На рисунке к ранее введенным обозначениям добавлены - электромагнитная постоянная времени двигателя, β – 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 MatLab 6.1. Для этого была разработана схема модели. Результаты моделирования представлены в таблице 1. Таблица 1. δст % δ% ∆I % ∆Ру % ∆m 0 0,6 94,3 96,6 ∆λ 0 0,6 14,3 88 ∆Кик 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 холостого хода, а когда его значение спадет до 0,3-0,5 Iн при резании. Это практически обеспечивает непрерывную подачу шлифовального круга и диаграмма процесса представлена на Рисунке4. Рисунок 4 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 Δазд(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 8 Учитывая, что процесс управления подачей шлифовального круга осуществлялся в функции тока высокоскоростного электрошпинделя с помощью релейного элемента с гистерезиса, то коррекцию регулятора скорости целесообразно провести методом компьютерного моделирования. Разработанная для этих целей модель показана на рисунке 8. 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 Рисунок8 показано изменение упомянутого выше тока. Однако скачкообразное движение подачи приводит к перерегулированию 15-25%. Для достижения требуемых значений тока переключения необходимо ввести задатчик интенсивности подачи Δазд(р). Рисунок 9 Рисунок 10 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 проводились на стенде-станке модели 3284СФ4, оснащенной системой ЧПУ «Маяк-600» фирмы «Ижпрест». В качестве комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры использовался переносной компьютер, подключаемый к частотному преобразователю Unidrive 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, САУ асинхронным двигателем шлифовального круга и др. На Рисунок11а,б показано рабочее пространство станка с приводом и цифровым осциллографом и электрошпиндель шлифовального круга, реализующий процесс шлифования. Рисунок11а Рисунок11б На рисунке 12а,б показаны переходные характеристики АД ω=f(t) и I=f(t), по которым определялась электромеханическая и электромагнитная постоянная времени и передаточные функции двигателя по управляющему воздействию. Рисунок 12а Рисунок 12б На рисунке 13 показан процесс отработки Δазд=5 мкм, который позволяет идентифицировать процесс шлифования в виде: , что подтверждает теоретические исследования. Рисунок 13 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: Проведен анализ существующих устройств поперечной подачи шлифовального круга при врезном шлифовании и на основе шлифовальной головки реализован процесс тонкого шлифования. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, ток которого позволяет реализовать постоянный контроль технологической операции. 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. На основании теории СПР синтезирована система автоматического управления процессом шлифования, обеспечивающая требуемые показатели качества управления. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 32К84СФ4, которые показали эффективность представленного алгоритма. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом тонкого шлифования. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Медведев А.С. Идентификация процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/А.С. Медведев, В.Е. Лысов.//СТИН.-2009. –№3.-С.31-34. Медведев А.С. Разработка САУ процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/А.С. Медведев//Вестник СамГТУ.№2(20)-2007. С.147-152 Медведев А.С. Математическая модель и компьютерное моделирование процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]/А.С. Медведев, В.Е. Лысов//Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии./ Сборник статей всероссийской научно–практической конференции. – Оренбург, ИПК ОГУ, 2007- С.244-251 Медведев А.С. Разработка алгоритма управления процессом прецизионного шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст]// Медведев А.С., Лысов В.Е.//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: сборник тезисов докладов 13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов-Москва,2007.- С.210-214. Медведев А.С. 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. Медведев А.С. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке[Текст] / Медведев А.С., 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. Медведев А.С. Реновация прецизионных станков – научно-техническое направление в развитии станкостроения[Текст]/ Медведев А.С., 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. Медведев А.С. Синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС) [Текст]/ Медведев А.С.// 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 печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

Похожие:

	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...		Ситема автоматического управления динамической разгрузкой шпиндельного... Специальность 05. 13. 06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
	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...		Разработка и исследование системы автоматического управления технологическим... Охватывает все возможные виды возмущений возникающие в процессе работы блока фильтров, однако позволяет дать качественную оценку...
	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...
	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... Лекция по дисциплине “Теория автоматического управления” для студентов 3-го курса дневного обучения специальности 111111 “Управление...
	Расчет настроек автоматического регулятора Исследовать работу комбинированной автоматической системы управления в целом и ее отдельных контуров. Провести расчет оптимальных...		Программа дисциплины "Теория автоматического управления" Цели и задачи дисциплины: Дисциплина обеспечивает теоретическими знаниями в области проектирования систем управления
	План Кафедра основное структурное подразделение университета как... Кафедра – основное структурное подразделение университета как учебного заведения. Кафедра государственного и муниципального управления...		1 Основные сведения об измерениях Базовой системой любой автоматизированной системы управления технологическими процессами (асу тп) является системой автоматического...
	Организация работы учащихся в мобильном компьютерном классе с использованием... Приведены особенности проведения урока в мобильном компьютерном классе с использованием программного комплекса NetOp и системы интерактивного...		Реферат Алаева В. С. Расчет и моделирование системы электросвязи.... Целью курсовой работы является расчёт и моделирование системы электросвязи в системе схемотехнического моделирования micro-cap 9
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Требования, предъявляемые к проектам. Методологические аспекты управления проектной деятельностью. Технологии и методы управления...		Задачи фундаментального координатно-временного обеспечения. Методы... Список тем рефератов для самостоятельной работы по курсу «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение задач геодезии...