Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Возрастающие требования к качеству выпускаемых изделий и эффективности технологических процессов (ТП). предъявляемые современным машиностроением, определяет необходимость повышения уровня автоматизации производства, совершенствования структуры выпускаемого оборудования, повышения технологической гибкости производства за счет внедрения систем автоматического управления механическим оборудованием (МО).
Решение этой проблемы неразрывно связано с повышением точности обработки деталей на металлорежущих станках, а также обеспечением требуемой точностной надежности испытательного оборудования, измерительных машин и роботов. От решения указанных задач зависит дальнейшее повышение качества и эффективности процессоз, реализуемых на современных автоматических станках и установках, а также возможность создания новых технологий и конкурентоспособной техники.
Особенно актуальна проблема повышения эффективности МО в условиях ГАЛ, когда для быстрого изменения параметров ТП с минимальным участием оператора обязательным является достаточный точносгной запас используемого оборудования.
В современном машиностроении остро стоит проблема повышения точности обработки деталей малой жесткости, получапцих все большее применение в механизмах и машинах, что связано с современными тенденциями к снижению их металлоемкости, а также широким использованием деталей со специфическим функциональным наз-начежем. Традиционные методы повышения точности обработки нежестких деталей ведут к существенному снижению производительности и во многих случаях, в конечном счете, не обеспечивает достижения требуемого результата, что предопределяет особый интерес к поиску новых эффективных путей управления точностью динамических систем (ДО с маложесткими элементами.
Наряду с силовыми возмущениями, порождаемыми реализацией ТП, на точностную надежность прецизионного МО существенное влияние оказавают кинематические воздействия со стороны фундаментов и оснований, на которых оно установлено. Указанные возмущения не только снижают потенциальную точность оборудования, но и приводя" в ряде случаев к невозможности проведения экспериментальных исследований на испытательных комплексах инерциальных навигационных систем, прецизионных оптических приборов и других специальных устройств.
Таким образом, поиск путей повышения точностной надежности
оборудования, Оазирущихся на выявлении математических моделей (ММ) динамических систем и разработке методов синтеза оптимальных САУ упругими'деформациями ДС, учитывающих специфические особенности объекта управления (ОУ) и действувдих на него возмущений, является актуальной проблемой в области автоматизации ТП в машиностроении. Научная и практическая значимость этой проблемы ставит ее в ряд важнейших народнохозяйственных задач.
Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в течение І97І-І99Є г.г. ряда плановых НИР СамГТУ. Хоздоговорные работы велись с организациями: Средневолжский станкостроительный завод (г. Самара), 4-й государственный подшипниковый завод !г. -Самара), Центральное специализированное конструкторское'бюро (г. Самара), КБ автоматических систем (г. Самара). Бвджетные НИР проводились по программам: "Конверсия высоких технологий" (Приказ №166 от 23.03.93 г.), "Надежность конструкций" (Приказ №107 от 20.04.92 г.), "Перспективные приборные комплексы и системы подвижных объектов" (пост. №19 от 23.01.92 г.), "Алгоритмизация и автоматизация управления технологическими процессами и промышленными установками" (Г/б 64 -6/91) (все - Госкомвуз РФ), "Конверсия Самары", по гранту Государственного комитета РФ по высшему образованию в области фундаментальных исследований технологических проблем авиастроенит и космической техники (№ гос. регистрации 01940005469).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - повышение точностной надежности и зффекти;-ности высокоточного МО путем автоматического управления упрул-ми деформациями ДС на основе разработки ММ и алгоритмов оптдаа-льного управления объектом, а также создания инженерных ме:о-дик проектирования и реализации конкретных оптимальных Си'.
Исследования проведены применительно к токарным, карус&ъ-ным и шлифовальным станкам, на которых реализуются процеси продольного точения и шлифования, и прецизионному оптгао-механическому испытательному комплексу.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
разработать на основе методов аналитической идентификации обобщенную ММ ДС механического оборудования при управлежи упругими деформациями технологической системы (ТС) И. СЙЛОШМИ переменными ТП;
сформировать базовые ММ ДС при управлении пс кантам скорости подачи, частоты вращения детали, дополнительных сіло-вых воздействий на ТС, управления динамической жесткостью амортизирующих 'элементов, 'а также для основных возмущащих воздай-
5 ствий;
разработать частные аппроксимирующие ММ ДС для указанных управлявших и возмущавших воздействий;
ооосновать критерия оптимизации и алгоритмы- управления ДС станочного оборудования при действии детерминированных возмущений;
сформировать критерий оптимизации и синтезировать алгоритмы оптимального управления упругими деформациями при действии случайных возмущений;
разработать конкретные системы оптимального управления упругими деформациями ДС механического оборудования.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач использовались основные положения технологии машиностроения, теории резания металлов, теории колебаний, математического анализа, теории вероятности, теории автоматического управления, аппарат преобразований Лапласа и Фурье, методы синтеза оптимальных систем автоматического управления и др.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА V, ЗНАЧИМОСТЬ диссертационной работы заключается в том, что:
-
Разработана обобщенная ММ ДС механического оборудования при управлении упругими деформациями 1С и силовыми переменными ТП.
-
Разработаны базовые ММ ДС механического оборудования для управляющих воздействий в виде скорости подачи, частоты вращения детали, дополнительных силовых воздействий, изменявших упру годеформированное состояние ТС; воздействий, изменяющих динамическую жесткость амортизирующих элементов, и возмущений в виде изменения припуска и твердости обрабатываемого материала, кинематических воздействий со стороны виброактивных оснований.
-
Получены частные ММ ДС для указанных воздействий, дана оценка точности аппроксимации и выявлены области рационального использования частных моделей.
-
Обоснован критерий оптимизации для ДС станочного оборудования, функционируюдих в условиях детерминированных возмущений, и разработаны алгоритмы оптимального управления объектом с адаптацией по априорной технологической информации.
-
Синтезированы оптимальные по квадратичным формам САУ ДС механического оборудования, работающего в условиях случайных возмущений, и обоснованы алгоритмы адаптации параметров регулятора с учетом вариаций параметров ОТ.
.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты выполненной работы, позволившие получить новые знания о динамических свойствах ОУ и кардинально расширить на этой основе возможности эффективного управления ДС механического оборудования, использовались:
в качестве базы при разработке высокоэффективных способов и устройств управления упругими деформациями ДС станочного и испытательного оборудования, обеспечиваших значительное повышение их точностной надежности;
при разработке методик и машинных программ расчета параметров и динамических характеристик ОУ;
при разработке инженерных методик и пакетов прикладных программ синтеза оптимальных и адаптивных САУ упругими деформациями ДС механического оборудования;
в учебном процессе при обучении студентов специальности 1804.
Результата исследований внедрены и продолжают внедряться:
на предприятии АО Средне волжский станкостроительный завод (г. Самара) в составе ряда САУ упругими деформациями выпускаемых заводом специализированных токарных станков и в виде методик проектирования адаптивных систем управления технологическим процессом точения;
в Центральном специализированном конструкторском бюро ЩСКБ, г. Самара) в составе активной виброзащитной системы (ABC) прецизионного оптико-механического комплекса, предназначенного для экспериментальных исследований и аттестации длиннофокусных оптических систем орбитального базирования, и оптико-электронного измерительного устройства системы автоматической фокусировки объектива и позиционирования оптических элементов комплекса;
в Подшипниковой корпорации АО "ШАР" (г. Самара) в составе опытно-промышленных образцов систем адаптивного управления режимами шлифования и в виде методик проектирования САУ ДС шлифовальных станков;
на предприятии АО Самарский завод "Строммашина" в виде методик расчета виброзащитных систем и пакетов прикладных программ для расчета упругих деформаций технологических станочных систем, позволяющих прогнозировать ожидаемую точность и качество обработки ответственных деталей;
в АО "АВТОВАЗ" в виде пакетов прикладных программ расчета характеристик ДС металлорежущих станков и методик оптимальной настройки САУ упругими деформациями при случайном характере
возмущений;
- в учебном процессе СамГТУ при подготовке студентов специальности 1804 в виде: пакетов прикладных программ идентификации ДС МО и расчета параметров ММ, пакетов прикладных программ синтеза САУ упругими деформациями при случайных возмущениях и расчета динамических процессов в САУ, учебных лабораторных стендов, учебного пособия "Идентификация технологических процессов механической обработки на металлорежущих станках".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюзных, республиканских, зональных и вузовских конференциях, совещаниях и семинарах, в т.ч.: научно-технических совещаниях, проводимых обществом "Знание" УССР: "Прогрессивные технологические процессы обработки деталей и сборки приборов" (Киев, 1976), "Оптимизация технологических процессов обработки деталей и сборки приборов" (Киев, 1978); 2-ой республиканской научно-технической межведомственной конференции "Моделирование и автоматизация процессов проектирования, изготовления и эксплуатации сложных систем" (Одесса, 1983); Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных- процессов" (Барнаул, 1983); Всесоюзной научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы -83" (Куйбышев, 1983); Поволжской научно-технической конференции "Алгоритмы, средства и системы автоматического управления" (Волгоград, 1984); научно-технической конференции "Методы активного контроля в машиностроении" (Тольятти, 1985); республиканской конференции "Разработка и внедрение гибких автоматизированных систем в производство" (Севастополь, 1986); научно-технической конференции "Прогрессивная технология обработки ма-ложесгеих деталей" (Тольятти, 1987); республиканской конференции "Повышение производительности и качества продукции в условиях гибкой автоматизации машино- и приборостроения" (Севастополь. 1988); 3-ей Веесогоной научно-технической конференции "Динамиса станочных систем и гибких автоматизированных производств" (Тольятти, 1988); Всесоюзной конференции "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" (Томск, 1989); 4-ой конференции с международным участием "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе" (Москва, 1992); 5-ой научной межвузовской конференции Инженерной академии РФ (Самара, 1995); научно-технической конференции с международным участием "Надежность механических систем" (Самара, 1995); третьей украинской конференции по автоматическому управлении "Автоматика-96" (Севастополь, 1996); научно-технических конференциях Куйбышевского
политехнического института (Самарского государственного технического университета) (Куйбышев, Самара, I97I-I996).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследования опубликовано 72 работы, в той числе получено 16 авторских свидетельств и патентов РФ и решений о выдаче патентов РФ на изобретения, выпущено более 10 отчетов.