Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований 13
1.1 Описание области исследований 13
1.2 Патентно-информационный поиск 18
1.3 Классификация и влияние микрорельефа на эксплуатационные свойства деталей
1.4 Получение регулярного микрорельефа на сферической поверхности 27
1.5 Описание объекта исследований 29
1.6 Проблема управления формообразующими движениями 31
1.7 Описание процесса формообразования при ЭХМО как объекта управления
1.8 Постановка задачи управления 37
1.9 Выводы по главе 1 38
Глава 2. Математическое моделирование 39
2.1 Описание основных параметров, определяющих получаемую траекторию
2.2 Математическое моделирование траектории на сфере 40
2.3 Компьютерное моделирование траектории в САПР NX 42
2.4 Зависимость конфигурации траектории от входных параметров 46
2.5 Программная реализация модели 47
2.6 Реализация модели в сферических координатах 48
2.7 Моделирование кинематики движения формообразующих элементов
2.8 Выводы по 2 главе 53
Глава 3. Структура, алгоритмическое и программное обеспечение АСУ комбинированной обработки
3.1 Разработка структуры АСУ КО 54
3.2 Разработка системы поддержки принятия решений 54
3.3 База данных СППР 56
3.4 Управляющие воздействия приводов формообразующих движений 58
3.5 Алгоритмы управления 62
3.6 Программное обеспечение автоматизированной системы управления
3.7 Выводы по главе 3 67
Глава 4. Аппаратное обеспечение АСУ КО и экспериментальные исследования
4.1 Аппаратный состав АСУ КО 68
4.2 Инструменты и приспособления для комбинированной обработки 75
4.3 Аппаратное обеспечение АСУ КО 77
4.4 Разработка экспериментальной установки для моделирования 86 ЭХМО сферических поверхностей
4.5 Разработка управляющих программ обработки деталей установки 87 для металлорежущего и измерительного оборудования.
4.6 Описание образцов для экспериментального исследования 91
4.7 Экспериментальные исследования траектории инструмента 92
4.8 Анализ полученных экспериментальных данных 93
4.9 Моделирование работы АСУ КО в Simulink 94
4.10 Выводы по 4 главе 96
Заключение 98
Список сокращений и условных обозначений 99
Список использованных источников 101
- Классификация и влияние микрорельефа на эксплуатационные свойства деталей
- Зависимость конфигурации траектории от входных параметров
- Управляющие воздействия приводов формообразующих движений
- Разработка экспериментальной установки для моделирования 86 ЭХМО сферических поверхностей
Введение к работе
Актуальность темы Ответственные детали, работающие в условиях активного износа и контактирующие с агрессивными средами, должны быть изготовлены с учетом особенностей эксплуатации. В качестве примера можно привести детали запорной арматуры гидросистем, в частности, шаровые краны. Основной элемент затвора, – шаровая пробка, – должна обладать коррозионной и износостойкостью, а ее рабочая сферическая поверхность – иметь однородные свойства и низкую шероховатость. При этом не допускаются дефекты поверхностного слоя. Для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик деталей в машиностроении применяются комбинированные методы обработки, призванные обеспечить качество поверхности, а так же коррозионную и износостойкость. Для этого рабочие поверхности деталей покрываются слоем металла, отличного от материала самой детали. Одним из способов нанесения покрытий является комбинированная электрохимикомеханическая обработка (ЭХМО), совмещающая осаждение металла с одновременным механическим воздействием инертного инструмента на обрабатываемую поверхность.
Проблеме обработки деталей комбинированным методом посвящен ряд научных работ, однако большинство известных работ по этой тематике посвящено обработке деталей с цилиндрическими поверхностями. Аппаратные решения, позволяющие качественно обрабатывать сферические поверхности, в литературе не описаны. В известных работах отмечаются проблемы получения стабильного качества поверхностей деталей, причиной которых являются трудности управления режимами механического воздействия в ходе обработки, обусловленные кинематикой реализации схем обработки и небольшим диапазоном их оптимальных значений. Недостаточное качество управления приводит к неоднородности контролируемых параметров детали, в частности, угла сетки микрорельефа. Подбор оптимального значения угла сетки микрорельефа затруднен, так как отсутствуют математические модели, адекватно описывающие формирование микрорельефа при обработке сферической поверхности. Неоднородность свойств покрытия приводит к возникновению локальных дефектов и, соответственно, снижению качества получаемой продукции и росту процента брака. Положительный эффект от внедрения комбинированной обработки наблюдается только в случае качественного управления технологическим процессом, в противном случае возможно существенное снижение качества получаемых деталей. При этом процесс формообразования при обработке сферической поверхности не описан как объект управления. Таким образом, проблемы равномерности свойств покрытий по обрабатываемой поверхности обусловлены отсутствием управления значением угла сетки в процессе обработки. Следовательно,
традиционные методы ЭХМО не позволяют получать детали с заранее заданными свойствами, однако обеспечить стабильное качество по всей обрабатываемой поверхности возможно с использованием средств автоматизации. Современный уровень развития систем автоматизации промышленных процессов позволяет обеспечить точное и оперативное регулирование в системах с узким диапазоном оптимальных параметров. Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Процесс формообразования при комбинированной
электрохимикомеханической обработке сферических поверхностей не описан
как объект управления.
2. Модели, описывающие формообразование при комбинированной
обработке не включают обработку сферических поверхностей.
3. Не известны аппаратные решения, позволяющие достичь
требуемого качества поверхности шаровых деталей методом ЭХМО.
Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что разработка автоматизированной системы управления процессом ЭХМО сферических поверхностей с целью повышения качества путем обеспечения равномерной частоты воздействия инструмента на поверхность является актуальной.
Работа выполнялась в рамках научного направления ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике» и в соответствии с Постановлением Правительства России от 9 апреля 2010 г. N 218 "О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства", комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства авиационных агрегатов гражданских самолетов нового поколения с применением концепции гибких производств (гибких производственных систем) для постановки в серийное производство регионального самолета АН-148».
Объектом исследований является процесс формообразования при ЭХМО шаровых поверхностей.
Предмет исследований – методология построения АСУ процессом комбинированной ЭХМ обработки, включающая в себя моделирование, разработку компонентов АСУ, проведение экспериментов.
Цель диссертационной работы: повышение качества шаровых деталей путем получения равномерной сетки траекторий инструмента на обрабатываемой сферической поверхности за счет автоматизированного управления приводами формообразующих движений.
Для достижения поставленной цени были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Исследование существующих методов комбинированной ЭХМ обработки, как объектов моделирования и автоматизации, выявление их недостатков.
-
Постановка задачи управления приводами формообразующих движений при ЭХМО сферических поверхностей.
-
Разработка математической модели, описывающей процесс формирования регулярной сетки на сферической поверхности при комбинированной обработке.
-
Решение поставленной задачи управления, разработка алгоритмов управления и программного обеспечения, реализующего эти алгоритмы.
-
Разработка автоматизированной системы управления механической частью экспериментальной установки ЭХМО и ее апробирование.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием научных основ механической и электрохимической обработки, математического моделирования систем, геометрического моделирования, численных методов, методов алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня, компьютерного моделирования, теории автоматического управления. Экспериментальные исследования производились с использованием современных методик анализа результатов эксперимента. При обработке данных использовались методы математической статистики.
Достоверность результатов и выводов по работе обеспечивалась применением апробированных методов алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня. Достоверность экспериментальных данных обеспечивалась применением современных измерительных приборов, известных методик анализа погрешностей измерений и экспериментальных данных. Научные положения подтверждены серией экспериментов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Исследован и описан объект управления нового типа, отличающийся тем, что для механического воздействия на деталь в процессе обработки используются два вращательных движения
-
Впервые поставлена и решена задача управления процессом комбинированной обработки, заключающаяся в реализации траектории движения инструмента, обеспечивающей заданную частоту его воздействия на слои осаждаемого покрытия для получения необходимых свойств поверхностей сферических деталей.
-
Построена математическая модель, отличающаяся учетом влияния углов поворота приводов на конечную траекторию, в частности, на угол сетки.
4. Впервые разработан алгоритм управления, отличающийся тем, что он позволяет обеспечить формирование равномерной сетки на поверхности шаровой детали.
Практическая ценность полученных результатов.
-
Разработан программный продукт, позволяющий моделировать в реальном времени процесс формирования траектории на поверхности детали при разных заданных значениях угла сетки микрорельефа.
-
Разработана структура, состав, алгоритмическое и аппаратное обеспечение автоматизированной системы управления установкой для комбинированной обработки, имеющей в своем составе микроконтроллер, в управляющей программе которого реализован разработанный алгоритм.
-
Создан способ комбинированной обработки, отличающийся использованием двух вращательных движений.
Полученные результаты могут быть использованы на машиностроительных предприятиях для получения герметичных износостойких хромовых покрытий на сферических деталях.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
-
Решение задачи управления формообразующими движениями в процессе комбинированной обработки, позволяющее обеспечить заданные свойства поверхностей сферических деталей.
-
Способ комбинированной обработки, заключающийся в использовании двух вращательных движений для обработки сферической поверхности.
-
Математическая модель, позволяющая рассчитать траекторию инструментов с сохранением постоянного угла сетки.
-
Программный продукт, позволяющий моделировать в реальном времени процесс формирования траектории на поверхности детали при разных заданных значениях угла сетки микрорельефа, что позволяет отказаться от экспериментальных методов определения входных параметров АСУ.
-
Структура, состав, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение автоматизированной системы управления процессом ЭХМ обработки, позволяющей обеспечить качество получаемых деталей путем формирования на их поверхности равномерной сетки.
Согласно паспорту специальности в диссертационной работе предложены методы построения автоматизированных систем управления (пункт 3), разработана математическая модель объекта управления и алгоритмы управления (пункт 4).
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы рекомендованы к использованию при реализации комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства авиационных агрегатов
гражданских самолетов нового поколения с применением концепции гибких производств (гибких производственных систем) для постановки в серийное производство регионального самолета АН-148» (Постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. N 218 "О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства") и приняты к внедрению на ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество».
На основе результатов работы был создан объект интеллектуальной собственности.
Апробация работы. Материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Авиация, космос, транспорт» г. Таруса 2010 г, «Будущее российской космонавтики в инновационных разработках молодых специалистов» г. Королев 2011 г, XVII Королёвские чтения, г. Москва 2013 г, «СИНТ13» г. Воронеж 2013 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено авторское свидетельство на программный продукт.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1] – разработка математической модели, описывающей искомую траекторию, разработка модели для САПР NX, [3] – разработка методики программирования измерительных операций при контроле формы и размеров деталей экспериментальной установки, [4] – разработка и внедрение комплексных управляющих программ для обработки деталей экспериментальной установки, [5] – реализация системы управления шаговыми двигателями от ЭВМ, [6] – реализация математической модели и аппаратной части оборудования для комбинированной обработки, [7] – разработка проекта опытно-экспериментальной установки для комбинированной обработки, [8] – описание преимуществ ассоциативного моделирования при разработке механических систем экспериментальной установки, [10] – разработка программной модели комбинированной обработки, [13] – реализация алгоритма формирования траектории с постоянным углом сетки в составе клиентского ПО.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений; изложена на 131 страницах, содержит 45 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 166 наименований.
Классификация и влияние микрорельефа на эксплуатационные свойства деталей
Кроме того поверхность после ЭХМО не требует обработки после осаждения. При обычном хромировании покрытия подвергают дополнительно алмазному выглаживанию [140]. Это позволяет вдвое увеличить количество годных деталей, однако даже после этого годной остается лишь половина деталей. Кроме того, при производстве техники регламентировано количество операций хромирования - алмазного выглаживания (не более трех), при превышении количества – деталь бракуется из-за опасности наводороживания и возможного переупрочнения поверхностного слоя. Так же, при алмазном выглаживании происходит деформирование и сжатие уже существующей системы каналов, которая может открыться при значительных силовых воздействиях на деталь (например, при посадке самолета может отказать шасси). ЭХМО не вызывает образования системы каналов, что исключает выход из строя гидросистем по причине негерметичности слоя хрома [139].
Технологическое обеспечение качества и надежности изделий в современных условиях приобретает решающее значение. Комплексное решение этого вопроса ставит предприятия перед необходимостью широкого применения современных технологий. Традиционное хромирование широко используется для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей из различных материалов, в том числе и из высокопрочных сталей [44]. Наибольшее влияние на характер структуры хромовых покрытий оказывает температура электролита [103, 104, 112]. С повышением температуры сетка каналов становится реже, вместе с тем ширина каналов увеличивается. Уменьшение катодной плотности тока способствует образованию более густой сетки, причем ширина и глубина каналов становится меньше. Увеличение плотности тока и продолжительности анодного травления вызывает углубление и расширение каналов пористого хрома. При анодном травлении степень пористости увеличивается, причем это происходит как за счет расширения трещин, уже имеющихся на поверхности покрытия, так и за счет трещин, вновь появившихся при стравливании [107, 121].
Вышеизложенное дает основание утверждать, что износостойкие покрытия, как правило, отличаются повышенной пористостью. Это ограничивает их применение в тех случаях, когда требуется одновременная коррозионная стойкость и герметичность деталей. Собранный материал показал целесообразность проведения полноценного патентного поиска по выбранной теме исследований.
Патентный поиск проводился в патентной БД Questel (www.qpat.com), БД международных заявок и информации РСТ (IPDL Data Collections/PCT online JOPAL Db (www.wipo.int), БД Европейского патентного бюро (EPO, www.epo.com), БД реестра роспатентов РФ (www.bd.patent.su/index.htm), поисковая система по патентам РФ (http://www.findpatent.ru), международная поисковая система патентов FPO (http://www.freepatentsonline.com/search.html), национальные патентные ведомства РФ, Японии, США, Китая (http://www1.fips.ru, http://www.jpo.go.jp, http://www.uspto.gov, http://www.sipo.gov.cn) Основные разделы МПК, по которым производился патентный поиск:
B23 - Металлорежущие станки; способы и устройства для обработки металлов, не отнесенные к другим рубрикам
B23H Обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности на заготовку с использованием электрода, который является инструментом; указанная обработка, комбинированная с другими видами металлообработки.
C23 - Покрытие металлических материалов; покрытие других материалов металлическим материалом; химическая обработка поверхности; диффузионная обработка металлического материала; способы покрытия вакуумным испарением, распылением, ионным внедрением или химическим осаждением паров вообще; способы предотвращения коррозии металлического материала, образования накипи или корок вообще
C23C - Покрытие металлического материала; покрытие других материалов металлическим материалом; поверхностная обработка металлического материала диффузией в поверхность путем химического превращения или замещения; способы покрытия вакуумным испарением, распылением, ионным внедрением или химическим осаждением паров вообще C23C 28/00 Способы получения по крайней мере двух совмещенных покрытий либо способами, не предусмотренными в одной из основных групп, либо путем комбинации способов, предусмотренных в подклассах C23C и C25D
Библиографические данные патентных документов, в которых раскрываются сходные с объектами исследования технических решений, систем и устройств, приведены в таблице ХХ Приложения Х.
В результате проведенного патентного поиска было выявлено, что в данной области работают и патентуют на территории Российской Федерации свои разработки следующие исследователи.
Зависимость конфигурации траектории от входных параметров
Моделирование траектории движения инструмента и получаемого микрорельефа производилось средствами CAD/CAM/CAE системы Siemens NX [79, 98]. CAD модуль NX позволяет моделировать с высокой точностью объемные кривые, построение которых производится по заданным формулам отдельно для координат X, Y и Z [157]. Это удобно, так как во-первых можно исследовать свойства получаемой кривой и оперативно менять исходные формулы [166]. Во-вторых, в отличие от популярных программ, предназначенных исключительно для математического анализа, NX, являясь по сути пакетом инженерного проектирования, позволяет совмещать траекторию с имеющейся моделью установки и оперативно производить анализ кинематики оборудования [68]. Это необходимо для того, чтобы проверить правильность работы механической части в крайних точках траектории, где возможна нехватка хода направляющих или столкновения рабочих органов с корпусом установки. После разработки окончательной математической модели будет произведен кинематический анализ компонентов установки при управляемом перемещении рабочих органов согласно разработанной математической модели.
Начало системы координат (СК) определено как центр обрабатываемой сферы. Поэтому начальная координата по оси z принята равной радиусу обрабатываемой сферы со знаком минус. Таким образом, центр сферы оказывается в начале системы координат. Ось z рабочей СК совпадает с осью вращения детали, как это принято в токарной обработке. Для моделирования расчетной кривой воспользуемся возможностями системы NX. Для построения кривых, заданных законом в NX имеется системный параметр t, по умолчанию меняющийся от 0 до 1. Дискретность этого изменения определяет точность моделирования и может быть изменена при необходимости. Зависимость b(t) имеет вид /5=180t Координаты x и у зависят от параметра а, который связан с переменной t уравнением: a = (t—0,5)-к; (2.7)
Здесь к - коэффициент, определяющий шаг и число витков спирали при радиусе обрабатываемой детали 100 мм и А=20000 шаг между витками составляет 5,57 мм, что эквивалентно одному градусу углового шага. Как говорилось ранее, начало координат лежит в центре сферы, поэтому начальный параметр а, как z и в уравнении смещается на радиус обрабатываемой сферы относительно нуля СК. Система уравнений х(а), у(а):
Спираль, построенная по системе (2.5) в системе NX, показана на рис. 2.3. Для наглядности показана полупрозрачная сфера.
По построенной траектории можно заключить, что плоское движение инструмента вдоль сферы позволит получить спиралеобразную сетку микрорельефа. Можно заключить, что смещение осей вращения не позволит получить равномерного угла сетки. Траектории, смещенные друг относительно друга на 45, показаны на рис. 2.5:
Для получения равномерного угла сетки необходима траектория, представляющая собой спирали, наложенные на сферу, и пресекающиеся между собой под углом, равным углу сетки. Сетка с равномерным углом показана на рис. 2.6.
Для практической реализации такой траектории необходимо в каждый момент времени поддерживать и корректировать скорости вращения детали и инструмента. Таким образом, обработка сферической поверхности с целью получения необходимых свойств покрытия может производиться только с использованием системы автоматизированного управления приводами. Система уравнений может быть несколько изменена с учетом того, что изначально входным параметром, определяющим конфигурацию сетки микрорельефа, является угол сетки . Зависимость между углами и имеет вид: a b=; V где V – число витков спирали по всей поверхности сферы. В свою очередь, число витков спирали определяет угол сетки микрорельефа следующим образом: 90O
Приведенные формулы позволяют получить 1 виток спирали с заданными параметрами. Если произвести моделирование с декрементом параметра t, возможно получить так же виток обратного хода. Для построения всей траектории потребуется осевой угловой шаг, определяющий число ходов инструмента по детали или число заходов спирали.
Следует отметить, что построение всей траектории с учетом множества заходов инструмента весьма ресурсоемкий процесс. Поэтому было разработано соответствующее ПО, входящее в состав комплекса моделирования процесса ЭХМО. Исходные коды программного продукта приведены в приложении Б. 2.4. Алгоритм управления формообразующими движениями
На основе модели необходимо разработать алгоритм управления. Необходимо, чтобы при задании в качестве входных данных радиуса сферы и угла сетки (в дальнейшем, для АСУ дополнительно технологических параметров) система управления обеспечивала получение одинакового угла сетки на всей поверхности детали. Таким образом, для формирования требуемой траектории система уравнений (2.6) должна быть заключена в цикл, рассчитывающий форму одного витка спирали. При использовании противопоставленных инструментов рассчитывается форма одновременно для двух противоположных витков, нарастающих навстречу друг другу. Далее процесс продолжается до полного заполнения поверхности (в случае моделирования) или в течение определенного времени, заданного технологически. Технологические параметры, такие как скорость и продолжительность обработки задаются независимо от разработанной модели. Для определения оптимальных параметров, их выбора и задания необходимо принимать некие решения на основе совокупности имеющихся данных. Поскольку информация о качестве деталей формируется постепенно на основе производственного опыта, а выбор оптимальных режимов основывается на нескольких факторах, причем точные зависимости между ними не известны, предполагается в ходе работы создать систему поддержки принятия решений. Система будет описана в следующее главе работы. Структура работы алгоритма в виде блок-схемы приведена в приложении В. 2.5. Программная реализация модели
Как говорилось ранее, для построения, и тем более оперативного анализа изменения параметров траектории в зависимости от входных данных, необходимо в реальном времени в трехмерном пространстве оперативно отрисовывать множество линий по довольно сложным формулам. С этой целью было разработано специализированное ПО, входящее в состав комплекса моделирования процесса ЭХМО. Ниже рассмотрено устройство и особенности работы программы.
В законченном виде программная модель ЭХМО представляет собой программу для MS Windows, использующую возможности операционной системы для реализации графического пользовательского интерфейса (ГПИ). В настоящее время существует множество способов для реализации ГПИ. Для программной модели выбран простой способ, использующий win32 API. Это означает, что используются только встроенные в ОС Windows функции и классы. Это ускоряет работу программы в целом и не требует установки на пользовательском компьютере каких-либо дополнительных программ и библиотек. Визуализация в трехмерном пространстве выполняется средствами графической библиотеки OpenGL. В настоящее время трехмерная графика поддерживается всеми видеопроцессорами и версиями ОС Windows. Таким образом, стало возможным реализовать относительно сложный программный комплекс с минимальными требованиями к используемой ЭВМ. Изображение главного окна программы модели приведено на рис. 2.7.
Управляющие воздействия приводов формообразующих движений
Рассмотренные приводы по возможностям подходят для реализации СЧПУ экспериментальной установки, однако корпуса исполнены для работы в нормальной среде, а не в агрессивной гальванической ванне. Для экспериментальной установки выбор сделан в пользу простой, но надежной конструкции. Это определило использование оригинальных систем управления, описание которых приведено ниже. Промышленные приводы рассчитаны на работу с медленным LPT портом, либо требуют внешнего контроллера с большим количеством линий связи. Таким образом, разработка оригинальных устройств позволяет реализовать более гибкий подход к проектированию экспериментальной установки.
Для управления простыми конструкциями при помощи ЭВМ часто применяется параллельный порт принтера LPT. При использовании ШД с шагом 1,8 град это означает посылку импульсов с частотой от 1 кГц и выше. Добиться точности частоты и скважности сигнала при использовании ОС Windows не возможно, поскольку последняя не является системой реального времени, и процессорное время неминуемо будет заниматься другими задачами, вызывая задержки как по положительному, так и по отрицательному фронту импульса [33]. В свете вышесказанного, алгоритм формирования микрорельефа размещен в управляющей программе микроконтроллера, входными данными для которой служат заданный угол сетки микрорельефа и режимы обработки. Таким образом, компьютерная программа-драйвер передает лишь входные данные в начале обработки и данные о рабочих режимах при их изменении.
Наиболее распространенными в области машиностроения средствами коммуникации ЭВМ с окружающим миром в настоящее время являются параллельный (LPT) и последовательный (COM) порты. В основном это обусловлено соображениями помехозащищенности. Кроме того, срок службы промышленного оборудования по сравнению с бытовым существенно больше, поэтому то, что до сих пор успешно применяется в машиностроении, в области пользовательских информационных технологий используется ограничено. Современные ЭВМ оснащены высокоскоростными портами USB и модулями беспроводной связи [67, 160].
Изначально каждый из этих портов разрабатывался для определенного применения. Параллельные предназначались для соединения компьютеров с принтерами, последовательные — для подключения принтеров, модемов, мыши и других устройств. Однако они могут использоваться и для других приложений, связанных с сопряжением компьютера с внешними устройствами. Периферийные устройства, созданные для этих портов, легко подключаются к IBM PC-совместимому компьютеру. Принципиальные схемы отличаются мобильностью и могут применяться для решения проблем сопряжения с любым оборудованием, которое оснащено указанными портами. Параллельный порт позволяет работать с низкоуровневой логикой, вводить и выводить информацию побитово на большом количестве логических линий. Последовательный порт [160] позволяет работать по протоколам RS-232 или RS-485, с минимальными затратами можно реализовать поддержку шины I 2C . Таким образом с небольшим количеством электронных компонентов (аналоговых или цифровых но с малой степенью интеграции) можно реализовать взаимодействие ЭВМ и механических или электрических устройств. В настоящее время наблюдается повсеместный переход на высокоскоростные последовательные протоколы передачи данных, использующие малое количество линий связи. К аппаратуре, работающей на производстве предъявляются высокие требования по помехо-, электро-, вибро- и температуроустойчивости. Нередко в производственных помещениях бывает химически агрессивная среда, и поэтому приходится предусматривать несколько степеней защиты высокоинтегрированных микроэлектронных компонентов, входящих в состав цифровых устройств.
Последовательный порт, как следует из названия, служит для передачи информации не одновременно по нескольким линиям, а по двум проводам — для приема и передачи. Таким образом, по одному и тому же проводу последовательно передаются байты, один за другим. Существует несколько стандартов последовательной передачи данных. Стандарт RS-232 широко используется в компьютерной и промышленной технике, может связывать до 2 устройств при длине линий 15-30м. Скорость достигает 30 кБит/с. В настоящее время используется для связи микроконтроллеров с другими устройствами, при этом уровни сигналов аналогичны TTL. Это будет описано ниже. RS-232 легко может быть преобразован в другую физическую реализацию последовательного протокола: RS-485. Для него длина линий достигает 1000 м и более, может быть связано до 32 устройств со скоростью 10 Мбит/с. Это определило широкое использование протокола в промышленности. Последовательная связь по шинам SPI, I2C, Ethernet и другими рассмотрена не будет, так как первые два ограничены малой допустимой длиной линий и слабой помехозащищенностью, а третий реализуется на относительно сложных протоколах, требующих специального программного обеспечения.
Разработка экспериментальной установки для моделирования 86 ЭХМО сферических поверхностей
В качестве образцов использовались шаровые детали из неметаллических материалов диаметром 40 мм. По оси, проходящей через центр шара, было просверлено отверстие диаметром 3 мм для крепления на оправке. При этом максимальный угол обработки составляет 170 градусов. Следует отметить, что рассмотренные в первой главе детали-представители имеют, как правило, осевое отверстие большего диаметра, однако для экспериментальных исследований необходимо было реализовать обработку максимально возможной площади поверхности детали. Эскиз экспериментального образца показан на рис. 4.11.
На этапе экспериментальных исследований инструменты представляют собой чертежные инструменты, которые закрепляются в разработанном в первой главе специальном приспособлении. Таким образом обеспечивается надежный прижим инструментов к детали. Угол раскрытия инструментов может быть оперативно изменен.
Исследования проводились на различных режимах: менялась скорость перемещения инструмента, угол сетки траектории. После окончания эксперимента образец прокатывался по бумаге, оставляя след в виде фрагмента траектории инструмента. После этого производилось измерение полученного угла сетки. Всего для каждого эксперимента проводилось по 3 измерения: по краям и в центральной области. Вариации параметров сведены в табл. 4.1 [37, 38]. Из приведенной таблицы видно, что фактический угол у соответствует заданному узад с некоторым отклонением. Для того чтобы точно определить характер и величину этого отклонения, а так же определить носит ли оно случайных или закономерный характер, вызвано погрешностями измерений или погрешностями регулирования экспериментальные данные были повергнуты анализу [40, 83, 115].
По результатам исследований выявлено, автоматизированная система управления, формирующая управляющее воздействие на основе разработанной модели позволяет получить постоянный угол сетки на всей поверхности детали. Данные таблицы ХХ использовались для проверки адекватности математической модели [89, 135]. Для проверки адекватности модели и, соответственно, работы АСУ, был произведен регрессионный анализ полученных данных по функции отклика у. Анализ проводился с использованием средств автоматизации анализа экспериментальных данных в программе Statitica [135, 136]. Рис. 4.12 иллюстрирует анализ регрессионных остатков [87]. По рис. 4.12 видно, что остатки являются независимыми нормально распределенными случайными величинами с нулевым средним, что означает, что регрессионная модель хорошо описывает истинную зависимость [38, 89, 125].
Учитывая собственные погрешности измерительных приборов (абсолютная допускаемая погрешность угломера ±10 ), погрешности измерений (при средней толщине линий отпечатка 0,3-0,5 мм) можно вделать вывод о том, что разработанная АСУ позволяет получать постоянный угол по всей сферической поверхности детали.
Шаговые двигатели имеют дискретность перемещения в 0,9-1,8 градуса, т. е. 200-400 шагов на один полный оборот. При подаче управляющего сигнала двигатель поворачивается на один шаг и занимает устойчивое положение. От одного устойчивого положения до другого двигатель всегда движется со скоростью, значительно превышающей среднюю угловую скорость вращения. Это приводит к рывкам и вибрациям, что может внести искажения в форму получаемой траектории. Для проведения исследований влияния этих искажений на форму траектории была построена модель системы управления шаговыми двигателями приводов продольного и поперечного вращения инструмента в системе MATLAB Simulink [37, 38]. Изображение модели приведено на рис. 4.13. Модель включает в себя: блок генерации импульса управления драйвером двигателя, модель драйвера двигателя, модель двигателя, преобразователь сигналов, осциллографический регистратор изменений углов, а так же дополнительные вспомогательные компоненты.
Исследования работы данной модели проводились при различных заданных углах сетки и при различных коэффициентах деления шага двигателя. Результаты проведенных исследований показывают, что погрешности, вносимые дискретностью перемещений двигателя, не вызывают существенного искажения траектории и могут быть снижены на порядок при работе двигателей в микрошаговом режиме. На рис. 4.14 приведен график, демонстрирующий фрагмент работы модели, на котором видно изменение угла поворота инструмента. Дискретность изменения угла для выбранных двигателей, как говорилось ранее, составляет 1,8 градуса. По оси y на графике видно ступенчатое нарастание угла. Скорость изменения угла (время – горизонтальная ось графика) определяет скорость рывков рабочих органов.
С использованием данных, полученных по результатам работы описываемой модели, был скорректирован закон работы движителя рабочих органов, использовавшейся в описанном в первой главе исследовании кинематики системы. Это позволило получить силовые нагрузки, возникающие в рабочих органах установки и провести анализ на вибрационную устойчивость. Данные моделирования подтверждены в ходе экспериментальных исследований. На образце формируется траектория без видимых искажений. Таким образом, разработанная автоматизированная система управления приводами позволяет получить на сферической поверхности детали сетку траектории перемещений инструмента, отличающуюся равномерным углом и одинаковой частотой воздействия инструмента на поверхность детали.