Содержание к диссертации
Введение 4
1. Анализ методов управления точностью обработки на металлорежущих
станках с ЧПУ посредством программной коррекции их погрешностей...10
Особенности металлорежущих станков с ЧПУ как объектов управления 11
Выбор обобщенного показателя качества управления точностью обработки на станках с ЧПУ 15
Анализ методов управления металлорежущих станков 19
Современные тенденции развития систем ЧПУ 19
Системы ЧПУ Sinumerik фирмы Siemens AG 21
Системы ЧПУ Andronik фирмы Andron 23
Архитектура систем ЧПУ типа PCNC 34
1.4. Постановка задачи исследования 41
2. Исследование устойчивости механизма подачи металлорежущих
станков 44
Линейная модель механизма подачи 44
Осевая жесткость механизма подачи 48
2.2. Исследование устойчивости линейной модели 53
2.3. Выводы 55
3. Теоретические основы управления уровнем параметрических
колебаний при резании 57
Модель механизма подачи с переменным параметром жесткости 57
Условие минимизации параметрических колебаний 59
Модель устойчивости параметрической системы 61
Аналитическое решение условия устойчивости 65
3.5.Выводы 73
4. Описание программного продукта 74
4.1. Общая структурная схема программного продукта 82
4.2. Программа исследования устойчивости линейной модели 83
Структура программного обеспечения задачи исследования устойчивости линейной модели 83
Тезаурус задачи исследования устойчивости линейной модели 85
Алгоритм исследования устойчивости линейной модели 86
Интерфейс входа и выхода программного обеспечения
задачи исследования устойчивости линейной модели 88
4.3. Программа минимизации параметрических колебаний 90
Структура программного обеспечения задачи минимизации параметрических колебаний 90
Тезаурус задачи минимизации параметрических колебаний 93
Алгоритм минимизации параметрических колебаний 94
Интерфейс входа и выхода программного обеспечения
задачи минимизации параметрических колебаний 96
4.4. Программа определения частотной области устойчивости
параметрических колебаний 97
Структура программного обеспечения задачи определения частотной области устойчивости параметрических колебаний 97
Тезаурус задачи определения частотной области устойчивости параметрических колебаний 100
Алгоритм определения частотной области устойчивости параметрических колебаний 101
4.4.4. Результаты исследования задачи определения частотной области
параметрических колебаний 103
4.5.Выводы 105
5. Общие выводы 106
б.Литература 108
1, Приложение 116
Введение к работе
Мехатроника определяется как область науки и техники, занимающаяся проектированием, созданием и эксплуатацией технологических машин с компьютерным управлением их движением.
Мехатроника посвящена анализу и выбору законов исполнительных движений машинных агрегатов с компьютерным управлением. При этом исполнительные движения таких мехатронных объектов, как промышленные роботы, быстроходные подводные подвижные объекты, летательные аппараты, дистанционно управляемый микрохирургический инструмент и т.д., являются, как правило, нелинейными, а достижение необходимой точности исполнительных движений осуществляется путем использования высокоэффективных микропроцессорных систем управления.
Таким образом, можно говорить, что система управления движением многостепенного механического объекта становится его неотъемлемой частью, обеспечивающей достижение целей совершенствования технологий или создания техники новых поколений, а проблемы построения таких систем можно рассматривать в терминах задач управления мехатронными системами.
Универсализация решения таких задач требует развития проблематики, связанной с разработкой и совершенствованием методов и средств автоматического управления нелинейными динамическими объектами с априорно неопределенным и (или) сложным описанием, неполными измерениями, быстро и в широких пределах изменяющимися параметрами, свойствами и внешними условиями функционирования.
Металлорежущий станок, станочная система как механообрабатывающее производство являются классическим, ярким представителем технологических машин и систем, которые в своем развитии становятся мехатронными. Управляемая механика (движение исполнительных органов машин, процесс
механообработки) сочетается с электронными устройствами управления, оптимальное управление технологическим процессом формируется компьютерными системами.
Станочная система по своим свойствам относится к сложным системам: большой объем обрабатываемой информации, интенсивность ее потоков, неформализованность этапов проектирования из-за отсутствия моделей функционирования, стахостичность, не стационарность технологических процессов как объектов управления, необходимость самоорганизации системы управления в условиях большой априорной неопределенности и т.д.
Компьютерное управление технологическим движением сегодня (в условиях гибкого автоматизированного производства, безлюдной технологии) означает, прежде всего, автоматическое управление технологическим процессом, в том числе формообразующим движением органов станка, формированием температурно-силового режима обработки резанием, управлением технологической системой резания.
Современные станки с ЧПУ имеют широкие технологические возможности и высокую степень автоматизации. Однако их эффективное использование затрудняется рядом специфических особенностей. К ним относятся: сложность самих станков, при работе которых взаимодействуют механические, гидравлические, электрические и электронные системы и элементы; большое разнообразие режимов работы, поскольку обрабатываются детали обширной номенклатуры; влияние системы управления на параметры станка и др.
Отечественный и зарубежный опыт производства и эксплуатации станков с ЧПУ показывает, что одной из главных проблем в этих станках является получение заданной точности обработки и высокой надежности. При этом особенно важно не только получение высоких начальных характеристик станков, но и сохранение их в процессе длительной эксплуатации. В этой связи важным вопросом является обеспечение технологической надежности станков с
ЧПУ, под которой понимается их свойство выполнять обусловленные назначением технологические процессы, сохраняя показатели ' качества обработки в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени при заданной производительности.
Обеспечение требуемого уровня технологической надежности станка, особенно оснащенного системой ЧПУ, является чрезвычайно сложной задачей. Сложность заключается в том, что еще на ранних стадиях эксплуатации или при наличии опытного образца, необходимо ответить на вопрос о том, как будут изменяться характеристики станка в процессе его длительной эксплуатации, каков запас надежности у нового станка по его основным выходным параметрам. Еще труднее ответить на эти вопросы при проектировании станка, когда все его основные характеристики должны быть заранее рассчитаны или установлены, а их изменение в процессе эксплуатации - спрогнозировано.
Решить, поставленную задачу, можно лишь опираясь на модель, описывающую процессы изменения параметров станка во времени и учитывающую как функциональные связи, так и вероятностную картину явлений.
Современное автоматизированное производство, ориентированное на достижение высокой производительности обработки материалов и выпуск качественной продукции за счет снижения затрат на ее изготовление и совершенствования алгоритмов управления производственным процессом, нуждается в разработке и внедрении новых методов, позволяющих на уже существующем оборудовании получать при меньших затратах большее количество продукции, сохраняя при этом ее качество.
Анализ отечественного парка металлорежущих станков с числовым программным управлением (ЧПУ) показывает, что в настоящее время в эксплуатации находится еще большое количество устройств ЧПУ (УЧПУ) второго поколения. И повышение эффективности обработки на
металлорежущих станках, оборудованных данными устройствами ЧПУ, за счет написания для них модернизированного программного обеспечения на данном этапе развития систем программного управления станками является весьма актуальным.
Для написания программного продукта необходимо разработать математическую модель системы. Именно математическая модель является тем инструментом, с помощью которого можно получить необходимую информацию для принятия технологического решения. Решение многих научных и технических задач значительно упрощается при использовании различных моделей. Многообразие объектов, целей и задач моделирования породило множество различных типов моделей. Математическое моделирование является одним из наиболее распространенных методов, которые используются при создании современных сложных САПР [40]. Основой математического моделирования является процесс установления соответствия между реальным объектом и математической моделью. Выбор математического аппарата для построения модели зависят как от природы и свойств моделируемого объекта, так и от характера решаемой задачи.
По мере роста требований, предъявляемых к точности и производительности станков, а, следовательно, к жесткости элементов, скорости рабочих перемещений, уровню колебаний, величинам динамических сил в переходных режимах, развиваются, совершенствуются и усложняются расчетные методики, используемые при проектировании и, следовательно, усложняется и применяемый для их построения математический аппарат.
Математические модели достаточно адекватно отражают реальные процессы работы механизмов, а также их подсистем и узлов в различных условиях эксплуатации. Эти модели используются для изучения тех или иных эксплуатационных параметров существующих или вновь создаваемых
технических систем, что дает разработчикам ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами исследований [29]:
используемый формально-логический аппарат дает широкие возможности количественного и качественного анализа моделей с помощью современных математических методов;
универсальность математического языка позволяет использовать одни и те же модели для исследований физически различных систем;
возможность получать результаты, относящиеся сразу к целому множеству возможных состояний исследуемой системы;
сокращение времени и стоимости исследований за счет использования алгоритмов численного анализа и вычислительной техники в процессе моделирования.
По отношению к другим методам научных исследований, математическое моделирование делается более приоритетным за счет использования мощного математического аппарата и современных возможностей вычислительной техники. Малые сроки и сравнительно небольшие капиталовложения, необходимые для проведения таких исследований, интересуют руководителей и проектировщиков современных машиностроительных предприятий, что и приводит к успешным разработкам в области программно-аппаратных систем математического моделирования для расчетов и испытаний механических систем. Внедрение подобных систем позволяет неуклонно совершенствовать качество и потребительские свойства выпускаемой продукции, повышать рентабельность и неизбежно снижать ее себестоимость, проводить успешную маркетинговую политику, гибко и своевременно реагировать на изменение спроса и предложения со стороны клиентов в условиях острой конкурентной борьбы на рынках сбыта.
В этой связи, научная новизна работы заключается в разработке модели параметрических колебаний механизма подачи металлорежущих станков и
разработки методов их минимизации на основе коррекции закона движения подачи в управляющей программе.
Практическая ценность работы заключается в повышении точности позиционирования механизма подачи и, в конечном итоге, точности обработки заготовки на металлорежущих станках с ЧПУ.
