Введение к работе
Актуальность темы. Тенденции развития машиностроения требуют от промышленности достижения новых рубежей точности обработки. Современные металлообрабатывающие станки должны оперировать микрометровыми величинами с переходом в нанометры.
Привод подачи является важнейшей частью любого автоматизированного металлообрабатывающего станка (МРС), точность перемещения его рабочего органа определяет точность обработки деталей. Исследованием приводов подач занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, В.Э. Пуш, Б.А. Пронин и ряд других.
Несмотря на высокие возможности современных цифровых управляющих систем и наличие датчиков положения высокого разрешения, исполнение приводом подачи команд управляющих устройств сопряжено с техническими трудностями вследствие слабой управляемости малых перемещений с дискретностью менее 1 мкм. Решением задачи осуществления подобных перемещений может послужить шаговый привод с многоступенчатой фрикционной передачей.
Шаговые двигатели (ШД) являются важными компонентами привода подачи некоторых современных металлообрабатывающих станков. Их исследованием занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, Л.А. Садовский и др. ШД обладают высоким рабочим моментом, возможностью удержания вала во время отсутствия управляющего сигнала, высоким ускорением разгона, простотой управления от цифровых управляющих систем.
Фрикционные передачи (ФП) применяют в кинематических цепях приборов для обеспечения плавности движения, бесшумности и безударного включения, а также в приводах координатно-измерительных машин. Исследованием ФП занимались Б.А. Пронин, Р.В. Вирабов и др. Многоступенчатая ФП (МФП) используется в приводах подачи токарных модулей серии ТПАРМ, обладающих высокой точностью позиционирования (до 0,2 мкм) и способностью реализовать функции стружкодробления (с частотой до 16 Гц). Для реализации этих возможностей применяются такие дорогие и сложные в настройке и эксплуатации компоненты, как аэростатические направляющие суппорта и лазерный интерферометр в качестве датчика обратной связи. В СГТУ исследованиями особенностей использования МФП в станках занимались М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.В. Байков. Однако существующие технические решения применения МФП в станках для обработки деталей с размерами до 100 мм с погрешностью менее 0,5 мкм недостаточно исследованы, отсутствует развитая теоретическая база, согласно которой можно было бы осуществлять проектирование современных приводов с МФП, особенно с большим числом ступеней. Сведения об исследовании особенностей взаимодействия МФП и ШД отсутствуют.
Таким образом, повышение точности управления малыми перемещениями рабочего органа металлообрабатывающего станка с помощью шагового привода с МФП – актуальное целесообразное научное и практическое направление представленной работы.
Целью работы является повышение точности малых перемещений рабочего органа автоматизированного прецизионного станка на основе применения комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
-
Обоснование требований к приводу подачи посредством анализа его влияния на качество управления перемещением и точность металлообработки в современных автоматизированных металлообрабатывающих станках.
-
Анализ процессов, протекающих при реализации малых перемещений, разработка метода повышения точности управления движением с малой скоростью использованием шагового привода с МФП.
-
Создание математических моделей для оптимизации основных геометрических и силовых параметров МФП.
-
Разработка методики автоматизированного проектирования МФП.
-
Разработка алгоритма комбинированного управления приводом, реализующего предложенный метод, проведение исследований с экспериментальным образцом шагового привода с МФП.
-
Внедрение результатов исследований.
Методы исследований. Теоретические исследования базировались на положениях теории автоматического управления, теоретической механики, прочности материалов, математического анализа. Использовались современные программные средства вычислительной техники при моделировании процессов, протекающих в системе, а также при обработке и анализе экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования проводились на разработанной лабораторной установке по определению скольжения в зависимости от нагрузки и скорости движения и станке ТПК-125В, модифицированном путем замены штатного привода исследуемым. Для управления модифицированным приводом использовались разработанные автором программные продукты. Достоверность результатов обеспечивалась современными методами измерений, соответствующей контрольно-регистрирующей аппаратурой и приборами.
Научная новизна.
-
Разработан алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающий замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством.
-
Построены математические модели, устанавливающие взаимосвязь между геометрическими, динамическими и силовыми параметрами МФП и позволяющие определить параметры привода, оптимизированные с точки зрения минимизации его инерционности и сил прижатия роликов.
-
Разработаны алгоритм автоматизированного расчета параметров МФП с различным числом ступеней и методика его применения при автоматизированном проектировании МФП с обеспечением заданной точности управления.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Результаты исследований путей повышения точности перемещения рабочего органа прецизионного МРС за счет использования особенностей взаимодействия ШД и МФП.
-
Алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи с МФП прецизионного токарного станка
-
Методика анализа динамики привода подачи металлорежущего станка, учитывающая особенности МФП.
-
Математическая модель силовых взаимодействий элементов трехступенчатой ФП, учитывающая знакопеременные нагрузки.
-
Математическая модель, оптимизирующая геометрические и динамические параметры МФП.
-
Методика автоматизированного проектирования высокочувствительной МФП.
-
Результаты экспериментальных исследований точности и внедрение шагового привода с МФП с использованием установки на базе прецизионного токарного станка.
Практическая ценность и реализация работы.
Решена задача повышения точности управления малыми перемещениями рабочего органа автоматизированного прецизионного МРС. Предложена концепция привода, способного реализовать высокоточные перемещения рабочего органа дискретностью до 0,02 мкм в диапазоне до 300 мм.
Разработана программа для автоматизированного проектирования МФП, определяющая оптимальные значения геометрических, силовых и динамических параметров.
Реализован алгоритм комбинированного управления шаговым приводом с МФП в виде управляющей программы для модернизированного токарного станка ТПК-125В заменой существующего привода поперечной передачи с винтовой парой на разработанный привод. Изготовлен стенд и подготовлена лабораторная работа, используемая в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ.
Апробация работы. Материалы работы представлялись на пяти международных научно-технических конференциях (НТК): X Международной НТК «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006 г.); Международной НТК «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2006, 2007 гг.); конференции молодых ученых (СГТУ, 2007 г.); Международной НТК «ШлифАбразив-2007» (Волжский, 2007 г.); ежегодных НТК на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2006-2009 гг. Полное содержание работы доложено на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета в 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 опубликованы в изданиях, включенных в перечень, рекомендованный ВАК, 7 работ написаны единолично автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований и 2 приложений. Работа содержит 144 страницы, в том числе 125 страниц основного текста, 39 рисунков, 13 таблиц, а также приложения на 21 странице.
