Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор работ по технологии нанесения композиционных материалов при намотке и выкладке 1.1 Материалы композиционные полимерные 7
1.2 Элементы композиционной технологии
1.3 Системы автоматизированного управления намоточным и выкладочным оборудованием 13
1.4 Намоточное и выкладочное оборудование 18
1.5 Постановка задачи исследования 20
2 Теоретические основы и расчетный анализ параметров технологии автоматизации намотки и выкладки 22
2.1 Принципы управления технологией намотки и выкладки 22
2.2 Анализ кинематики намотки и выкладки
2.2.1 Геометрия намотки и выкладки 26
2.2.2 Точность намотки и выкладки 30
2.3 Исследование и сравнение способов нелинейной интерполяции в технологии программирования 40
2.3.1 Параметрическая интерполяция 40
2.3.2 Сплайн-интерполяция 41
2.3.3 Базовые параметры геометрии движения в постпроцессоре «Намотка» 45
2.3.4 Преобразования ПИ в модифицированные сплайн функции «Сплайн - М» для инвариантного управления приводами координат 47
2.3.5 Расчетный анализ параметров технологических программ с интерполяцией на основе «Сплайн М» 56
Выводы 60
Исследование и анализ вопросов технологии управленим приводами координат оборудования с использованием цифровой фильтрации сигналов компенсации ошибок 62
3.1 Исследование вопросов технологии мульти программирования в режимах модифицированных сплайн функции «Сплайн - М» и фильтрации сигналов управления следящими приводами координат. 62
3.2 Аппроксимация управляющих сигналов на основе функций «скользящей» регрессии с автокорреляцией шага скольжения ...64
3.3 Расчетно - аналитическая оценка цифровой фильтрации методом «скользящей» регрессии и мультипрограммирования процессов
3.4 Анализ элементов мультипрограммирования для расчета, управления и цифровой фильтрации сигналов управления следящими приводами
4 Рациональный выбор параметров приводных узлов оборудования координат по условиям максимального быстродействия ...77
4.1 Вьібортіараметров быстродействия для силовых частей приводов... 77
4.2 Расчет рациональных передаточных чисел и времен разгона приводов с учетом инерционной и статической нагрузок 81
4.3 Расчетно - аналитическая оценка эффективности методов повышения производительности и точности намотки и выкладки на основе системы управления с ПИ и модифицированных сплайн - функций...88
4.4 Расчетно - экспериментальная оценка параметров движения и динамики с выбором передаточных отношений редукторов и управления в режимах модифицированных сплайн — функций «Сплайн М» .90
Общие выводы 96
Список использованных источников... 98
- Системы автоматизированного управления намоточным и выкладочным оборудованием
- Намоточное и выкладочное оборудование
- Исследование и сравнение способов нелинейной интерполяции в технологии программирования
- Аппроксимация управляющих сигналов на основе функций «скользящей» регрессии с автокорреляцией шага скольжения
Введение к работе
Актуальность работы. Дальнейшее повышение качественных показателей авиационной, ракетной, корабельной техники, ветросиловых установок и многих других изделий специализированного машиностроения невозможно без разработки технологических процессов нанесения с достаточной точностью и производительностью композиционных материалов (КМ) на детали и узлы этой техники. Применение КМ значительно повышает прочность деталей, а также электромагнитную и радиационную защиту изделий при значительном снижении их весовых характеристик.
В настоящее время область использования КМ значительно расширилась не только в отечественном авиастроении, в производстве ракетных устройств и ветросиловых энергетических установок, в автомобилестроительной и корабельной промышленности. Так например, в ОКБ ДЗМПО «Радуга», ДМЗ «ТЕНЗОР», ДМЗ «АТОЛ» (г. Дубна), СКБ ОМПО (г. Обнинск), ДМПО (г. Долгопрудный), ФГУП ММПП, «САЛЮТ» (г. Москва), КИАПО (г. Киев), ВАПО (г. Воронеж) ведутся постоянные проектно-конструкторские разработки в этих направлениях и сотрудничество с ОКБ СМЗ (г. Кимры).
Композиционная технология (КТ) выполняется методами намотки и выкладки лент или полотен из стекло пластических, метало и угле волоконных материалов с дополнительным применением эпоксидных и других клеевых связующих, как в авиационной промышленности, так и в других отраслях, на специализированном оборудовании с ЧПУ.
С непрерывной намоткой КМ операции ведутся на оправки намоточного станка, например для изготовления баллонов цилиндрической формы, конусов и других изделий, имеющих ось вращения. Используется также и процесс нанесения КМ путем выкладки его в отдельных местах, как на оправке намоточного станка, так и на деталях различной формы с использованием дополнительного агрегата выкладки.
Точность нанесения КМ, определяется суммарной погрешностью отработки программируемой траектории при намотке и выкладке ленты или полотна (погрешность изготовления материала по ширине и толщине порядка ±0,1 мм), с исключением случайного краевого их наложения.
Производительность оборудования определяется контурной скоростью движения при нанесении КМ в пределах цикла изготовления детали, допускаемой погрешностью, а также технологическими режимами натяжения КМ, температурой клеевых связующих.
В отечественном оборудовании, до внедрения новых методов управления, контурная скорость нанесения материала в рабочих режимах КТ составляла —15...20 м /мин, с погрешностью отклонения его кромки от траектории ±1мм. На основе технологии динамического программирования в ЧПУ, цифровой фильтрации сигналов инвариантного управления и рациональном выборе передаточных отношений в редукторах следящих приводов, достигнута скорость до ~3 5... 40 м/мин с погрешностью отклонения кромки
± 0,25мм, что соответствует требуемым параметрам точности и производительности для современного оборудования.
Ограничениями точности и производительности этого оборудования, в целом обусловлено способами программирования и управления динамическими характеристиками элементов системы «ЧПУ - следящие привода - исполнительные узлы оборудования».
Поэтому, разработка способов программирования динамических законов движения для управления намоткой и выкладкой, установление зависимостей параметров точности и производительности от способов программирования процесса нанесения КМ, с учетом динамических характеристик управляемой системы, является важной научной задачей.
Целью работы является повышение точности и производительности технологии нанесения композиционных материалов на основе разработки способами управления динамическим программированием методами сплайн функций, цифровой фильтрации управляющих сигналов и рационального выбора элементов специализированного оборудования с ЧПУ при изготовлении деталей авиационной, ракетной и др. техники.
Методы исследования базируются на современных представлениях о физических процессах, протекающих в технологии намотки и выкладки КМ, с необходимым применением теоретических и экспериментальных методов исследований, которые проводились с использованием основных положений теории технологии машиностроения, методов теории автоматического регулирования, математических основ нелинейного и динамического программирования, методов статистической обработки случайных функций в мультипроцессорных режимах управления, классических методов теоретической механики и статистических методов исследований.
Также использовались аналитические и численные методы математического программирования, например, для преобразования статических видов интерполяции в их динамическую форму.
Из аналитических методов использовались методы дифференциального исчисления и прямые методы решения задач оптимизации, в частности нахождения оптимальных значений целевой функции передаточных отношений для рационального выбора их в редукторах приводных узлов намоточного и выкладочного оборудования.
Научная новизна работы. 1) На основе проведенных исследований изучены закономерности влияния технологических режимов и условий, возникающих при управлении приводами следящих координат, в том числе скоростных и динамических характеристик, существующих технологий управления и программирования процессами нанесения КМ, установлены:
а) зависимости влияния внешних сигналов компенсации ошибок в каждом контуре регулирования приводов на точность и скорость их отработки, соответственно на производительность всего технологического процесса;
б) зависимости способов системного управления, в том числе динамического
программирования движений на основе модифицированных сплайн функций и цифровой
фильтрации сигналов управления следящими координатами;
в) зависимости для рационального выбора элементов кинематики оборудования.
2) Получены зависимости преобразования параметров траектории движений, при нанесении
материалов в КТ, от видов интерполяции при программировании стандартными методами:
линейной, круговой, спиральной и нового, рассматриваемого в данной работе,
модифицированного сплайна с динамической формой параметрической интерполяции.
3) На основе проведенного исследования инвариантного управления приводами получены
аналитические зависимости для оценки уровня сигналов компенсации скоростных и
динамических ошибок для каждой из координатных осей, что существенно повышает
технологическую точность намотки и выкладки.
4) На основе проведенного исследования влияния скорости и динамических параметров
следящих приводов с инвариантным управлением на производительность оборудования КТ,
получены зависимости, позволяющие вести цифровую обработку сигналов динамического
программирования и управления приводами каждой из координат, с целью улучшения их
влияния на динамические характеристики приводов в режимах регулирования.
Исследованы методы мультипроцессорного управления приводами координатных осей и программирования сложных форм и получены зависимости, позволяющие непосредственно в каждом из мультипроцессоров формировать сигналы компенсации скоростных, динамических и других ошибок индивидуально для каждого привода, что значительно повышает точность и производительность всего технологического процесса.
На основе теоретических и экспериментальных исследований, получены зависимости для выбора рациональных передаточных отношений в редукторах следящих приводов.
Практическая ценность работы заключается: в разработке методов расчетной оценки влияния на точность и производительность предлагаемых способов динамического программирования движений, которые наиболее эффективны в управлении технологическими процессами при нанесении КМ; в разработке методов технологии преобразования и цифровой фильтрации сигналов компенсации скоростных и динамических ошибок в следящих приводах по каждой из координат; в разработке способов мультипроцессорного программирования, при управлении следящими приводами с целью повышения их скоростных и динамических характеристик; в разработке методик выбора рациональных передаточных отношений в приводных редукторах по координатам намоточного и выкладочного оборудования, что повышает быстродействие следящих приводов, точность и производительность этого оборудования.
Реализация работы. Полученные зависимости использованы при отработке технологии и при разработке конструкций, изготовлении, наладке и настройке намоточных и выкладочных станков с ЧПУ различных типов.
Результаты работ внедрены в станках: НК - 9, НК - 10, НК - 0,8 - 2,5, НК - 1,6 - 8, НК -2,5-12 - для нанесения покрытий методом намотки и выкладке; НБ - ЗПУ, НШ - З, НШБ -3 для намотки различных баллонов, в том числе и шаровых; ВКЛ - 2 - 12 - для выкладочных операций; НЛ - ЗА - для намотки лонжеронов вертолетных винтов.
ОАО «САВМА», ОАО «СМЗ», г. Кимры выпустили порядка 50 видов этого оборудования, которые используются в производстве деталей летательных аппаратов ИЛ96, СУ29, МИ9К и др. на заводах авиационной промышленности. Подтверждено Актом внедрения.
Результаты работы используются в учебном процессе.
Апробация работы. Основные результаты работы проверены на стендах, опытных образцах и серийно выпускаемых станках, работающих в промышленности.
Результаты работы докладывались на XVI факультетской научно - технической конференции «Информатика и Технология» МГУПИ апрель 2010г.; на международной научно - практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» ИМАШ РАН им. Благонравова, МГУПИ, ФГУП «ММПП, «САЛЮТ» июнь 2010г.; на заседании кафедры «Технологическая информатика и технология машиностроения» (ТИ-1) МГУПИ 2011г.
Личный вклад. Разработаны методы: расчетной оценки влияния способов динамического программирования движений; преобразования и цифровой фильтрации сигналов компенсации скоростных и динамических ошибок в приводах координат; выбора рациональных передаточных отношений в редукторах по координатам намоточных и выкладочных станков, что повышает быстродействие следящих приводов, точность и производительность этого вида оборудования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ из них 1 по перечню ВАК.
Структура и объем работы.
Системы автоматизированного управления намоточным и выкладочным оборудованием
В настоящее время особое внимание в промышленном производстве машиностроительного оборудования уделяется намоточным, выкладочным и другим станкам для производства деталей из КМ, а также и специальных изделий, например шин для АП, других отраслей.
Так как намоточные и выкладочные станки являются специальным оборудованием [8,85], требования к отдельным элементам кинематики привода, способам их управления, могут значительно отличаться от обще -известных требований к металлообрабатывающим станкам [2,9,86,91].
Эти отличия могут определяться, как вполне традиционными подходами для металлообрабатывающего оборудования, так и значительной спецификой в намоточных и выкладочных станках [6,28,37, 40].
Так в конструкциях токарных станков с передней бабкой и с редуктором в задней бабке с позиционным управлением опорного конуса пиноли, нет каких - либо особых изменений в требованиях к приводу главного движения.
В то же время, например для фрезерных станков с ЧПУ, появление электро - шпинделей значительно упростило расчеты, например рационального соотношения инерционной нагрузки в схеме «двигатель -редуктор - нагрузка».
Нагрузкой электро - шпинделя, стала оправка с инструментом, что поставило вопрос оптимизации приводной схемы в разряд сравнительного расчета и рациональных ограничений общего момента инерции ротора электро - шпинделя и оправки с инструментом.
В намоточных станках, где понятие главного привода определяется вращением оправки, как угловой координатной оси (далее - координаты), приводные узлы, обеспечивающие движения по другим координатам. должны выполнять пространственно точное наложение композитного материала на оправку.
Этот процесс намотки, как бы обратный относительно обработки материала в металлорежущих станках, идет при относительно высоких и отличающихся от металлообработки знакопеременных скоростях, а также ускорений, и соответствующим их разложением по координатам.
Приведенные статические и инерционные нагрузки приводов координат увеличиваются на оправке и могут значительно превышать или меняться на других координатах, в процессе изготовления изделий и смены композитных технологий.
По этой причине возникает необходимость применения элементов расчетной оптимизации или рационального выбора элементов привода в схеме «система управления - двигатель - редуктор - нагрузка» для повышения быстродействия, что является одним из необходимых условий повышения точности и производительности в намоточных и выкладочных станках с ЧПУ.
Поскольку детали, выполняемые намоткой и выкладкой, в основном относятся к авиационной, ракетной и космической технике, особое внимание здесь уделяется требованиям к точности изготовления изделий на таких станках, необходимости непрерывного контроля в процессе их обработки [20,21,34,46].
Для управления намоточными и выкладочными станками класса НК (намотка композитов) с дополнительными операциями выкладки, НЛ (намотка лонжеронов), др. эти требования могут быть достигнуты применением высокопроизводительных систем управления, приводных устройств, средств контроля и ЧПУ нового поколения [17,26,35,39,78,82, 83,84,93,94,96,97,98,100,101].
Система ЧПУ для намотки и выкладки может быть связана с непрерывным процессом записи основных параметров намотки (натяжение, температура, др.), выходные диаграммы которого позволяют оценивать качество полученной детали, так как непрерывно, в течение всего технологического процесса, фиксируются текущие значения температуры нагрева раскладочного ролика, натяжение ленты и другие режимы намотки. Новые разработки последних лет позволили повысить точность и производительность оборудования и станков за счет применения новейших отечественных и зарубежных систем УЧПУ, таких как: «Пимак - ЗМ», NC ПО, РА-8000, Sinumerik 840 DE, S9600, S10, «Альфа», цифровых вентильных приводов (ЦВП), датчиков обратной связи (ДОС) и средств автоматизированного контроля параметров композиционных технологий с высокими разрешающими характеристиками [83,84,86,87,88,93,94,96,97, 98,101].
В некоторых системах управления и перечисленных выше УЧПУ, с использованием новых режимов интерполяции, например «сплайн», а также ЦВП, достигнуто высокое быстродействие и производительность управления металлообратывающими станками, а также повышение норм их точности и качественных характеристик композиционной технологии [61, 62,88,89,90,91,95,99].
Одним из отличительных особенностей в технологии автоматизации режимов намотки и выкладки, можно отметить программирование траектории витков для нанесения покрытия таким образом, чтобы каждая из 3 5 - ти координат, образующих движения по траектории витка, содержали бы расчетные параметры скорости, ускорения, производной от ускорения (импульс момента движения).
В стандартах типа ISO, EIA, программирование траектории в объеме 3 - 5 ти координат, определяется заданием контурной скорости и возможных ограничений рабочих ускорений при переходе от одного кадра (блока) к другому [5,68,69,70,72,95].
Намоточное и выкладочное оборудование
Геометрия нанесения КМ по общей траектории, образуемой движениями по координатным осям намоточного и выкладочного оборудования, не только зависит от формы выходного изделия, но и обладает свойствами, используемых в этой технологии для ее формирования геодезических линий.
Например, в пространстве 3-х координат X, Z, С, намоточного и выкладочного оборудования, эти свойства определяются из условий сохранения баланса производных второго порядка d2uVds2 и Yrfd /ds2, относительно параметров кривизны геодезических линий на поверхности поля г (м, v) (рисунок 2.1), по дифференциальному уравнению [15] d2uVds2 + Yifd2v /ds2 = 0 \/ (2.1) " где Гп - коэффициенты Кристоффеля, определяющие элементы кривизны линий поверхности; ds - площадь криволинейного параллелограмма при изменение кривизны на
Определение коэффициентов Гп уравнений (2.1), а также представление линии контура по уравнениям геодезических линий является одной из непростых задач формообразования и управления в КТ.
Уравнения с производными второго порядка на поверхности с нелинейными координатами, значительно усложняют моделирование траектории и формирование движений, например для намотки и выкладки в пространстве от 3-х до 5-ти координатных осей.
Наиболее рациональным может быть формообразование геометрии при намотке и выкладке, путем аппроксимации ее участками, на основе линейной, круговой или спиральной интерполяций через узловые точки (УТк), измеренные на поверхности оправки или на заготовке изделия оправке [10,40,49,86,88,89].
Эти базовые измерения контрольных точек на оправке, и определяют узловые точки по контурам витков (УТк), при используемых в программах УЧПУ различных способах интерполяции [20,31].
Наиболее наглядно, это видно при намотке изделий типа «Баллон» на участках законцовок (на концах баллона), как длинных, так и с короткой длиной (рисунок 2.2, рисунок 2.3).
Образующие движения при этом по координатным осям: вращение оправки 1(С), раскладчика 3 в продольном направлении 4(Z), поперечном 5(Х), с поворотами ролика 6(А), 7(В), с законцовками 8, 9 на днищах с линейными участками 10 контура отдельного витка 11 Координатные оси: С; А (X); C(Z)
Технология формирования геометрии контура наложении витков ленты на оправку 1 конического изделия 2 типа «Баллон» с
По мере технического развития программно - аппаратных средств, появились и более совершенные способы интерполяции: кубическая интерполяция - «КУБ», моделируемая на поверхности аналитически в 3 - х координатах, параметрическая (ПИ) с неограниченным числом координат, сплайновая -«Сплайн» [1,10,11,20,32,34,35,37,38,47,86,89,90]. 2. 2. 2 Точность номотки и выкладки
Точность характеризуется погрешностью ДА намотки и выкладки, в достаточной мере зависит от принятого способа программирования геометрии в пространстве 3 - х и более координат, их скоростных и динамических составляющих AAJ по координатным осям, которые непосредственно зависят от координатных элементов FkJ вектора контурной скорости Fk, постоянного или изменяющегося по траектории нанесения покрытий.
При индивидуальном изготовлении деталей на станках с программным управлением, точность намотки или суммарная погрешность выполняемого размера выражается известной зависимостью (2.2), предложенной В.С. Корсаковым [43] А = Ау + Ан + Аи + Ат+ Лет + ДА + Аз 6 (2.2) где Ау - погрешность, получаемая в результате упругих отжатий элементов технологической системы; Ан - погрешность установки инструмента на размер; Аи - погрешность в результате размерного износа режущего инструмента (для намоточных и выкладочных станков погрешность установки раскладочных узлов на размер); Ат - погрешность, вызываемая температурными деформациями технологической системы; Дет - погрешность, вызываемая геометрическими неточностями станка; ДА - погрешность, вносимая системой программного управления; Аз - погрешность в результате деформаций технологической системы от зажимных сил; 8 - допуск на обрабатываемый размер детали.
Значительную зависимость выходного показателя технологической погрешности А от ДА Можно оценить, рассматривая основные параметры динамических ошибок следящих приводов координатных осей станка, управляемых от системы ЧПУ при отработке траектории нанесения КМ на выкладочных и намоточных станках.
Погрешность ДА, вносимую системой программного управления, можно представить в функции отдельных составляющих динамических погрешностей, возникающих при движении по координатным осям специализированного оборудования для нанесения КМ ДА = f(AAl, АА2, ..., AAJ) = ч (2.3) где AA1, АА2,..., AA1 - составляющие динамических погрешностей следящих приводов при отработке перемещений исполнительными узлами и агрегатами по координатным осям.
Среди основных направлений повышения точности и производительности намотки и выкладки, таким образом, выбраны следующие: нелинейное программирование участков контура нанесения покрытия на основе динамических уравнений законов движения координатных осей; инвариантное управление каждым приводом по координатам; цифровая фильтрация и компенсация скоростных и динамических ошибок, рациональный выбор элементов приводных узлов.
Возможность программирования параметров компенсации ошибок, позволяет осуществить движения по координатам при намотке и выкладке изделий с минимальной ошибкой формы, с переменными скоростями и ускорениями движений по осям координат, что и определяет в конечном итоге точность и высокую производительность нанесения КМ и всей технологии, выполняемой на специализированном оборудовании с ЧПУ.
Количество УТк для опорных координат, а также и дополнительных делений между точками УТк, УТк+1 отдельного участка, определяется принятой нормой погрешности АА геометрии контура по формуле (2.3), которая для намотки и выкладки КМ на отечественном оборудовании устанавливалась в допускаемых пределах по условию: А = 4 м + АЛ2 + Л-лз + Лл4 + А2 ±\мм (2.4) где AA1= (exl + ех2)Кх12 - скоростной ошибке exl и ошибке от ускорения ех2 поперечного движения каретки раскладчика по координате X; АА2 = (ezl + ez2) Kzl2; - скоростной ошибке ezl и ошибке от ускорения ez2 продольного движения всего раскладочного узла по координате Z; ААЗ = (eel + ес2) Кс12; - скоростной ошибке eel и ошибке от ускорения ес2 при вращении оправки по координате С;
Исследование и сравнение способов нелинейной интерполяции в технологии программирования
Применение цифровой фильтрации на основе скользящей регрессии для выравнивания (сглаживания) сигналов: скоростной компенсации, компенсации динамических ошибок от ускорений, импульсов движений может быть выполнено по данным этих параметров для программы намотки, рассмотренной выше с необходимыми расчетами в таблицах 2.11, 2.12, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 (см. Приложение Д).
Использование программы цифровой фильтрации, например GRA, возможно при условии ее программирования в параметрах УЧПУ, а также свободного обращения к ней в технологических подпрограммах ТП через необходимый набор команд ввода/вывода параметров компенсации (скорости, ускорения, импульсов движения).
С учетом программирования ТП на основе интерполяций, как параметрической - ПИ, так и применения модифицированного «Сплайн -М», с динамическим распределением узловых точек (УТк) во времени, параметры компенсации должны вычисляться в параллельных процессах, где реализуются расчеты характеристик GRA, параметры компенсации, а также их ввод/вывод по каналам приводов соответствующих приводов следящих координат.
Программа расчета цифровой фильтрации случайно распределенных параметров, определяемая как функция Y(X), на основе метода скользящей регрессии выполнена на языке СИ, с условным названием - GRA (см. Приложение Б).
В целях качественной оценки эффективности метода цифровой фильтрации, например сигналов компенсации aji = qlO в контуре ускорения привода координаты 2 (таблица 2.5), с последовательной аппроксимацией предыдущей фильтрации может быть выполнено в несколько шагов (порядков). Отметим следующие особенности цифровой фильтрации данным методом: - первый порядок цифровой фильтрации определяет исходную функцию с качественным подавлением переменной составляющей помехи aji = аЮ на порядок, т.е. в 18 20 раз (рисунок 3.5): - второй шаг отбора полезной составляющей - aj = aЮ сохраняет такой же порядок, т.е. с погрешностью не хуже 0,25 %. - третий шаг фильтрации мало отличается от качества аппроксимирующего метода второго шага, так как значение погрешности уже составляет порядка -0,01%.
Практически для цифровой фильтрации сигналов компенсации в контурах скорости и ускорения можно применить первый порядок, что позволяет достаточно быстро формировать такие сигналы и передавать их в контуры привода соответствующей координаты.
Метод скользящей регрессии с автокорреляцией шага может быть выполнен по той же программе с небольшими изменениями, в части допускаемого набора шагов по алгоритму (рисунок 3.5). В случае применения фильтрации с установленным тактом времени, например At = Юме = 0.01с, с общим временем отработки кадра Тк [с]: Tk = X(ATk + At) (3.8) качество фильтрации сигналов компенсации значительно возрастает. Инвариантное управление приводами координат с использованием сигналов компенсации скоростных ошибок, а также ошибок по ускорению и др., наиболее эффективно с применением цифровой фильтрации на основе рассмотренного выше метода скользящей регрессии. 3. 4 Анализ алемэнтов мультипрограммирования для расчета, управления и цифровой фильтрации сигналов управления следящими приводами координат
Для специализированной УЧПУ, ее архитектура обеспечивает необходимый набор мультипроцессов Mpl, Мр2, ... Мрп, программируемых, как на отработку задач как ТП, так и для реализации ПИ, модифицированного «Сплайн - М», и для цифровой фильтрации на уровне GRA, с вводом выводом сигналов компенсации.
Алгоритм реализации управления с отработкой программ типа ТП13 (Виток баллона) с программированием в режимах ПИ и «Сплайн - М» (рисунок 2.8), объединяет поставленные в работе задачи.
Программа для формирования мультипроцессов Mpll, Mp12, Мр13, .... Mpl8, (см. Приложение Г) рассчитана например, для решения задач установленного набора интерполяций: ПИ, Сплайн - М, а также цифровой фильтрации сигналов компенсации для инвариантного управления приводами координат может быть в УЧПУ, например, таких как NC1 ЮМ, Альфа М, др.
Например, в CNC типа "АЛЬФА М", где в качестве центрального и специализированного процессоров CPUo, CPUi допустимо установить одноплатные процессоры на уровне PIV, системное ПРО можно выполнить с мультипрограммным управлением и применением до 24 мультипроцессов.
В таком исполнении, все режимы и процедуры обслуживания программ, в том числе и ПИ, «Сплайн», «Сплайн - М», распределяются на 16-24 параллельно работающих процесса с установленным уровнем приоритетов для выполнения задач в каждом.
Учитывая параллельность управления каждым процессом, и их приоритеты, через центральный и специализированный процессоры CPUo, CPUi можно пропускать достаточно большой набор задач: арифметических, расчетно - аналитических и логических, операционных и управляющих, как для ускоренной обработки данных, так и в среде медленных сигналов ввода - вывода. В системном или комплексном программном обеспечении (ПРО) его составляющие для CNC могут быть разделены на две части: базовое БПРО и специализированное СПРО. Система мультипрограммного управления для CNC представлена в виде блок - схемы или алгоритма ее функционирования (рисунок 3.6), где в каждом процессе решаются свои задачи:
Аппроксимация управляющих сигналов на основе функций «скользящей» регрессии с автокорреляцией шага скольжения
Угловые ускорения возрастают обратно пропорционально квадрату диаметра наматываемого изделия. Если принять, что при сохранении скорости сматывания 24 м/мин, наименьший диаметр наматываемого изделия равен 300 мм, наибольшее ускорение составят по приводам каретки 1,6 м/с и раскладчика 12,3 1/с . При этом условии, возможны следующие дополнительные выводы: 1. Изделия меньшего диаметра при скорости сматывания ленты 24 - 40 м/мин подлежат изготовлению на станке НБ - ЗПУ, имеющие другое компоновочное решение, характерное для малых изделий [17]. 2. Ускорение привода салазок значительно возрастет при характерной для корпусов сложной форме днищ, превышая значения ускорений по приводу каретки. 3. Ускорения привода раскладочного ролика резко возрастают при выкладке продольных слоев на оправке. Одновременно возрастают и ускорения по приводу каретки, салазок и раскладчика.
По этим причинам динамические нагрузки на приводы приняты исходя из наибольших ускорений по приводам каретки и салазок 1,6 м/с2, по приводам раскладчика и раскладочного ролика 12,56 1/с , что соответствует при реализации паспортных значений скоростей и разгону до наибольшей скорости за 0,25 сек.
Для металлорежущих станков время разгона приводов до скорости 9,6 м/мин в настоящее время принимается равным 0,3 - 0,4 с, ускорения в этих Приводах имеют величину 0,6 - 0,8 м/ с , несколько меньшую относительно принятых параметров редукторов для расчета ускорения в намоточных станках. Анализ траекторий движения приводов в намоточных станках при спиральной геодезической намотке, показывает, что для обеспечения наибольшей производительности станков целесообразно выбор передаточных отношений в приводах производить по критерию получения наибольших ускорений и быстродействию [2,9,26].
Расчет времени разгона каждого привода производится при условии ступенчатого изменения электромагнитного момента двигателя. При этом переходный процесс в электромагнитной системе двигателя, длящийся на порядок меньшее время, чем разгон привода, не учитывается (Тэ ЗТэм. прив.), где: Тэ - электромагнитная постоянная времени регулятора привода, а Тэм. - электромеханическая постоянная времени привода с учетом нагрузки.
Определение передаточных чисел UonTi , UonT2 редуктора привода производится согласно методикам работы [9] и работ [12,13,14,23] соответственно по двум формулам, с базовой основой для расчетов в форме кратких расчетно - графических определений (рисунок 4.1):
Базовые соотношения для определения оптимальных параметров редуктора, где: передаточные числа 1опт, 1, моменты двигателя и нагрузки Ms, Мс, моменты инерции ротора двигателя и нагрузки Jp = Jg, JH = Jc, уСКОреНИЯ НОМИНаЛЬНое СОн, и наибольшее СО наиб w Рисунок 4.2 - График разгона - торможения для оптимизации параметров редуктора. Ниже приводится вывод этих двух используемых в работе зависимостей. Оптимизация передаточного отношения U при позиционировании ведется по графику разгона и торможения скорости со (рисунок 4.2): - Оптимальное по быстродействию соответствует передаточное отношение U при позиционировании с разгоном tp и торможением tr. (р - угол поворота вала двигателя при позиционировании. - Оптимальное по быстродействию при разгоне до наибольшей скорости передаточное отношение U в схеме (рисунок 4.3) «Двигатель -Редуктор - Нагрузка».
Наибольшая линейная скорость каретки и салазок приняты согласно технической характеристике станка. VK=VC= 0,4 м/с, что соответствует частоте вращения валов реечных колес Наибольшая частота вращения шпинделя привода оправки: ыр=21Ът1 (с ). Расчет оптимальных передаточных чисел редукторов и времени разгона приводов, приводится в таблицах 3.2. ..3.7 (см. Приложение Е).
Расчетно - а-алитическая оценка эффективности методов повышения производительности и точности намотки на основе системы управления с ПИ и модифицированных сплайн - функций «Сплайн М»
Для сравнительной оценки предложенных в работе методов повышения производительности и точности, за основу приняты результаты расчетов допускаемых скоростей и ускорений по условиям максимального быстродействия (п.п. 3.1,таблица 4.1, рисунки: 4.9, 4.10, 4.11, 4.12, 4.13) и, полученные в результате анализа тех же параметров с применением ПИ и модифицированных сплайн - функций «Сплайн М» в тесте плавности ТЛИ (Таблица 2.1). Kcjl=Kcj2 = 0,85 - коэффициенты использования сигналов ЦАП - Ujl, Uj2, 4.4 Расчетно - экспериментальная оценка параметров движения и динамики с выбором передаточных чисел редукторов и управления в режимах интерполяции модифицированных сплайн - функций «Сплайн М»
Для сравнительной оценки аналогичных параметров точности анализируется характеристики движения и динамики координаты Z в тесте плавности ТП1 (рисунок 2.9) с применением ПИ и «Сплайн - М», где рассматриваются: - расчет коэффициентов Ajl, Aj2, Aj3, ускорения ajk, импульса движения pJK, др. в зависимости от временной (виртуальной) координаты Vjk (t). - расчет параметров координаты Xjk = Zjk, Fjn, FJK, И других параметров (ajk. pJK, VJK рассчитываются по уравнениям Xjk), от времени:
Тактовое время опроса каждой координаты (в том числе и расчетов сигналов компенсации ошибок) выбрано с частотой fo = 1/Atp = 100 Гц 2,7 3 fcp if ер = 35 38 Гц- частота среза привода координаты J), т.е. в расчете Atp = 0,01с = 10 мс (см. таблица 4.11).
