Введение к работе
Актуальность. Устойчивой тенденцией развития современной станкостроительной промышленности является возрастание требований к точности и динамическим характеристикам металлорежущих станков (МС). При этом наиболее сложные технологические задачи реализуются на многоцелевых станках и обрабатывающих центрах (ОЦ).
Особенностью таких станков является использование дополнительных механизмов координатных осей (МКО) подач, значительно расширяющих возможности обработки деталей. В конструкции МКО во многих случаях применяются редукторные передачи для обеспечения наибольшего момента резания. Наиболее характерным примером редукторных механизмов подачи станков являются координатные оси поворотного перемещения рабочих органов (поворотные оси), к числу которых относятся позиционируемые шпиндели, поворотные столы и т.п.
Использование редукторных устройств характеризуется наличием зазоров и, при определенных условиях, упругих звеньев в механической передаче, которые существенно усложняют регулирование координат электропривода (ЭП).
Известные подходы к устранению негативного влияния зазоров передач и известные способы электромеханической выборки зазора обладают существенными недостатками, вследствие чего не удается достичь высоких динамических и точностных характеристик управления движением рабочих органов механизмов поворотных осей.
Перечисленные факторы обуславливают необходимость улучшения показателей качества управления движением МКО станков, которое может быть достигнуто при использовании методов синтеза систем с упругими связями на базе принципов модального управления по полному вектору состояния объекта.
Структурное построение и программно-аппаратная реализация существующих систем ЧПУ в значительной степени ограничивают возможности комплексного управления электрооборудованием МС и не всегда позволяют достичь требуемой точности позиционирования и отработки контурных перемещений механизмов поворотных координатных осей.
Целью работы является разработка и исследование цифровой системы контурно-позиционного управления редукторными электроприводами многоцелевых металлорежущих станков, обеспечивающей высокоточное управление движением рабочих органов координатных осей в условиях зазоров и упругих передач кинематических цепей.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
1) анализ проблемы управления движением механизмов поворотных осей многоцелевых металлорежущих станков и определение требований, предъявляемых к системам управления электрооборудованием (СУЭО) МС;
-
исследование возможностей системы подчиненного регулирования по обеспечению максимальной точности контурно-позиционного управления электроприводом подачи поворотной оси МС с жесткими звеньями и зазорами в механической передаче;
-
разработка эффективных способов управления многодвигательными электроприводами с упругими связями и зазорами в кинематической схеме;
-
определение принципов рационального построения и разработка аппаратно-программных средств СУЭО МС на основе анализа оборудования и требований к системам ЧПУ и электроприводам подач.
-
экспериментальное исследование динамических и нагрузочных характеристик системы электромеханической выборки зазора и промышленное применение СУЭО МС.
Связь с целевыми программами. Работа выполнялась в соответствии:
-с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008 гг.), подраздел № 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» в рамках темы «Разработка теории робастного модального управления для решения задач автоматизации технологических объектов»;
- с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» (2007-2012 гг.), мероприятие № 1.6. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения» в рамках темы «Формирование заданных свойств электромехатронных модулей и систем на основе конечно-элементного компьютерного моделирования и синергетического управления в реальном времени».
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории пространства состояний и модального управления, матричное и операционное исчисление, аппарат передаточных функций и структурных схем, методы объектно-ориентированного программирования. Исследование синтезируемых систем выполнялось методами имитационного моделирования и натурных экспериментов на лабораторном и производственном оборудовании.
Научная новизна работы определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению проблемы управления редукторными электроприводами многоцелевых МС и заключается в следующем:
1) предложена методика настройки системы каскадного регулирования координатами электроприводов применительно к исполнительным органам металлорежущих станков, отличающаяся двухкритериальным подходом с использованием ступенчатого и плавно изменяющегося задающих сигналов
с целью достижения высокой точности и быстродействия контурно-позиционных перемещений.
-
разработаны эффективные способы модального и комбинированного управления координатами состояния взаимосвязанных электроприводов с зазорами и упругими звеньями в кинематических цепях, обеспечивающие повышение надежности и точности отработки контурно-позиционных перемещений ИО за счет высокодинамичного формирования тормозного момента распора и упреждающей компенсации зазоров механических передач;
-
предложены структурные решения и методы синтеза систем электромеханической выборки зазора, реализующие разработанные способы управления взаимосвязанными электроприводами, позволяющие обеспечить астатическое управление моментом распора, вести независимую настройку электроприводов, варьировать энергетические характеристики каналов;
-
предложены принципы рационального построения систем управления электрооборудованием металлорежущих станков, характеризующиеся использованием принципа открытой архитектуры СУЭО МС и применением контроллера движения для эффективного распределения и решения задач ЧПУ, логического контроля и управления ЭП на единой программно-аппаратной базе.
Практическую ценность имеют следующие результаты работы:
-
математические модели систем электромеханической выборки зазора с жесткими и упругими связями в кинематической схеме;
-
экспериментальный стенд и программно-аппаратные средства САУ для исследования многодвигательных систем с зазорами и упругими связями в кинематической схеме;
-
методика практической настройки электроприводов подачи металлорежущих станков;
-
аппаратная реализация и программное обеспечение цифровой СУЭО МС с использованием контроллера движения и промышленного компьютера для станков токарной, фрезерной, координатно-сверлилыюй и коор-динатно-расточной групп.
Практическое использование результатов работы. За период 2003-2008 гг. разработанные методы и средства цифровой системы управления электрооборудованием металлорежущих станков внедрены на следующих предприятиях Российской Федерации: ОАО «Импульс» (г. Иваново), ОАО «Каменский стеклотарный завод» (г. Каменск-Шахтинскнй, Ростовская обл.), ООО «Флакс», ОАО «Орелтекмаш» (г. Орел), ОАО «Свет» (г. Можга, респ. Удмуртия), ОАО «Великодворский стеклотарный завод» (п. Великодворье, Владимирская обл.), ООО «Офис-лайн», ФГУП «Крас-маш», Красноярский машиностроительный техникум (г. Красноярск), ОАО «Вати-Авто» (г. Волжский, Волгоградская обл.), ЗАО «Череповецкий завод металлических конструкций» (г. Череповец, Вологодская обл.).
Разработанной СУЭО МС оснащены станки следующих моделей: 16А20ФЗ (токарный патронно-центровой), 6Р13ФЗ, 6Т13ФЗ (фрезерные консольные вертикальные), МА655А8 (фрезерный вертикальный специализированный), ОС1000Ф4, 2550ПМФ4 (координатно-сверлильные специальные консольные); 2Е450АМФ4 (координатно-расточной вертикальный).
Использование в учебном процессе. Результаты работы послужили основой для учебно-методической разработки на кафедре «Электроники и микропроцессорных систем» Ивановского государственного энергетического университета им. В.И. Ленина по курсам «Электромеханотроника» и «Электротехнические промышленные установки». Созданные программные средства используются студентами ИГЭУ в лабораторных практикумах, курсовом и дипломном проектировании по специальности 210106 «Промышленная электроника».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» XI-XIV Бенардосовские чтения (Иваново 2003, 2005, 2007 гг.), II Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (Домбай 2007 г.), V международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007» (Санкт-Петербург 2007 г.).
Получены диплом участника II Ивановского инновационного салона «Инновации-2005», грамота лауреата конкурса молодых ученых II Ивановского инновационного салона «Инновации-2005», золотая медаль VI Московского международного салона «Инновации и инвестиции 2006», золотая медаль 55-го Всемирного салона инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель - Эврика 2006».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень научных изданий, рекомендуемых ВАК министерства образования РФ; получен патент № 2316886 на изобретение 3 способов управления взаимосвязанными электроприводами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 102 наименования, и 19 приложений. Работа изложена на 148 листах машинописного текста, содержит 98 рисунков и 7 таблиц.
