Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие мехатроники происходит под влиянием практических потребностей совершенствования систем управления движением в различных областях техники. Значение и роль мехатронных систем убедительно демонстрируются многочисленными примерами их применения в различных областях: машиностроении, робототехнике, микроэлектромеханике и др. Неоценимый вклад в теорию и практику исследования мехатронных систем внесли выдающиеся российские и иностранные ученые: С.Л. Зенкевич, Ю.П. Коськин, А.С. Ющенко, Ю.В. Подураев, С.Г. Герман-Галкин, В.Е. Пряничников, Ю.В. Павловский, Охоцимский, СВ. Кулешов, Р.Т. Шрейнер, В.Я. Распопов, М. Вукобратович, Исии Т., Bichop R.H., R.C. Dorf, Pelz G., F.C. Moon и многие другие.
Важнейшим приложением мехатроники являются промышленные автоматизированные комплексы и технологические агрегаты в различных отраслях промышленности, в том числе, при прокатке металлов. Назначение мехатронных систем в этом случае - выполнение механической работы по изменению формы металлического слитка, управление его движением в процессе обработки, а также координация всех подсистем прокатного производства. Различными вопросами исследования работы прокатного оборудования (преимущественно прокатных станов) и процессов прокатки занимались отечественные ученые: А.И. Целиков, С.Н. Кожевников, В.И.Большаков, С.Л. Коцарь, О.С. Лехов, Ф.К. Иванченко, П.И. Полухин, А.А. Королев, B.C. Смирнов, А.П. Чекмарёв, В.В. Веренев, Р.А. Яковлев, П.В. Крот. В работах этих авторов глубоко исследованы различные процессы и компоненты прокатного производства.
В процессе прокатки пластическая деформация слитка сопровождается упругой деформацией валков и непрерывным обновлением их поверхности. Процесс прокатки характеризуется как «необратимый, интенсивный, плохо управляемый». Сложность и многообразие взаимосвязанных процессов, происходящих при прокатке в очаге деформации, упругой клети, механической трансмиссии, электроприводе и системе управления, не позволяет эффективно использовать традиционные автоматические системы регулирования процессов.
В условиях возрастания спроса в различных отраслях промышленности на прецизионные сплавы с заданными особыми физико-химическими свойствами возрастает актуальность разработки и совершенствования мехатронных систем для специальных малотоннажных прокатных станов. Процессы обработки прецизионных сплавов давлением и, в частности прокатки, уникальны для каждого конкретного сплава и требуют индиви-
дуального подхода, а так же «гибкого», легко и быстро перенастраиваемого прокатного оборудования. Таким образом, в основе дальнейшего совершенствования прокатного оборудования должны лежать мехатронные принципы, предполагающие перенос функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальной легко перепрограммируемой электронике. Практическая необходимость реализации «гибкого», специализированного для прокатки прецизионных сплавов автоматизированного оборудования с одной стороны, и отсутствие адекватных моделей мехатронных систем, учитывающих технологические особенности процессов прокатки различных металлов при разных условиях, с другой стороны, определяют актуальность темы исследований.
Работа выполнялась в период с 2011 по 2013 г. во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых и соответствует п. 13 «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» Перечня критических технологий Российской Федерации, утвержденного Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. Научно-исследовательская работа проводилась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственные контракты № 2010-400-074-3973 и П-236).
Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении качества процессов управления в мехатронном комплексе прокатного стана при прокатке прецизионных сплавов на основе совершенствования алгоритмов управления, технических и программных средств и применения компьютерного моделирования.
Для достижения указанной цели сформулирована научная задача: составить математические модели процесса прокатки и компонентов меха-тронного комплекса прокатки; выполнить теоретическое и экспериментальное исследование взаимосвязанных процессов деформации металла, электромеханического преобразования энергии и процессов управления в мехатронном комплексе, а так же разработать аппаратные и программные средства контроля и управления, эффективные для процессов прокатки прецизионных сплавов.
Решение научной задачи предполагает составление математической модели процесса прокатки, ориентированного на решение задач анализа и синтеза мехатронного комплекса прокатки прецизионных сплавов; исследование взаимосвязанных процессов деформации металла, электромеханического преобразования энергии и процессов управления в мехатронном комплексе; структурный и параметрический синтез системы управления мехатронным комплексом; теоретическое и экспериментальное исследование электромеханических процессов при прокатке прецизи-
онных сплавов, анализ динамических нагрузок и сил трения при прокатке; разработку; разработку алгоритмического, технического и программного обеспечения мехатронного комплекса.
Методы исследования. Для решения сформулированной научной задачи использованы математические методы моделирования физических процессов, классическая электромеханика, вычислительные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений, теория автоматического управления, теория вычислительного эксперимента и обработки данных, теория обработки металлов давлением. Экспериментальные исследования проводились на линейном среднесортном прокатном стане ДУО-300 на Владимирском заводе прецизионных сплавов и точного литья при прокатке нихрома (Х20Н80 и Х15Н60).
Основные положения, защищаемые автором.
-
Математическая модель мехатронной системы прокатного стана ДУО-300, учитывающая взаимодействие электромеханических и информационных процессов и деформации прокатываемого металла.
-
Аналитические модели компонентов мехатронной системы прокатного стана и процессов при прокатке металлов, эффективные для выполнения вычислительных процедур при компьютерном моделировании: уточненное аналитическое описание кривых деформационного упрочнения нихрома, новая модель технологической нагрузки, учитывающая влияние скорости валков, модель сил трения в подшипниках опор валков прокатного стана и модель рабочих клетей.
-
Результаты исследования влияния структуры и параметров мехатронной системы на электромеханические процессы на начальном этапе захвата слитка валками и в установившемся режиме прокатки.
-
Новые способы коррекции мехатронной системы, обеспечивающие снижение динамических нагрузок при прокатке, использующие введение дополнительной компенсирующей обратной связи по скорости, действующей на входе усилителя мощности; изменение скорости двигателя в зависимости от скорости прокатки с учетом нелинейной характеристики нагрузки; применении предиктивного ПИ-регулятора тока.
-
Способ идентификации силы трения при прокатке, основанный на преобразовании диаграммы нагрузки приводного двигателя с использованием экспериментальной диаграммы холостого хода.
-
Методика параметрического синтеза мехатронной системы прокатного стана ДУО-300.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты: составлена и исследована математическая модель мехатронной системы линейного прокатного стана с клетями типа «ДУО», ориентированная на анализ, синтез и исследование систем управления; пред-
ложена новая модель технологической нагрузки механической системы прокатного стана, в которой учтено влияние линейной скорости валков на основе уточненного определения положения зоны прилипания в очаге деформации; исследовано влияние структуры системы управления электроприводом прокатного стана и её настроек на динамические нагрузки в момент захвата слитка валками и предложены способы их снижения; исследовано влияние структуры системы управления и её настроек на условия возникновения автоколебаний в мехатронной системе; сформулированы условия работы мехатронной системы прокатного стана без колебаний при прокатке; исследована сила трения при прокатке, предложен новый способ измерения диаграммы силы трения при прокатке металлов.
Практическая ценность работы. Предложенная модель мехатронной системы прокатного стана ДУО-300 позволяет проводить анализ и синтез регулирующих устройств, обеспечивающих снижение динамических нагрузок и отсутствие колебаний при прокатке, выбирать рациональные режимы прокатки с учетом характеристик обрабатываемого прецизионного сплава, определять силы трения при прокатке, оценивать причины вариаций технологического процесса. Разработанные технические средства управления двигателями прокатных станов ДУО-300 и ТРИО-500, подъемно-качающегося стола, рольгангов, летучих ножниц и другого оборудования обеспечивают повышение надежности и качества работы оборудования. Предложенная компьютерная система управления процессом прокатки повышает уровень автоматизации технологического процесса.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях физики, электротехники, электромеханики, математического анализа; корректностью сделанных допущений при построении математических моделей; сопоставлением результатов математического моделирования и экспериментальных данных, полученных в производственных условиях, и подтвердивших высокую сходимость результатов теоретических исследований.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и математические модели, прикладные программы, рекомендации, алгоритмы и практические разработки, использованы ОАО НПО «МАГНЕТОН» при организации малотоннажного производства проката из прецизионных сплавов. Новые схемотехнические решения мехатронных систем использованы в ООО Компания «Объединенная Энергия» (г. Москва) при проектировании и производстве специализированного оборудования для прокатного производства.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических мероприятиях:
-
XXXVII, XXXVIII, XXXIX Международных молодежных научно-технических конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, 2001, и 2013, 2012).
-
Международной научной конференции по математической теории управления и механике (Суздаль, 2013).
-
Международной научно-технической конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2012).
-
Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы машиноведения: трибология - машиностроению (Москва, 2012).
-
IX Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем». (Чебоксары, 2011).
-
XVIII Международной конференции «Вычислительная механика и современные прикладные программные системы» (Алушта, 2013).
-
Международной конференции «Машины, технологии и материалы для современного производства», посвященной 75-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова (Москва, 2013).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах из Перечня ВАК РФ.
Объём работы. Диссертация изложена на 210 с. машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 150 наименований, 4 приложения и иллюстрируется 104 рис.
