Введение к работе
Актуальность проблемы. Основой современного технологического оборудования для контурной обработки листовых заготовок в настоящее время являются ортогональные координатные столы. Кинематические схемы подобного оборудования содержат в обязательном порядке устройства преобразования вращательного движения приводов в поступательные движения рабочего стола и/или инструмента. Научные исследования в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. Значительные результаты опубликованы в трудах Е.П. Попова, Ю.М. Соломенцева, В.Л. Афонина, B.C. Кулешова, Н.А. Локота, Ю.В. Подураева, С.Л. Зенкевича, А.С. Ющенко, И.А. Каляева, В.М. Лохина, И.М. Макарова, А.В. Тимофеева, Д.Я. Паршина, А.Н. Дровникова и др.
Подобные технические решения позволяют получить высокую точность обработки заготовок и возможность регулирования скорости обработки заготовки в широком диапазоне, а также упростить подготовку управляющих программ в декартовой системе координат с использованием разработанных за последние двадцать лет компьютерных CAD, САМ систем. Однако линейные направляющие, винтовые пары, каретки, гибкие связи усложняют конструкцию и существенно повышают конечную стоимость оборудования. В определённых случаях при относительно невысоких требованиях к показателю точность/скорость обрабатываемых изделий можно использовать станок на базе двухподвижного механизма с поворотным столом и поворотной инструментальной штангой без избыточных связей. При использовании данной кинематической схемы нет необходимости в преобразовании вращательного движения в поступательное и в промежуточных механических передачах между валами привода и поворотными звеньями механизма.
Кинематическая связь между поворотными звеньями механизма осуществляется посредством системы управления. Перемещение рабочего инструмента по контуру происходит в результате суммирования двух вращательных движений звеньев механизма. Подобное техническое решение позволяет существенно снизить материалоёмкость и стоимость механического оборудования за счёт исключения технологически сложных и дорогих механических элементов и узлов и использования рациональной схемы механической части конструкции.
Современные средства вычислительной техники позволяют реализовать заданные законы управления электроприводами для формирования необходимого контура обрабатываемой детали в режиме реального времени, что было невозможно 10-15 лет назад. Таким образом, проблема создания предложенного меха-тронного модуля с учётом упрощения механической части переносится в область разработки программно-аппаратного комплекса системы управления. Экономический эффект, обусловленный единичным вложением средств в разработку предложенного модуля, обеспечивается исключением из состава оборудования весьма дорогостоящей механической компоненты.
Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с госконтрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН, по теме «Теоретические основы построения систем управления мехатронным устройством для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента» 2009 г., в рамках госконтрактов по программе УМНИК «Разработка системы управления двухподвижным механизмом», государственный
контракт № 5614р/8051 от 5.02.2008, «Разработка опытно-промышленного образца цифровой системы управления двухподвижным механизмом», государственный контракт № 6632р/9196 от 1.02.2009., по госконтракту № П507 «Теоретические основы собственной и взаимной компенсации импедансов и их практические приложения в прецизионных аналоговых микросхемах для систем управления, технической диагностики и телекоммуникаций нового поколения».
Целью работы является разработка методов планирования и управления мехатронным модулем на базе двухподвижного механизма с поворотным столом.
Для достижения этой цели потребуется решить следующие задачи.
разработать кинематическую схему двухподвижного механизма и произвести математическое описание;
разработать методы планирования траектории перемещения рабочего инструмента по заданному контуру (интерполяционные методы);
разработать методику и провести оценку погрешности позиционирования двухподвижного механизма и линейной погрешности для предлагаемых методов интерполяции;
исследовать возможность реализации режима поддержания линейной контурной скорости контурной обработки детали;
провести компьютерное моделирование процесса решения задачи управления угловыми координатами в соответствии с разработанными методами планирования траектории;
разработать опытный образец устройства и оценить адекватность полученных методов планирования и управления.
Идея работы заключается в разработке методов планирования перемещения рабочего инструмента (методов интерполяции) для системы управления мехатронным устройством на базе двухподвижного механизма, предназначенного для преобразования суммы двух вращательных движений в перемещение рабочего инструмента по заданному контуру.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы аналитической геометрии, матричного исчисления, математического, компьютерного и натурного моделирования, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория цифровых и микропроцессорных систем управления. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные - на натурном образце устройства.
Научные положения, выносимые на защиту:
метод формирования перемещения рабочего инструмента по заданному контуру без использования механических элементов преобразования вращательных движений в поступательные, заключающийся в использовании кинематической схемы двухподвижного механизма;
методы планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, заключающиеся в использовании неортогональной системы координат, при её расчёте с учётом стабилизации контурной линейной скорости;
метод повышения точности планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, заключающийся в повышении размерности матрицы Брезенхэма, которая применяется при решении интерполяционной задачи для периферийной части рабочей зоны механизма;
- метод оценки точности планирования (интерполяции), заключающийся в
оценке величины ошибки в зависимости от углового положения отрезка прямой в
декартовых координатах, связанных с осью вращения одного из элементов.
Научная новизна диссертационной работы:
метод формирования перемещения рабочего инструмента по заданному контуру без использования механических элементов преобразования двух вращательных движений в поступательные, отличающийся в использовании кинематической схемы двухподвижного механизма;
методы планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, отличающиеся использованием неортогональной системы координат и формированием траектории движения не в линейных, а угловых приращениях с учётом стабилизации контурной линейной скорости;
метод повышения точности планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, отличающийся применением матрицы Брезен-хэма повышенной размерности;
- метод оценки точности планирования (интерполяции), отличающийся
возможностью определения максимальной ошибки на поверхности рабочей зоны
для семейства отрезков прямых, имеющих единственную произвольно располо
женную точку пересечения и не совпадающую с центром рабочей поверхности.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается применением современных научных методов исследований; подробным анализом научно-исследовательских работ по теме диссертации; корректным применением используемых в исследовании математических методов; методами обработки и моделирования, выполненными с использованием современных программных продуктов для моделирования и обработки результатов эксперимента; удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.
Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенные в диссертации математические модели, методы планирования траектории перемещения инструмента, метод оценки точности предложенной кинематической схемы представляют собой методологические основы для разработки мехатрон-ных устройств, использующих для перемещения рабочего инструмента по заданной траектории двухподвижный механизм.
Практическая ценность работы:
реализованы компьютерные модели предложенных алгоритмов интерполяции позволяющие исследовать свойства двухподвижного механизма в различных режимах;
разработаны и реализованы системы управления электроприводом постоянного тока двухподвижного механизма;
разработаны компьютерные программы для пакета MATLAB, позволяющие реализовать предложенные методики исследования свойств двухподвижного механизма;
разработано программное обеспечение на языке Си++, реализующее предложенные методы управления двухподвижным механизмом безотносительно к программно-аппаратной платформе;
предложены рекомендации по практическому применению станка на базе двухподвижного механизма;
- выполнена практическая реализация опытного образца устройства и проведены его испытания, показана возможность практического применения разработанного устройства в составе комплексов контурной обработки плоских материалов.
Внедрение результатов диссертационного исследования. Опытный образец станка для поверхностного упрочнения металлов передан в пробную эксплуатацию в ООО «Металлика». Результаты диссертационной работы используются в ЮРГУЭС при обучении студентов специальности «Машины и аппараты бытового назначения» по дисциплине «Прикладная механика» и на кафедре «Радиоэлектронные системы» специальности «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» при изучении дисциплины «Электромеханические устройства».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на XIX международной конференции молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения, МИКМУС 2007 институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (Москва, 2007 г.), XIX международной конференции молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения МИКМУС 2008 институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (Москва:
г.), XIV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» Томский политехнический университет, (Томск, 2008 г.), международной конференции молодых учёных «Ломоносов-2008» МГУ им. М.В. Ломоносова, (Москва, 2008 г.), XV международной научно-практиче-ской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» Томский политехнический университет (Томск, 2009 г.), неоднократное выступление в департаменте «Автоматизации и машиностроения» технологического университета Тампере (Финляндия, г. Тампере,
г.), всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2006-2009» (Новочеркасск, 2006-2009 гг.), выступление на научно-технических конференциях ЮРГУЭС (Шахты, 2006-2009).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, в 18 работах, опубликованных в международных и всероссийских сборниках научных трудов, в том числе рекомендованных ВАК, 2 патентах на изобретения, а также 6 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 155 страниц машинописного текста, содержит 94 рисунка, 1 таблицу, список литературы из 100 наименований.
