Повышение точности электромеханических систем станков с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Капулкин, Борис Самуилович

• Капулкин, Борис Самуилович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Капулкин, Борис Самуилович

с ЧПУ

1.1 Структура следящего привода станков с ЧПУ

1.2 Факторы, влияющие на точность воспроизведения траектории

1.2.1 Скоростные ошибки

1.2.2 Ошибки, обусловленные статической нагрузкой

1.2.3 Динамические ошибки

1.2.4 Режим «разгон-торможение»

1.2.5 Неидентичность настройки приводов

1.2.6 Влияние нелинейностей характеристик приводов на величину контурной ошибки

1.2.7 Влияние качества кинематических цепей

1.3 Оценка точности воспроизведения траекторий

1.4 Способы повышения точности при воспроизведении траекторий

1.5 Компенсация люфта механизма.

1.6 Оценка шероховатости поверхности 29 Выводы

Глава 2 Анализ режимов работы электропривода координат

2.1 Разработка модели электропривода станка с ЧПУ

2.1.1 Математическое описание исполнительного двигателя

2.1.2 Разработка модели исполнительного двигателя

2.1.3 Разработка модели следящего привода

2.2 Результаты моделирования для режима круговой интерполяции

2.3 Разработка упрощенной модели следящего привода станка с ЧПУ 42 Выводы

Глава 3 Следящая система с коррекцией в контуре положения

3.1 Использование скользящего режима для повышения динамической точности

3.2 Разработка модели следящей системы с коррекцией в контуре положения и результаты моделирования

3.3 Разработка цифрового регулятора положения

3.4 Формирование кривой разгона-торможения 58 Выводы

Глава 4 Синтез следящего электропривода координат по условию точности

4.1 Разработка передаточной функции электропривода координат

4.2 Синтез желаемой системы методом нормированных передаточных функций

4.3 Синтез параметров регулятора коррекции контура положения

4.4 Апробация работы

Выводы

Глава 5 Влияние параметров кинематической цепи на точность воспроизведения траектории

5.1 Анализ системы с коррекцией в контуре положения с учётом погрешностей кинематической цепи

5.2 Применение двунаправленных систем в приводах подач станков с ЧПУ

5.3 Анализ работы двунаправленной системы с коррекцией в контуре положения

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности электромеханических систем станков с ЧПУ»

Развитие числового программного управления (ЧПУ) имеет примерно пятидесятилетнюю историю. Числовое программное управление стало универсальным средством управления станками. Этот процесс протекает столь бурными темпами, что в технике не так уж просто найти другой аналогичный в этом смысле пример. Сменялись поколения электронных устройств ЧПУ, принципиально изменялись их возможности, а это накладывало отпечаток на конструкцию и функциональность самого объекта управления -металлорежущего станка. В результате подобного взаимообусловленного развития создано высокопроизводительное технологическое оборудование с ЧПУ.

Современный уровень развития числового программного управления характеризуется применением высокоскоростных металлообрабатывающих станков, когда наряду с высокой скоростью обработки поддерживается высокая точность изготовления деталей. В настоящее время на российском рынке представлены устройства ЧПУ зарубежных фирм Siemens, Heidenhein (Германия); Fagor (Испания); GE Fanuc Automation (США-Япония); OKUMA, Mitsubishi (Япония) и отечественных фирм: «Балт-Систем» (Санкт-Петербург); «Модмаш-софт» (Нижний Новгород), «Ижпрэст» (г. Ижевск), «Микрос» (г. Ногинск) [1]. Совершенствование промышленных компьютеров позволяет решать новые задачи управления технологическими процессами, что в свою очередь вызывает новые требования со стороны потребителей к системам ЧПУ. Применение в устройствах ЧПУ аппаратных средств персональных компьютеров позволило перенести акцент в развитии средств ЧПУ на разработку эффективных алгоритмов управления исполнительными органами станка и сделать устройства ЧПУ универсальными. Стыковка устройства ЧПУ со станком осуществляется на этапе пусконаладки путём установки системы параметров и составления программы электроавтоматики. Цифровые регуляторы обеспечивают высокую точность управления следящими электроприводами при больших скоростях подачи, что позволяет производить обработку сложнопрофильных деталей на трёх-пятикоординатных станках с использованием различных видов высокоскоростной интерполяции. Применение в станках с ЧПУ автоматизированных электроприводов обеспечивает расширение технологических возможностей станков, рост производительности, увеличение точности и чистоты обработки. В современном автоматизированном электроприводе всё более важное значение имеет использование машин переменного тока вместо электрических двигателей постоянного тока [2]. Электропривод переменного тока стал доминирующим в новых разработках технологического оборудования. Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнении условий обработки, повышения производительности.

При использовании существующих традиционных методов синтеза условия точности и быстродействия оказываются в противоречии [5, 45].

Усилия многих исследователей [1, 5, 12, 13] направлены на разрешение этих противоречий. Предлагаются различные решения, связанные с изменением кинематических схем - двунаправленные системы и системы с параллельной кинематикой [14, 15, 33], применение замкнутых систем ЧПУ взамен разомкнутых [14, 30], более совершенные системы привода [2, 3, 6, 14, 17, 30, 31, 34], программные способы компенсации кинематических погрешностей [11,13,14].

Возрастающие требования к точности обработки на металлорежущих станках и повышению производительности приводят к быстрому старению ранее найденных решений.

В диссертации предложено решение ряда вопросов, разрешающих противоречие "точность-быстродействие" на основе анализа кинематических схем металлорежущих станков, синтеза корректирующих устройств в контуре положения и коррекции программ ЧПУ.

В результате выполненного анализа сделан вывод о целесообразности применения выводов теории оптимальных процессов для решения задачи повышения точности работы систем ЧПУ, использования средств современной вычислительной техники для расширения функций устройств ЧПУ в управлении процессом формообразования.

В диссертации предлагается реализовывать электромеханические системы по принципу двунаправленных систем, в которых перемещение подвижного органа станка по какой-либо координате контролируется двумя двигателями, причём один из них работает в двигательном режиме, а другой -в тормозном. При смене направления движения режимы работы двигателей меняются. В диссертации предлагается производить коррекцию траектории за счёт организации скользящего режима в контуре положения.

Задача реализации в устройствах ЧПУ двунаправленных систем с коррекцией в контуре положения является актуальной, так как её решение позволит повысить точность и производительность процесса металлообработки. Внедрение устройств ЧПУ с коррекцией в контуре положения при ремонте старых станков позволит повысить их точность и в ряде случаев производить модернизацию станков вместо приобретения новых.

Цель диссертационной работы: разработка электромеханических систем, обеспечивающих повышение точности и производительности станков с ЧПУ.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

- проанализировать причины появления погрешностей при обработке изделий и выбрать способы их устранения;

- провести анализ кинематических цепей металлорежущих станков;

- создать модель электромеханической системы, адекватно описывающую процесс отработки траектории в станке с ЧПУ;

- исследовать характеристики электромеханической системы при стандартных настройках регуляторов;

- выбрать и обосновать принципы построения системы управления электроприводом координат;

- разработать методику синтеза параметров регуляторов по условиям точности;

- выполнить теоретические расчёты оценки точности воспроизведения траектории, произвести моделирование при помощи средств вычислительной техники и сопоставить результаты моделирования с результатами теоретических расчётов.

Объектом исследования являются электромеханические системы станков с ЧПУ.

Предметом исследования является система регулирования положения, осуществляющая перемещение подвижных органов станка.

Методы анализа и синтеза. Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического управления, а также метод компьютерного моделирования с использованием математического пакета MATLAB.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых при исследовании математических моделей, подтверждением теоретических расчётов при моделировании, сопоставлением с результатами исследования других авторов.

Научная новизна диссертационной работы:

- получено обобщённое математическое описание электропривода координат в виде математической модели с учётом зазора в редукторе и упруго-диссипативных свойств его передач;

- разработан способ коррекции траектории путём создания системы, работающей в скользящем режиме;

- создана методика синтеза следящего привода подач по условию точности;

- выдвинуто и обосновано положение о разделении управляющих функций между устройством ЧПУ и электроприводом по линии на выходе регулятора скорости.

Практическая ценность выполненных исследований:

- разработаны средства повышения точности и производительности процесса металлообработки;

- разработана инженерная методика выбора параметров регулятора, обеспечивающего требуемую точность отработки траектории в соответствии со стандартами ISO.

К защите представляются следующие основные результаты:

- математические модели электромеханических систем электропривода координат, условия их упрощения и области рационального применения;

- метод коррекции траектории за счёт организации скользящего режима в контуре положения;

- методики синтеза параметров управляющих устройств;

- система управления двигателями двунаправленной системы, приводящая к устранению размыкания кинематической цепи.

Апробация работы. Работа получила поддержку и признание на заседании кафедры САУ СПбГПУ в 2006 году. Основные положения и результаты работы доложены на 2-й международной научно-практической конференции в Тамбове 21-22 апреля 2006 г. Проверка разработанного регулятора положения произведена на опытном макете на фирме «Балт-Систем» и подтвердила эффективность предложенного метода коррекции траектории.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Капулкин Б. С., Семёнов И.М. Системы управления станками повышенной точности//Научно-технические ведомости СПбГТУ: Сборник научных трудов/ Изд-во Политехнического университета. - СПб.: - 2006. - № 5-1(47). - с. 178185. публикации в других изданиях:

2. Капулкин Б.С. Исследование станков с ЧПУ повышенной точности. Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сборник научных трудов/Под редакцией Ю.Б. Сениченкова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,

2005.-с. 114-122.

3. Капулкин Б.С., Семёнов И.М. Следящий привод станков с ЧПУ с коррекцией в контуре положения//Составляющие научно-технического прогресса: Сборник материалов 2-й международной научно-практической конференции (21-22 апреля 2006 г., Тамбов). - Тамбов: Першина, 2006. - с. 8087.

4. Капулкин Б.С., Семёнов И.М. Синтез систем ЧПУ из условий точности. Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сборник научных трудов/Под редакцией Ю.Б. Сениченкова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та,

2006. - с. 40-46.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Капулкин, Борис Самуилович

Основные результаты теоретических исследований и проведённого моделирования заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель привода координаты, учитывающая силы трения, зазоры и упругие свойства передач, позволяющая производить анализ точностных свойств станка.

2. Предложена система управления следящим электроприводом станков с ЧПУ с коррекцией в контуре положения.

3. Предложена методика расчёта систем управления по условию точности.

4. Проверка разработанного регулятора положения на опытном макете на фирме «Балт-Систем» подтвердила эффективность предложенного метода коррекции траектории. По результатам испытаний отмечено уменьшение как динамической, так и моментной погрешности. Предусмотрено задание параметров регулятора коррекции в файле характеризации устройства ЧПУ.

5. Показано, что устранение влияния люфта программными средствами имеет ограниченные возможности.

6. Проведённый анализ показал перспективность применения систем двунаправленного действия по сравнению с системами с параллельной кинематикой.

7.' Разработаны рекомендации по модернизации станков с ЧПУ:

- установка двух датчиков положения: на исполнительный двигатель и на оконечное кинематическое звено - для фиксации выборки люфта в системе с коррекцией в контуре положения;

- создание двунаправленных систем взамен станков с параллельной кинематикой.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Капулкин, Борис Самуилович, 2007 год

1. Жигалёв Н.Н. Рекомендации при выборе устройства ЧПУУ/Станки от А до Я: Специализированный журнал. Уфа: 2006. - №1. - с. 14 - 15.

2. Барков В.А. Энергетическая электроника в автоматизированном электроприводе. СПб.: Нестор, 1999.

3. Соколов О.А. Электроприводы станков и промышленных роботов с числовым программным управлением. Л.: Изд-во ЛПИ, 1985.

4. Вейц B.JL, Максаров В.В. Динамика технологических систем механической обработки резанием. СПб.: СЗТУ-СПбИМаш, 2001.

5. Соколов О.А. Оптимизация микропроцессорного управления программным движением многокоординатных электромеханических объектов. Л.: ЛЭТИ, 1995.

6. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат, 1994.

7. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоатомиздат, 1992.

8. Обобщённые оценки влияния упругих звеньев на динамику электроприводов и настройку регуляторов унифицированных систем/Борцов Ю.А., Бычков А.И.//Электротехническая промышленность. Серия Электропривод. 1973. - вып. 7. - с. 39-43.

9. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. М.: Машиностроение, 1982.

10. Стандарт ISO 230 - 2 - 2006.

11. Устройство числового программного управления NC-230. Руководство по эксплуатации/Балт-Систем. СПб.: 2005.

12. Чикуров Н.Г., Махмутов Б.Р. Система ЧПУ класса ICNC для управления обработкой сложнопрофильных деталей на многокоординатных станках//СТИН. 2003. - №3. - с. 11 - 16.

13. Каштальян И. А. Управление приводом подач станка с оперативной системой ЧПУ// СТИН. 2005. - №12. - с. 11 - 14.

14. Лещенко В.А. и др. Станки с числовым программным управлением. М.: Машиностроение, 1988.

15. Вейц В.Л., Гидаспов И.А., Гидаспова Т.М. Квазистатические режимы движения исполнительных механизмов металлорежущих станков//СТИН. -2003.-№2.-с. 6-12.

16. Потапов В.А. Оборудование с параллельной кинематикой//СТИН. 2003. -№3.- с. 35-40.

17. Соколовский Г.Г. Теория и системы электропривода. СПб.: СП6ГЭУ(ЛЭТИ), 1999.

18. Szczesny R. Komputerowa symulacja ukladow energoelektronicznych/Wyd. Politechniki Gdanskej, 1999.

19. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. СПб.: КОРОНА принт, 2001.

20. Петров В.В., Гордеев А.А. Нелинейные сервомеханизмы. М.: Машиностроение, 1979.

21. Понтрягин JI.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969.

22. Бойчук JI.M. Синтез координирующих систем автоматического управления.-М.: Энергоатомиздат, 1991.

23. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. -М.: Наука, 1981.

24. Соколов О.А. Микропроцессорные системы программного управления станками и роботами. -Л.:Изд-во ЛПИ, 1989.

25. Капулкин Б.С., Семёнов И.М. Синтез систем ЧПУ из условий точности. Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сборник научных трудов/Под ред. Ю.Б. Сениченкова. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - с. 40-46.

26. Черных И.В. SIMULINK среда инженерных приложений. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2004.

27. Соколов Н.И. Аналитический метод синтеза линеаризованных систем автоматического регулирования. -М.: Машиностроение, 1966.

28. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия, 2003.

29. Лебедев A.M., Орлова Р.Т., Пальцев А.В. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. М.: Энергоатомиздат, 1988.

30. Новая серия высококачественных адаптивно-векторных асинхронных электроприводов с IGBT инвертором напряжения/Виноградов А.Б., Колодин И.Ю., Монов Д.А. //Изв. ВУЗов. Электромеханика. 2003. - №1 - с. 31 - 41.

31. Преобразователи линейных перемещений ЛИР-14, ЛИР-15, ЛИР-17. Технические условия ЛИР-15.000ТУ/СКБ ИС. СПб.: 2003.

32. Капулкин Б.С. Исследование систем управления станками повышенной точности. Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Сборник научных трудов/Под ред. Ю.Б. Сениченкова. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2005. - с. 114-122.

33. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Академия, 2004.

34. Kief H.F. NC-Handbuch. Michelstadt: NC- Handbuch. Verlag: 1977.

35. Denavit J., Hartenberg R.S. Kinematic Notation for Lawer-Pair Mechanisms Based on Matrices/J.Appl. Mech, 1955.

36. Устройство числового программного управления NC-110, NC200, NC210. Руководство программиста МС/Балт-Систем. СПб.: 2005.

37. ГОСТ 27803-91. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РЕГУЛИРУЕМЫЕ ДЛЯ МЕТАЛЛО-ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ. Технические требования. М.: ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО УПРАВЛЕНИЮ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И СТАНДАРТАМ: Издание официальное, 1991.

38. Эльясберг М.Е. Автоколебания металлорежущих станков. Теория и практика/ОКБС. СПб.: 1993.

39. Капулкин Б.С., Семёнов И.М. Системы управления станками повышенной точности/УНаучно-технические ведомости СПбГТУ: Сборник научных трудов/ Изд-во Политехнического университета. СПб.: 2006.-№ 5-1(47).с. 178-185.

40. ГОСТ 2789-73. ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ. Параметры и характеристики. М.: ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО УПРАВЛЕНИЮ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И СТАНДАРТАМ: Издание официальное, 1973.

41. Морговский Ю.Я., Рубашкин И.Б., Гольдин Я.Г. Взаимосвязанные системы электропривода. Л.: Энергия, 1972.

42. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987.

43. Бургин Б.Ш. Анализ и синтез двухмассовых электромеханических систем. -Новосибирск: 1992.

44. Кузнецов Ю.Н. Станки с ЧПУ. Киев: Выща школа, 1991.

45. Демидов С.В., Авдушев С.А., Дубников A.M., Мальчик А.Я., Перчёнок Ю.Г., Рыдов В.А., Свердлов A.M. Электромеханические системы управления тяжёлыми металлорежущими станками. Л.: Машиностроение, 1986.