Разработка и реализация методов повышения точности и производительности намотки композиционных материалов на основе управления приводами станков с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Бугров, Юрий Николаевич

• Бугров, Юрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бугров, Юрий Николаевич

Введение.

1 Обзор работ по технологии нанесения композиционных материалов при намотке и выкладке.'

1.1 Материалы композиционные полимерные.

1.2 Элементы композиционной технологии.

1.3 Системы автоматизированного управления намоточным и выкладочным оборудованием.

1.4 Намоточное и выкладочное оборудование.

1.5 Постановка задачи исследования.

2 Теоретические основы и расчетный анализ параметров технологии автоматизации намотки и выкладки.

2.1 Принципы управления технологией намотки и выкладки.

2.2 Анализ кинематики намотки и выкладки.

2.2.1 Геометрия намотки и выкладки.

2.2.2 Точность намотки и выкладки.

2.3 Исследование и сравнение способов нелинейной интерполяции в технологии программирования.

2.3.1 Параметрическая интерполяция.

2.3.2 Сплайн - интерполяция.

2.3.3 Базовые параметры геометрии движения в постпроцессоре «Намотка».

2.3.4 Преобразования ПИ в модифицированные сплайн функции

Сплайн - М» для инвариантного управления приводами координат.

2.3.5 Расчетный анализ параметров технологических программ с интерполяцией на основе «Сплайн М».

Выводы.

3 Исследование и анализ вопросов технологии управления приводами координат оборудования с использованием цифровой фильтрации сигналов компенсации ошибок.

3.1 Исследование вопросов технологии мульти программирования в режимах модифицированных сплайн функции «Сплайн - М» и фильтрации сигналов управления следящими приводами координат.

3.2 Аппроксимация управляющих сигналов на основе функций «скользящей» регрессии с автокорреляцией шага скольжения. —.

3.3 Расчетно - аналитическая оценка цифровой фильтрации методом «скользящей» регрессии и мультипрограммирования процессов управления.

3.4 Анализ элементов мультипрограммирования для расчета, управления и цифровой фильтрации сигналов управления следящими приводами координат.

Выводы.

4 Рациональный выбор параметров приводных узлов оборудования координат по условиям максимального быстродействия.

4.1 Выбор-параметров быстродействия для силовых частей приводов.

4.2 Расчет рациональных передаточных чисел и времен разгона приводов с учетом инерционной и статической нагрузок.

4.3 Расчетно - аналитическая оценка эффективности методов повышения производительности и точности намотки и выкладки на основе системы управления с ПИ и модифицированных сплайн - функций.

4.4 Расчетно - экспериментальная оценка параметров движения и динамики с выбором передаточных отношений редукторов и управления в режимах модифицированных сплайн - функций «Сплайн М».

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация методов повышения точности и производительности намотки композиционных материалов на основе управления приводами станков с ЧПУ»

Метод нанесения композиционных покрытий на детали на основе непрерывной намотки и выкладки позволяет получать не только оболочки вращения сложной формы, но и реализовать с высокой точностью достаточно большой набор армированных изделий из полимерных композиционных материалов.

Начиная с 1970г. и по настоящее время, в отечественной промышленности разрабатываются специализированные композиционные технологии с использованием станков и оборудования для намотки и выкладки лент, полотен, других армированных материалов, как на оправках, или заготовках, так и в промежуточных технологических операциях для дальнейшего изготовления деталей на этой основе.

В этой специализированной технологии на данных станках и оборудовании, лента или полотно на основе стекловолокна или армированная метало - угле - стекло - пластиком, пропитываются полимерным связующим, подаются при намотке на вращающуюся оправку или заготовку, имеющую конфигурацию внутренней поверхности изделия, или при выкладке, наносятся на них в различных направлениях.

После получения необходимой толщины и структуры материала производится его отверждение и удаление оправки или заготовки.

Применение лент или полотен из различных волокнистых материалов при намотке и выкладке изделий конической формы позволяет располагать слои армирующего материала не только параллельно образующей, но и под различными углами к оси вращения оправки или изделия.

Совершенство процесса изготовления армированных оболочек методом намотки и выкладки определяет возможность его автоматизации и программирования свойств в изделии с одной стороны, а с другой -получения изделий, имеющих форму не только тел вращения - цилиндров, замкнутых оболочек со сферическими днищами, конусов, а также и других, в том числе и несимметричных форм.

По способам нанесения материала в изделии различают несколько видов намотки и выкладки, например прямую (окружную), спиральную, спирально - перекрестную, продольно - поперечную и др.

В технологии управления процессом намотки и выкладки, стадии образования структуры и нанесения композиционных материалов в целом основаны, не только на применении различных связующих, специальных режимов температуры и натяжения материалов, но и требуют применения новых методов автоматизации управления исполнительными органами оборудования.

Это динамические режимы программирования геометрии для достижения необходимой формы изделий, применение статистических методов обработки управляющих сигналов, оптимизации элементов кинематики в узлах приводного оборудования, что в целом определяет основные вопросы повышения точности и производительности технологии автоматизации процессов намотки и выкладки.

В данной работе определяются новые направления и научная новизна, которые заключаются: в установлении закономерностей и влияния динамических законов движения на точность и производительность композиционной технологии (КТ).

Прежде всего это касается: применения методов инвариантного управления следящими приводами координатных осей, за счет введения внешних сигналов управления компенсацией ошибок в регулирующих контурах, что определяет производительную динамику всего технологического процесса; получении зависимостей от способов технологии управления; динамического программирования на основе модифицированных сплайн функций; цифровой фильтрации сигналов управления следящими координатами; в создании методов компенсации скоростных и динамических ошибок; рационализации выбора параметров кинематики приводных узлов.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Бугров, Юрий Николаевич

Общие выводы

1) Проанализированы современные методы повышения точности и производительности намоточных и выкладочных агрегатных станков. Сделано заключение о возможности использования динамической интерполяции с инвариантным управлением приводами координат.

2) Выполнен анализ характеристик изделий, получаемых путем намотки и выкладки КМ на оправках или на заготовках деталей, и технологии управления специализированным оборудованием с ЧПУ.

3) Дан анализ кинематики намоточного и выкладочного оборудования на основе станков типа НК и других. Проанализированы особенности управления технологическим процессом намотки и выкладки с определением отличий его от процессов управления в металлообрабатывающих станках с ЧПУ.

4) Представлен анализ расчетной оценки параметров геометрии намотки и выкладки с различными способами интерполяции, Разработана методическая основа их комплексной оценки на основе модифицированного «Сплайн М», с вводом сигналов для компенсации ошибок по скорости, и динамическим параметрам.

5) Разработана расчетно-методическая основа цифровой фильтрации сигналов компенсации ошибок, с использованием предложенного в работе метода скользящей регрессии, алгоритмы и программы цифровой фильтрации сигналов этим методом, дана оценка качества сглаживания, на примере сигналов компенсации ошибки по ускорению, выполненной для одной из реальных программ намотки изделия типа «Баллон»,

6) Разработаны и представлены программно - аналитические исследования применения уравнений кубической интерполяции с временным параметром, «Сплайн М» на основе уравнений движения в сравнении с методами непрерывного интегрирования. Дана оценка расчетной точности определения параметров скорости, ускорения, моментов импульса движения на основе временных ограничений выполнения кадров движения, начальных и конечных скоростей, программируемых в технологических программах (ТП).

7) Предложена методика применения виртуальных координат при использовании мультипроцессорного программирования на основе сплайн функций «Сплайн М» в режиме динамического управления каждой из 5 - ти координатных осей намоточного станка типа НК 1,6-8.

8) Разработаны примеры ТП с использованием различных типов интерполяции. Даны примеры расчетной оценки точности и производительности с применением кубической интерполяции, «Сплайн М» в сравнении с другими типами интерполяций.

9) Представлена методика оптимизации целевых функций для рационального выбора параметров приводных узлов координат по условиям максимального быстродействия для передаточных отношений в редукторах.

10) Выполнена экспериментальная оценка качественных характеристик и параметров динамики движения 5 - ти координатных осей станка, что подтверждает предложенную расчетно-аналитическую методику выбора способов повышения точности и производительности намотки и выкладки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бугров, Юрий Николаевич, 2011 год

1. Аблязов В.И., Алексеев В.Н., Колосов В.Г., Королев B.C., и др. Реализация алгоритмов интерполяции в УЧПУ ИЦО-П со структурой CNC. //Авиационная промышленность 1980. №2. С. 12-14.

2. Авдушев С. А. и др. Исполнительные механизмы быстродействующих следящих систем станков. ЛДНТП. Серия механизация автоматизация производственных процессов и установок. 1975. -132 с.

3. Агаев О. В., Зориктуев В. Ц., Чикуров Н.Г. Микро интерполятор для распределенных систем ЧПУ. // СТИН. -1998. №8. С.11-14.

4. Адлер Ю.П., Розовский Б. JI. Оперативное статистическое управление качеством. М.: Знание. -1984. -153с.

5. Акулин Д. М., Расширение функциональных возможностей системы ЧПУ на основе открытой архитектуры терминальной задачи. -М.: «СТАНКИН». -2004. С. 10-13.

6. Алексеев В.Н., Воржев В.Т., Тар дымов Т.П. и др. Многоцелевые системы

7. ЧПУ гибкой механообработкой / Под общ. ред. проф. В.Т. Колосова. Л.: Машиностроение. 1984. 275 с.

8. Алексеев В. Н., Колосов В.Г., Королев B.C., и др. Устройство ЧПУ ИЦО -П. // Авиационная промышленность. -1980. №2. С.46-47.

9. Алексеенко A.M., и др. Вопросы модернизации станков с ЧПУ. -М.: Промышленно экономическая газета. -2000. №1. С.7-8.

10. Андреенко С. Н., и др. Проектирование приводов манипуляторов. Машиностроение. -М.:1975. 126 с.

11. Аршанский М.М., Бугров Ю.Н. Программное обеспечение параметрической интерполяции (ПИ). Сборник трудов молодых ученых и специалистов М.: МГАПИ. №6. часть 1. 2004. - С. 1-9.

12. Баландин В. Д., и др. Синтез и анализ поверхностей сложной формой. // СТИН. -1988. №3. С. 16-20.

13. Беляев И. И. и др. Выбор двигателя и редуктора следящих систем. М.: «Машиностроение» -1972. -145 с.

14. Белов М. П., Новиков В.А. , Рассудов JI. Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. Учебник, Серия: Высшее профессиональное образование. М.: Издательство Академия. 2004. - 575 с.

15. Босинзон М.А. Электроприводы и электродвигатели для ГПМ и ГПС. М.:ЭНИМС.-1986.-104 с.

16. Бронштейн И. Н., Семендяев И. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М.: «Наука». 1980. 743 с.

17. Бугров Ю. Н., Воскресенский В.В. и др. Система управления технологическим оборудованием ЧПУ «АЛЬФА». ИКОС инфОрм, номера 6-9 (Август Ноябрь 1999). -С. 10-12.

18. Бугров Ю. Н., Мошков Е. А. Исследование режимов управления следящих приводов намоточного станка НК 1,6 с CNC (ВЕКТОР - 90, S8600 МС - FAST). Технический отчет по теме 290 - 173. ОКБ СПО «ПРОГРЕСС». 1986. (рукопись) - С. 10-47.

19. Бугров Ю. Н., Новожилов А. Н. Штекерная система программного управления намоточного станка НБ ЗПУ на основе модулей цифровой индикации с памятью параметров витка. //Авиационная промышленность. --1975. №2. - С.50-51.

20. Бугров Ю.Н. Повышение точности высокопроизводительных станков на основе инвариантного управления приводами следящих координат. Справочник. Инженерный журнал -2011.- №, С. (в печати).

21. Бугров Ю.Н., Кузнецов A.A. Цифровая фильтрация периодических сигналов в системах измерения и обработки данных. Информатика и технология. Межвузовский сборник научных трудов. М.:МГУПИ. -2010.-С.47-50.

22. Бугров Ю.Н. Оптимизация передаточных чисел и времен разгона приводов с учетом инерционной и статической нагрузок для увеличения производительности в технологии намотки композитных материалов. //СТИН. -2011.- №5.- С.29-32.

23. Бугров Ю. Н., Счепицкий 3. А. Устройство управления нарезанием резьбы с фото электрическим датчиком синхронизации вращения шпинделя токарного полуавтомата АТПР- 2М12 и винтовой интерполяции в УЧПУ. //Авиационная промышленность.-1978.- №3.- С.51-54.

24. Бугров Ю. Н., и др. Повышение быстродействия следящих приводов намоточного станка НК 1,6 с CNC (S8600 MC - FAST). ИКОС инфОрм, номера 3-5 (май - июль 1993г.). - С. 14-17.

25. Бугров Ю. Н. Цифровая фильтрация помех и шумов в определении сигналов дисбаланса станков БК 30, ДБ - 50М с CNC на основе компьютерных измерительных систем. ИКОС инфОрм, номера 1-4 (Февраль-май 1995г.). - С. 12-14.

26. Бугров Ю. Н. Технико экономическая оценка систем управления для модернизации станков с ЧПУ, - М.: Промышленно экономическая газета. -2000. №3. - С.6-8.

27. Гутников В. С. Фильтрация измерительных сигналов. JL: Энергоиздат, Ленинградское отделение. -1990. - 176 е.

28. ГОСТ Р 50573-93. Материалы композиционные полимерные. ИПК. М.: Издательство стандартов. 1993. -22 с.

29. Гречишкин В. А. Разработка, исследование и оптимизация технологических процессов изготовления стеклопластиковых деталей двигателей методом спирально поперечной намотки. Диссертация, НИАТ. -1974. -157 с.

30. Гречишников В. А., и др. Численная модель формирования поверхностей деталей при механической обработке. //СТИН. -2001. №11.- С.12-17.

31. Густав 0., Джангуидо П. Цифровые системы автоматизации и управления.- СПб.: Невский диалект. -2001. 238 с.

32. Дмитриев Л.Б., и др. Повышение точности обработки сложных поверхностей на станках с ЧПУ. //СТИН. -1989. С.30.

33. Документация пользователя 6FC5298 6АВ10 - ОРР1, Руководство по программированию. Изд. 06/01, Siemens, Sinumeric 840Di.

34. Егоров В. П., и др. Компенсация погрешностей обработки на токарных станках с ЧПУ. //Авиационная промышленность. -1992. №4.-С.26- 28.

35. Жарких Л. П., и др. Автоматизация процесса изготовления деталей из композиционных материалов. //Авиационная промышленность. -1991. №8.- С.55-59.

36. Завьялов Н. С., и др. Методы сплайн функций. -М.:Наука. 1980.-352 с.

37. Зоринтуев В.Ц., и др. Система ЧПУ класса ICNC для управления обработкой сложных многопрофильных деталей. //СТИН. -2001. №4.-С.42-45.

38. Климакова Л. А., и др. Методология создания интегрированных конструкций из полимерных композитных материалов для перспективной авиационной и космической техники. //Авиационная промышленность. -2000. №4. С. 19.

39. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат. -1985. -316 с.

40. Киселев В.М. Фазовые системы числового программного управления станками. М.: Машиностроение. -1976. - 352. с ил.

41. Корсаков В. С. Автоматизация производственных процессов. М.: «Высшая школа».-1978.-295с.

42. Коломиец А.П., Кондратьева И.П., и др. Электропривод и электрооборудование. Учебник для ВУЗов. -М.: КОЛОСС, -2006. 328 с.

43. Кулинский Г. А., и др. Автоматизация раскроя препрегов на станках с ЧПУ. //Авиационная промышленность. -1998. №5. -С.39-44.

44. Левин А.Н. и др. Автоматизированное измерение и контроль поверхности детали методом сканирования и управления от CNC манипулятора типа «Юнимейт», сб. НИОКР Института машиноведения, -1989. №1. С.10 17.

45. Литвинов И. А., и др. Расчет траектории исполнительного органа станка для намотки ленты на оправках типа лонжерона винта, //Авиационная промышленность. -1992. №3.-С.10-15.

46. Максименков В. И. Формообразование слоистых оболочек. //Авиационная промышленность. -1994. №1 2. -С.23-28.

47. Макросян B.C., и др. Бесконтактное измерение и автоматизация регулирования натяжения и скорости намотки, //Авиационная промышленность. -1987. №5. -С.21-26.

48. Мартинов Г.М., Сосонкин В.Л. Концепция программного управления мехатронными системами. Реализация геометрической задачи. Мехатроника (МХТ). -2001. №1. -С.9-15.

49. Мартинов Г.М., и др. Реализация логической задачи управления. МХТ. -2001. №2. С.З- 7.

50. Мартинов Г.М., и др. Реализация диагностической задачи управления. МХТ.-2001. №3. -С.2- 6.

51. Мартинов Г.М., и др. Реализация терминальной задачи управления. MTX. -2001. №4. -С.2- 8.

52. Мартинов М. Г. Теория и техника систем числового программногоуправления с открытой модульной архитектурой для автоматизации машиностроительного оборудования М.: «Станкин». -2001.

53. Мартинов Г М. Виртуальные приборы диагностики в системе ЧПУ //

54. Информатика-машиностроение. -1998. №4. С.8-12.

55. Мердок Дж. Контрольные карты / Пер. с англ. М.: Финансы и Статистика. -1986.

56. Мизин И. А., Матвеев А. А. Цифровые фильтры (анализ, синтез, реализация с использованием ЭВМ). М.: «Связь», 1979г., С.9- 11.

57. Москаленко В.В.Электрический привод. Учебное пособие,-М.:1. Академия. -2005. -368 с.

58. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему. М.: Энергоатомиздат. 1991.

59. Никифоров А. Д., Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф. Процессы управления объектами машиностроения. Учеб. пособие для машиностроительных спец. вузов. М.: Высшая школа. -2001. - 455 с.

60. ОСТ 4 Г0.059.024. Станки намоточные типы и основные параметры Издательство стандартов. -1978. -35 с.

61. Пескунов В. М. Проблемы резьбо нарезания и структура привода станков с ЧПУ. Машиностроитель. -1992. №3. -С.13-15.

62. Пестунов В. М.Адаптивное управление циклом работы оборудования. //СТИН. -2003. №4.-С22-29.

63. Погосян М. А., и др. Разработка и внедрение новых конструкторско -технологических решений при создании самолетов нового поколения, //Авиационная промышленность. -2001. №4. -С.18-25.

64. Программирование управляющих функцией Б9600, Руководство пользователя 89600. -1996.

65. Румянцев Л.А. , и др. Устройство числового программного управления «Нейрон», //Авиационная промышленность. -1989. №8. -С.48-53.

66. Соломенцев Ю. М., Сосонкин В. Л. Управление гибкимипроизводственными системами. М.: Машиностроение. -1988. 352 с.

67. Соломенцев Ю. М., Митрованов В. Г. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. -М.: Машиностроение. -1980. 536 с.

68. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: реализация диагностической задачи управления. М.: Машиностроение. Научно-технический и производственный журнал «Мехатроника». -2001. № 3.

69. Сосонкин В. Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: специфика объектно-ориентированного программирования. М.: Машиностроение. Научно-технический и производственный журнал «Мехатроника». -2002.№1.

70. Сосонкин В. Л. Концепция системы ЧПУ на основе персонального компьютера (РСЖ:). //СТИН. -1990. №11.

71. Сосонкин В. Л. Программное управление технологическим оборудованием. Учебник для вузов. М.: Машиностроение. -1991. 509 с.

72. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Концепция числового управления мехатронными системами: архитектура систем типа

73. РСЖ:. //Мехатроника. -2003. №1.

74. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Концепция числового управления мехатронными системами: построение межмодульной коммуникационной среды. М.: Машиностроение. Научно-технический и производственный журнал «Мехатроника». -2000. №6.

75. Сморкелов Н. В., Моделирование поверхности при обработке резанием с помощью сплайнов 2-х переменных. //СТИН. -2002. №6. -С.30-37.

76. Сосонкин В.Л., Принципы организации ПРО ЧПУ. // СТИН. -1989. №7. -С.32-39.

77. Станки намоточные, Типы и основные параметры, ОСТ4 Г0.059.024, Рекомендация 1- 70. -1970. -С.3-22.

78. Статистические методы контроля качества продукции / П.Наулер, Дж.Хауэлл, Б.Голд, Э.Коуллеэн, О.Моун, В.Ноулер/Пер. с англ.; Подред.А.М.Бендерского. 2-е изд. - M.: Изд-во стандартов. -1989. -С.43-56.

79. Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки. /Учебное пособие. СПб.: Политехника, -2003.-344 с.

80. SEW EURODRIVE, Проектирование приводов. Издание 11/2001. Практика приводной техники. 1052 2057/RU. -С.26.

81. Терехов В.М., Осипов О.И, Системы управления электроприводов. Учебник для ВУЗов. -М.: Академия. -2005.-267 с.

82. Технические руководства по эксплуатации приводов: Е9300 (Lenze, ФРГ), 15F4C(KEB, ФРГ), FR Е 500 ЕС (Mitsubishi Electric, Япония).

83. Технические руководства по эксплуатации и оператора: УЧПУ S8600, NC110, АЛЬФА М, ПИМАК ЗМ, РА 8000 NT.

84. Тихонов А.И. и др. Новое оборудование для изготовления изделий из композиционных материалов. //Авиационная промышленность. -1984. №2. приложение №1. С.З 8.

85. Тихонов А.И. и др. Программное управление многокоординатными намоточными станками с ЧПУ. //Авиационная промышленность. -1986. №2. С.56 59.

86. Федосов Е. А., Е. А., Красовский и др. Автоматическое управление. Теория. Т. 1-4/Под общ. ред. Е. А. Федосова. 2000. 688 с.

87. Цыплаков О. Г. Научные основы технологии композиционно -волокнистых материалов. Пермское книжное издательство. -1975. -131с.

88. Часовников Л. Л., и др. Редактирование и коррекция управляющей информации в технологических процессах намотки. //Авиационная промышленность. -1992. №11. -С.6-9.

89. Чикуров Н. Г., и др. Алгоритмы сплайновых интерполяций. Сборник научных трудов, Автоматизированные технологические и механические системы, УФА. -1999. 197 с.

90. Чистов В.П. и др. Оптимальное управление электрическими приводами. -М.: «Энергия». 1968. -С.56 63.

91. Хитоси Куме. Статистические методы повышения качества М. :

92. Финансы и статистика». 1990. -С.73- 95.

93. Anil К. Jain, Jianchang Мао, К. М. Mohiuddin. Artificial Neural Networks:

94. A. Tutorial, Computer, Vol. 90, No. 3. March/1996. P. 31- 44.

95. Automation Systems for Machine Tools. Catalog NC60. 2002, Siemens AG.

96. ISO 14649. Data model for Computerized Numerical Controllers. Part 10:

97. General Process Data. Draft International Standard ISO/FDIS 14649-10,version 4.2001. August. -P. 180.

98. Neural and Adaptive Systems: Fundamentals Through Simulations by Jose C. Principe, Neil R. Euliano, W. Curt Lefebvre. -2000.

99. Pritchshow G. Automation technology on the way to an open system Architecture. -1990. Vol. 7. №1-2.

100. Pritchshow G., Daniel Ch., Junghans G., Sperling W.: "Open Systems Controllers- A Challenge for Future of The Machine Tools Industry" in CIRP Annals Manufacturing Technology. Volume 42/1/1993.

101. Programming controlling function S10, Manual of the usage S10, 2002.

102. Widrow B. A. statistical theory of adaptation. Adaptive control systems. New York: Pergamon Press. 1963, -P. 24- 25.

103. Yoshinory Tsujido. The trend towards open-system controllers/Mitsubishi

104. Electric Advance. 1996. September. -P. 23-24.