Система автоматического управления динамической разгрузкой шпиндельного узла многооперационного координатно-расточного станка

Сырьевая направленность промышленной политики России сделала ненужной большую часть производственных мощностей и привела к тому, что отрасли по производству средств производства, и в частности станкостроение, которое непосредственно не связано с добычей и продажей сырья, оказались до самого последнего дня невостребованными и неразвивающимися. Однако известно, что станкостроение — это подотрасль машиностроения, которая является фондообразующей и определяющей уровень безопасности страны и её потенциальные возможности. В 2008 году объем продукции в машиностроении составил всего 2,8% в год [1].

С 2005 года после принятия государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения» наметился рост производства и потребления металлообрабатывающего оборудования. Оживилась научная деятельность в области разработки и исследования современных систем управления, внедрения новых алгоритмов управления, идет активная автоматизация процессов производства и замена неэффективного оборудования новым. Растет спрос на высокопроизводительное оборудование, оснащенное системами ЧПУ при высоком контроле точности и качестве изготовления продукции [2].

В современном станкостроении все шире внедряются последние достижения в области автоматизации технологических операций и технологических процессов, прогрессивные решения в области конструирования шпинделей, приводов, цифровых систем управления, а также такие подходы, как модульность и гибкие производственные системы.

Сегодняшние требования к качеству изготовления и обработки деталей для последующих технологических операций непрерывно возрастают, поле допусков к 1990 году составляло 5 мкм и к настоящему времени стремительно приблизилось к величине 1−3 мкм. Следует отметить значительные успехи в производстве инструмента, что позволяет принципиально достичь высоких скоростей обработки. Например, на станках японской фирмы Mazak Optonis скорость при торцевом фрезеровании составляет 1500м/мин., при рассверливании скорость подачи — 60 м/мин. Шпиндели фирм Sip и Aciera имеют частоту вращения 35 000−40 000 об/мин, что позволяет высококачественно обрабатывать закаленные стали.

Мировая тенденция в станкостроении нацелена на понижение стоимости металлорежущих станков, при повышении их точностных характеристик и производительности, что в свою очередь определило приоритет в разработке многооперационных станков [1]. Это в полной мере относится и к координатно-расточным станкам (КРС). Принципиальным моментом совершенства КРС является обеспечение их многооперационности, т. е. наряду с лезвийной обработкой существует возможность реализовать обработку и другим способом, например, шлифованием.

Это, прежде всего, касается станков, способных обеспечить шлифование, соответствующее заявленной точности станка. Сюда в первую очередь входят станки с высокими жёсткостными свойствами шпиндельных узлов. К таким станкам относятся одностоечные КРС с беспинольным шпинделем. Характерным примером КРС с беспинольным шпинделем является 2440СФ4, поэтому при расширении возможностей станка за счёт реализации на нём операции шлифования необходимо разработать систему осцилляции тяжелой шпиндельной бабки (ШБ). Существующая система управления движением ШБ в условиях её осцилляции приводит к существенным деформациям несущих систем станка, снижению точности воспроизведения заданного периодического закона движения и преждевременному износу станка.

Такая задача по расширению технологических возможностей КРС за счёт введения системы автоматического управления движением ШБ при гармоническом сигнале задания в широком диапазоне частот ставится в России впервые и является крайне актуальной.

В настоящей работе исследуется возможность создания многооперационного станка при осцилляции ТТТБ в условиях её автоматической разгрузки. В диссертации рассматривается вопрос идентификации процесса перемещения ТТТБ на вертикальных направляющих с противовесом, дается оценка динамических показателей качества управления и ставится научно-техническая задача по разработке динамической разгрузки ШБ.

Имея целостную математическую модель объекта управления и систему автоматического управления (САУ) процессом движения ТТТБ на вертикальных направляющих, создаётся основа для синтеза взаимосвязных контуров САУ процессом движения и САУ динамической разгрузкой ШБ, обеспечивающих заявленные показатели качества обработки детали. Исследования проводились на базе серийно выпускаемого станка модели 2440СФ4.

Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения», а также программы Министерства Образования Российской Федерации «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки, контроля».

Предметом исследования данной работы является движение, позиционирование ТТТБ на вертикальных направляющих. Объектом исследования является процесс динамической разгрузки ТТТБ при гармоническом задающем сигнале с переменной частотой в заданном диапазоне.

Цель настоящей работы заключается в разработке САУ движением и позиционированием шпиндельной бабки при её динамической разгрузке, расширяющей технологические возможности станка, повышающей его производительность и обеспечивающей заявленные показатели качества по обработке детали.

Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать помехи, влияющие на точность воспроизведения заданного движения ТТТБ.

2. Провести аналитическую идентификацию движения ШБ при разгрузке с помощью противовеса и разработать её структурную схему.

3. Разработать компьютерную модель САУ движением шпиндельной бабки в режиме осцилляции с противовесом, проанализировать усилия, возникающие в узлах станка, и точность воспроизведения заданной траектории.

4. Синтезировать САУ динамической разгрузкой ШБ, обеспечивающей заявленную точность в воспроизведении движения.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать опытно-промышленную САУ многооперационного КРС.

Методы исследования: теоретические исследования базируются на методах классической механики, линейной алгебры, теорий вероятности и математической статистики. Вопросы анализа и синтеза систем управления решались методами дифференциального и интегрального исчислений, компьютерного моделирования, численными методами.

Метод экспериментального исследования на стенде-станке использовался для получения исходных данных, проведения и уточнения результатов теоретического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны математическая и компьютерная модели электромеханической системы динамической разгрузки шпиндельной бабки координатно-расточного станка.

2. Проведена идентификация процесса перемещения шпиндельной бабки на вертикальных направляющих как объекта системы автоматического управления, отличающейся от известных учетом контура её динамической разгрузки.

3. Синтезирована структура системы автоматического управления движением шпиндельной бабки многооперационного координатно-расточного станка, отличающейся от известных учетом взаимовлияния контура движения и позиционирования шпиндельной бабки и контура управления её динамической разгрузки.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

На основе проведенных исследований разработана инженерная методика расчета взаимосвязанных САУ движением и позиционированием шпиндельной бабки и её динамической разгрузки, обеспечивающих точность воспроизведения движения ШБ на вертикальных направляющих многооперационного координатно-расточного станка, что позволяет на этапе проектирования создавать современные САУ прецизионными металлорежущими станками. (Акт использования в практике инженерного проекта в работе на предприятии ЗАО «Стан-Самара».).

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены:

— на станке 2440СФ4, выпускаемом ЗАО «Стан-Самара" — в технические проекты САУ разгрузкой для КРС класса точности С.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии» (г. Оренбург, 2005) [30], «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (г.Тольятти, 2006) [31], «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2007) [32], «Проблемы автоматизированного электропривода» г. Харьков, 2008) [33], «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии» (г. Оренбург, 2009) [62].

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 из них — в журналах, рекомендованных ВАК РФ (журнал СТИН № 11−2008 и сборник серии «Технические науки», СамГТУ № 2(22) — 2008), 7 публикаций — в трудах и материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

На защиту выносятся основные научные положения:

1. Математическая модель процесса перемещения шпиндельной бабки на вертикальных направляющих при её динамической разгрузке.

2. Алгоритм управления и синтез системы автоматического управления перемещением шпиндельной бабки многооперационного станка высокой точности, обеспечивающий высокую производительность как при лезвийной обработке, так и при шлифовании.

3. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления движением ШБ, оснащенной системой динамической разгрузки.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 113 страницах, диссертация содержит: 53 рисунка, 2 таблицы, 1 приложение, библиографический список на 6 страницах.

Выводы по главе.

1. Экспериментально подтверждены передаточные функции исполнительного электродвигателя, ОУ при статической и динамической разгрузке.

2. Экспериментально подтверждена эффективность динамической разгрузки, обеспечивающая точность воспроизведения заданного закона движения.

3. Экспериментально подтверждена реализация технологического процесса шлифования на координатно-расточном станке.

4. Результаты эксперимента позволяют утверждать о возможности создания системы управления, обеспечивающего работу координатно-расточного станка как многооперационного.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку новой системы управления динамической разгрузкой ШБ, можно сформулировать следующие выводы:

1. Проведен анализ существующих устройств разгрузки подачи шпиндельной бабки.

2. Разработана математическая модель системы автоматического управления динамической разгрузкой как объекта управления для САУ перемещением ШБ.

3. На основании теории СПР и теории инвариантных САУ синтезирована система автоматического управления процессом динамической разгрузки, согласованная с САУ приводом подачи ШБ и обеспечивающая требуемые показатели качества управления.

4. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 2440СФ4, которые показали возможность реализации новой технологической операции — шлифования.

5. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом динамической разгрузки.

6. Показана эффективность многооперационного станка — повышение точности на 10% и производительности на 60%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Из перечня рекомендованного ВАК РФ.

1. Математическая модель и компьютерное моделирование перемещения шпиндельного узла координатно-расточного станка на вертикальных направляющих // СТИН. — 2008. — № 11. — С. 13−17.

2. Система автоматического управления подачей шпиндельного узла многооперационного прецизионного станка // Вестник Самар. гос. техн. унта. Сер. «Технические науки». — 2008. — № 2 (22). — С. 158−164.

Другие работы:

1. Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления электромеханической разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тринадцатая: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 1 — 2 марта 2007 г.: В 3-х т. — Т.2. — М., 2007. — С. 124−125.

2. Структурный синтез и компьютерное моделирование системы автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла координатно-расточного станка // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 23−25 мая. 4.II. — Тольятти: ТГУ, 2006. — С. 21−23.

3. Система автоматического управления электроприводом динамической разгрузки шпиндельного узла одностоечного координатно-расточ-ного станка. Проблемы автоматизированного электропривода // Вестник науч.-техн. ун-та «Харьковский политехнический институт». -Харьков: НТУ «ХПИ». — 2008. — № 30. — 646 с.

4. Система автоматического управления разгрузкой шпиндельного узла прецизионного станка // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре: Материалы 63-й Всероссийской науч.-техн. конф. — Самара: СГАСУ, 2006.

5. Реновация прецизионных станков — научно-техническое направление в развитии станкостроения. В сб.: 24-я Межвузовская научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательской работы студентов в 2004 году, посвященная 75-летию СГАСУ. N.

6. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке // Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (CALS) технологии: Сб. статей всероссийской науч.-практ. конф. — Оренбург: ИПК ОГУ, 2005. — С. 174−179.

7. Анализ информационной системы контроля за процессами шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС) // Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды: Тез. докл. 23-й студ. науч.-техн. конф. по итогам науч.-иссл. работ студентов за 2003 г. — Самара: СГАСУ, 2004. — С. 136−137.