Повышение точности электромеханических систем станков с ЧПУ

• Автор: Капулкин, Борис Самуилович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 99 с. : ил.

Повышение точности электромеханических систем станков с

Глава 1 Анализ процессов управления формообразованием в станках 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
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
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
Заключение
Список литературы

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].

Быстродействующим называется механизм, в котором связи и характеристики элементов выбраны так, что процесс перехода из одного состояния в другое (с расчётной точностью) протекает при заданных ограничивающих условиях за наименьшее время. К ограничивающим условиям относятся предельно допустимые значения координат электропривода: скорость, ускорение, ток двигателя. Задача оптимального по быстродействию управления состоит в том, чтобы среди всех допустимых функций управления найти такую, для которой выбранный критерий оптимальности принимает наименьшее значение. Такую задачу можно решить с помощью принципа максимума Л.С. Понтрягина или динамического программирования Р. Беллмана.
Согласно принципу максимума Понтрягина, каждому допустимому управлению определённым образом ставится в соответствие функция Гамильтона. При оптимальном управлении функция Гамильтона достигает максимума. Математически задача сводится к составлению и решению системы уравнений в частных производных.
Метод динамического программирования разработан для оптимального управления процессами, имеющими гораздо более общий характер, чем процессы, описываемые системами дифференциальных уравнений, носит более универсальный характер. Использование метода динамического программирования приводит к уравнению в частных производных, называемому уравнением Беллмана. Это уравнение (при некоторых дополнительных условиях) эквивалентно гамильтоновой системе и условию максимума [22].
Найденное при этом оптимальное управление представляет собой релейную функцию времени. Частота переключений в такой системе зависит от корней характеристического уравнения. Для получения системы, в которой обеспечивается оптимальное управление, нужно применить релейный элемент (нуль-компаратор) и определить параметры, а также характеристики связей и элементов, управляющих переключением реле.
Третий подход к решению задачи заключается в том, что закон управления формируют как преобразование некоторого исходного, уже апробированного управления [23]. В качестве последнего для решения траекторных задач взята классическая трёхконтурная система подчинённого регулирования. Результаты, полученные специалистами разных направлений, являются убедительным доводом для того, чтобы рассмотреть метод разрывных управлений применительно к траекторным задачам ЧПУ. Разрывность управления приводит к тому, что в системе могут возникать движения в скользящем режиме [24]. Во время скользящего режима траектории вектора состояния принадлежат к пересечениям поверхностей разрыва. Движение в скользящем режиме определяется свойствами объекта и положением (или уравнениями) поверхностей разрыва. Исходная задача разбивается на независимые подзадачи меньшей размерности: управление «тратится» лишь на создание режимов скольжения, а желаемый характер движения по пересечению поверхностей разрыва обеспечивается