авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение точности малых перемещений суппорта прецизионного станка применением комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной пер

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Павлов Алексей Александрович

Повышение точности малых перемещений
суппорта прецизионного станка применением комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей


Специальности 05.13.06 – Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами (в машиностроении)

05.02.07 – Технология и оборудование механической
и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Виноградов Михаил Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мартынов Владимир Васильевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Петров Дмитрий Юрьевич

Ведущая организация ЗАО «НПК прецизионного оборудования», г. Саратов

Защита состоится «30» июня 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.212.242.02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан «28» мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Игнатьев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Тенденции развития машиностроения требуют от промышленности достижения новых рубежей точности обработки. Современные металлообрабатывающие станки должны оперировать микрометровыми величинами с переходом в нанометры.

Привод подачи является важнейшей частью любого автоматизированного металлообрабатывающего станка (МРС), точность перемещения его рабочего органа определяет точность обработки деталей. Исследованием приводов подач занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, В.Э. Пуш, Б.А. Пронин и ряд других.

Несмотря на высокие возможности современных цифровых управляющих систем и наличие датчиков положения высокого разрешения, исполнение приводом подачи команд управляющих устройств сопряжено с техническими трудностями вследствие слабой управляемости малых перемещений с дискретностью менее 1 мкм. Решением задачи осуществления подобных перемещений может послужить шаговый привод с многоступенчатой фрикционной передачей.

Шаговые двигатели (ШД) являются важными компонентами привода подачи некоторых современных металлообрабатывающих станков. Их исследованием занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, Л.А. Садовский и др. ШД обладают высоким рабочим моментом, возможностью удержания вала во время отсутствия управляющего сигнала, высоким ускорением разгона, простотой управления от цифровых управляющих систем.



Фрикционные передачи (ФП) применяют в кинематических цепях приборов для обеспечения плавности движения, бесшумности и безударного включения, а также в приводах координатно-измерительных машин. Исследованием ФП занимались Б.А. Пронин, Р.В. Вирабов и др. Многоступенчатая ФП (МФП) используется в приводах подачи токарных модулей серии ТПАРМ, обладающих высокой точностью позиционирования (до 0,2 мкм) и способностью реализовать функции стружкодробления (с частотой до 16 Гц). Для реализации этих возможностей применяются такие дорогие и сложные в настройке и эксплуатации компоненты, как аэростатические направляющие суппорта и лазерный интерферометр в качестве датчика обратной связи. В СГТУ исследованиями особенностей использования МФП в станках занимались М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.В. Байков. Однако существующие технические решения применения МФП в станках для обработки деталей с размерами до 100 мм с погрешностью менее 0,5 мкм недостаточно исследованы, отсутствует развитая теоретическая база, согласно которой можно было бы осуществлять проектирование современных приводов с МФП, особенно с большим числом ступеней. Сведения об исследовании особенностей взаимодействия МФП и ШД отсутствуют.

Таким образом, повышение точности управления малыми перемещениями рабочего органа металлообрабатывающего станка с помощью шагового привода с МФП – актуальное целесообразное научное и практическое направление представленной работы.

Целью работы является повышение точности малых перемещений рабочего органа автоматизированного прецизионного станка на основе применения комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

  1. Обоснование требований к приводу подачи посредством анализа его влияния на качество управления перемещением и точность металлообработки в современных автоматизированных металлообрабатывающих станках.
  2. Анализ процессов, протекающих при реализации малых перемещений, разработка метода повышения точности управления движением с малой скоростью использованием шагового привода с МФП.
  3. Создание математических моделей для оптимизации основных геометрических и силовых параметров МФП.
  4. Разработка методики автоматизированного проектирования МФП.
  5. Разработка алгоритма комбинированного управления приводом, реализующего предложенный метод, проведение исследований с экспериментальным образцом шагового привода с МФП.
  6. Внедрение результатов исследований.

Методы исследований. Теоретические исследования базировались на положениях теории автоматического управления, теоретической механики, прочности материалов, математического анализа. Использовались современные программные средства вычислительной техники при моделировании процессов, протекающих в системе, а также при обработке и анализе экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования проводились на разработанной лабораторной установке по определению скольжения в зависимости от нагрузки и скорости движения и станке ТПК-125В, модифицированном путем замены штатного привода исследуемым. Для управления модифицированным приводом использовались разработанные автором программные продукты. Достоверность результатов обеспечивалась современными методами измерений, соответствующей контрольно-регистрирующей аппаратурой и приборами.

Научная новизна.

  1. Разработан алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающий замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством.
  2. Построены математические модели, устанавливающие взаимосвязь между геометрическими, динамическими и силовыми параметрами МФП и позволяющие определить параметры привода, оптимизированные с точки зрения минимизации его инерционности и сил прижатия роликов.
  3. Разработаны алгоритм автоматизированного расчета параметров МФП с различным числом ступеней и методика его применения при автоматизированном проектировании МФП с обеспечением заданной точности управления.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Результаты исследований путей повышения точности перемещения рабочего органа прецизионного МРС за счет использования особенностей взаимодействия ШД и МФП.
  2. Алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи с МФП прецизионного токарного станка
  3. Методика анализа динамики привода подачи металлорежущего станка, учитывающая особенности МФП.
  4. Математическая модель силовых взаимодействий элементов трехступенчатой ФП, учитывающая знакопеременные нагрузки.
  5. Математическая модель, оптимизирующая геометрические и динамические параметры МФП.
  6. Методика автоматизированного проектирования высокочувствительной МФП.
  7. Результаты экспериментальных исследований точности и внедрение шагового привода с МФП с использованием установки на базе прецизионного токарного станка.

Практическая ценность и реализация работы.

Решена задача повышения точности управления малыми перемещениями рабочего органа автоматизированного прецизионного МРС. Предложена концепция привода, способного реализовать высокоточные перемещения рабочего органа дискретностью до 0,02 мкм в диапазоне до 300 мм.

Разработана программа для автоматизированного проектирования МФП, определяющая оптимальные значения геометрических, силовых и динамических параметров.

Реализован алгоритм комбинированного управления шаговым приводом с МФП в виде управляющей программы для модернизированного токарного станка ТПК-125В заменой существующего привода поперечной передачи с винтовой парой на разработанный привод. Изготовлен стенд и подготовлена лабораторная работа, используемая в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ.

Апробация работы. Материалы работы представлялись на пяти международных научно-технических конференциях (НТК): X Международной НТК «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006 г.); Международной НТК «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2006, 2007 гг.); конференции молодых ученых (СГТУ, 2007 г.); Международной НТК «Шлиф­Абразив-2007» (Волжский, 2007 г.); ежегодных НТК на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2006-2009 гг. Полное содержание работы доложено на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета в 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 опубликованы в изданиях, включенных в перечень, рекомендованный ВАК, 7 работ написаны единолично автором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований и 2 приложений. Работа содержит 144 страницы, в том числе 125 страниц основного текста, 39 рисунков, 13 таблиц, а также приложения на 21 странице.

Содержание работы

В первой главе «Анализ современного уровня развития приводов подачи автоматизированных прецизионных станков» проведен анализ вариантов построения приводов подачи и путей повышения точности перемещения, достигаемой приводами подачи современных прецизионных станков ведущих мировых и отечественных производителей.

Применяемые в современных автоматизированных металлорежущих станках высокоточные датчики положения и вычислительные устройства позволяют контролировать перемещение рабочего органа станка вплоть до долей микрометра и выдавать управляющее воздействие на осуществление такого перемещения. Использование существующих исполнительных механизмов, предназначенных для осуществления требуемого перемещения в реверсивном режиме, сопряжено с трудностями реализации малых перемещений из-за наличия зазоров в зубчатых передачах, недостаточной жесткости ременных передач. Для повышения точности перемещений рабочего органа металлорежущего станка предлагается концепция исполнительного механизма, способного осуществить перемещение на требуемую малую величину, задаваемую устройством управления.

В прецизионном станкостроении применяется множество различных вариантов реализации привода подач, включающие использование таких передач, как шариковинтовые пары (ШВП), безлюфтовые зубчатые передачи, зубчатые ременные передачи, пьезоэлектрические и магнитострикционные элементы, и таких двигателей, как двигатели постоянного тока, шаговые и линейные двигатели. Каждый из этих элементов привода имеет свои преимущества и недостатки и предназначен для применения в конкретной области машиностроения. Опыт промышленного применения МФП в приводах подач токарного модуля серии ТПАРМ показал их высокие эксплуатационные показатели, возможность обеспечивать устойчивую передачу момента и высокую точность позиционирования, вплоть до 0,2 микрометра.





На сегодняшний день изготовлением металлорежущих станков во всем мире занимаются более 2,5 тысяч фирм, из них более 300 в России. Прецизионные станки производят 200 фирм по всему миру и менее 10 в России, среди которых Специальное конструкторское бюро «Модуль» (г. Самара), Рязанский станкостроительный завод, Самарский станкозавод. Прецизионный станок ТПАРМ, использующий МФП в приводе подачи, входит в группу станков, лидирующих по точности обработки.

Анализ методов повышения точности перемещения рабочего органа прецизионного МРС показал, что МФП реализует многие из этих методов. МФП обладает высокой технологичностью, не требует специализированных (зуборезных и т.п.) станков для производства, ее элементы могут сравнительно легко выполняться по самым высоким требованиям точности. Отсутствие зазоров и упругих элементов в кинематической схеме гарантирует высокую жесткость и низкую виброактивность привода, отсутствие геометрического скольжения обеспечивает высокий КПД. Указанные факторы дают основание для применения МФП в составе прецизионного привода подачи.

Во второй главе «Теорети­ческие исследования параметров автоматизированного прецизионного привода подачи на основе фрикци­онной передачи» исследованы геометрические, динамические и силовые параметры МФП и разработаны математические модели, оптимизирующие указанные параметры. Выработаны методы, позволяющие увеличить детерминированность малых перемещений.

В динамическом режиме на фрикционный ролик действуют несколько сил – сила прижатия Pn, окружная сила F, приложенная со стороны ведущего ролика, и силы реакции Nк и N (рис. 1). Силами тяжести и трения в опорах роликов (в подшипниках) можно пренебречь ввиду их несопоставимой малости с действующими силами. В передаче могут применяться линейная и угловая схемы расположения осей роликов. В линейной схеме ролики располагаются на одной прямой, в угловой схеме – в углах многоугольника. Линейная схема расположения роликов трудно реализуема технически, поэтому в дальнейшем не рассматривается. При угловом расположении роликов действующие в передаче силы влияют друг на друга. Передаваемые окружные силы вызывают соответствующие силы реакции N, которые, складываясь с прижимными силами, изменяют действие последних на ролики в сторону увеличения или уменьшения.

Увеличение прижимных сил приводит к перегрузке передачи и ускоренному износу роликов, уменьшение может привести к пробуксовке передачи. Построена математическая модель, оптимизирующая силы прижатия роликов.

Входными параметрами модели являются геометрические параметры роликов (d1 – d4, D2 – D4), коэффициент трения kтр роликов и требуемая максимальная развиваемая сила на выходе передачи Fтреб. Выходными параметрами являются передаваемые каждым роликом окружные силы F1 – F4, силы реакции Nк1 – Nк5, прижимные силы Pn1 – Pn4 и углы и между линиями, соединяющими оси роликов O1-O2-O3 и O2-O3-O4 (рис. 1).

Введём обозначения: 2 = d2/D2; 3 = d3/D3; 4 = d4/D4.

Определим требуемый момент двигателя:

. (1)

После выбора двигателя определим развиваемую им окружную силу:

. (2)

Запишем уравнения равновесия системы:

(3)

Данная система имеет следующее решение:

(4)

Оптимальные значения углов и с точки зрения минимизации сил прижатия получим, решив уравнения

(5)

Подставив в модель данные трехступенчатого фрикционного редуктора ТПАРМ, получены оптимальные значения углов о = 112,0° и о = 105,5°. При отклонении углов и от оптимальных значений увеличиваются требуемые силы прижатия Pn1 – Pn3, необходимые для развития заданной силы F4 на штоке передачи. На рис. 2 представлены графики сил Pn1 – Pn3 и Nk4 в зависимости от углов и , сплошной и пунктирной линиями обозначены графики при движении штока в разные стороны. Выбор оптимальных углов и минимизирует значения сил прижатия роликов Pn1 – Pn3 для обеспечения развития заданной силы Fтреб на штоке.

 Рис. 2. Графики зависимостей сил Pn1 – Pn3 и Nk4-15

Рис. 2. Графики зависимостей сил Pn1 – Pn3 и Nk4 от углов и ,
сплошной и пунктирной линиями отмечено движение штока в разные стороны

Взаимодействие действующих сил в приводе оказывает влияние на его динамические параметры, важнейшим из которых является приведенный момент инерции, определяемый моментами инерции отдельных элементов и передаточными отношениями. Оптимизация сил в приводе позволяет минимизировать его приведенный момент инерции и диапазон скоростей и ускорений перемещения суппорта.

Разработан алгоритм автоматизированного расчета привода подачи металлорежущего станка, позволяющий проводить анализ динамических параметров привода с фрикционной передачей для различных компоновочных и кинематических схем на стадии проектирования. Алгоритм реализован в системе автоматического проектирования MathCAD и применен для вычисления динамических параметров привода подачи токарного станка ТПАРМ с трехступенчатой ФП, приводимой шаговым двигателем ШД-5. Полный момент инерции данного привода составил 4,94910-6 м2кг.

Геометрические параметры роликов фрикционной передачи имеют прямое влияние на момент инерции привода. Ролики, находящиеся в кинематической цепи дальше от вала двигателя, обладают меньшим моментом инерции, приведенным к валу двигателя. Расчет моментов инерции трехступенчатой ФП показал, что наибольшим приведенным моментом обладает второй ролик передачи. Для его уменьшения логично увеличить передаточное отношение первой пары роликов. С другой стороны, чем больше передаточное отношение пары роликов, тем больше диаметр второго ролика, что приводит к увеличению его момента инерции. Имеем два фактора, противоположно влияющих на величину передаточного отношения первой пары роликов. Для оптимизации распределения передаточных отношений пар роликов построена соответствующая математическая модель.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.