Мехатронный модуль контурной обработки материалов на базе двухподвижного механизма с поворотным столом

Повышение требований к производительности и надежности установок в металлообрабатывающей, деревообрабатывающей и т. д. отраслях, а также к качеству выпускаемой продукции, ресурса и энергосбережению обуславливает необходимость применения новых подходов к проектированию механического оборудования. Одним из способов решения этой задачи является использование принципиально новых технических решений разработки этих устройств с позиции мехатроники [13−18]. Основным подходом решения задачи проектирования устройства является единый подход к проектированию устройства в целом, т. е. его механической, электромеханической и управляющих систем. Подобный подход позволяет при проектировании технологических устройств использовать оригинальные кинематические схемы механизмов, компенсируя определенные недостатки этих механизмов в сравнении с традиционными, за счет использования новых алгоритмов, систем управления и их аппаратной реализации.

В настоящее время основой современного технологического оборудования обработки плоских заготовок являются координатные столы. Кинематические схемы подобного оборудования содержат в обязательном порядке устройства преобразования вращательного движения приводов в поступательные движения рабочего стола и/или инструмента. Подобные технические решения позволяют получить высокую точность обработки заготовок и возможность регулирования скорости обработки заготовки в широком диапазоне, а также относительную простоту подготовки управляющих программ в декартовой системе координат с использованием разработанных за последние двадцать лет компьютерных CAD, САМ систем [19−23]. Научные исследования в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. Значительные результаты опубликованы в трудах Е. П. Попова, Ю. М. Соломенцева, B. JL Афонина, B.C. Кулешова, Н. А. Локота, Ю.В. Поду-раева, C.JI. Зенкевича, А. С. Ющенко, И. А. Каляева, В. М. Лохина, И. М. Макарова, А. В. Тимофеева, Д. Я. Паршина, А. Н. Дровникова и др. Однако линейные направляющие, винтовые пары и т. д., являются весьма сложным конструктивным элементом, существенно повышающим конечную стоимость оборудования. В определенных случаях при относительно невысоких требованиях к соотношению точность/скорость при обработке изделий можно предложить механическое устройство станка на базе двухподвижного механизма. При использовании данной кинематической схемы отсутствуют устройства преобразования вращательного движения в поступательное и, в отдельных случаях, промежуточные механические редукторы между валом привода и валом механизма. Кроме того, отсутствует прямая кинематическая связь между отдельными элементами механизма. Интерполяции контура обработки детали осуществляется с помощью двух вращательных движений. Подобное техническое решение позволит существенно снизить конечную стоимость механического оборудования за счет исключения технологически сложных и дорогих механических элементов и тем самым снизить материалоемкость и стоимость механической части оборудования.

Современные средства вычислительной техники позволяют реализовать заданные законы управления электроприводами для формирования необходимого контура обрабатываемой детали в режиме реального времени, что было невозможно 10−15 лет назад. Таким образом, перенося основные экономические затраты с механической части обрабатывающего оборудования в область разработки программно аппаратного комплекса системы управления, можно получить существенный экономический эффект, обусловленный единичным вложением средств в разработку подобной системы и исключения из состава оборудования весьма дорогостоящей механической компоненты.

Определенный интерес может представить программное обеспечение САМ-систем и систем управления реализующих нелинейные законы интерполяции плоских кривых. Результаты, полученные при проектировании данного мехатронного устройства, могут представлять определенный интерес для технологии обработки материалов в целом.

Областью применения станков реализующих предлагаемый принцип построения механической части технологического оборудования могут быть технологические установки, использующие бесконтактные способы контурной обработки материалов (лазерная, плазменная, гидроабразивная и т. д.).

Применение станков реализованных по предлагаемой кинематической схеме при обработке таких материалов как камень, дерево, пластик, декоративная обработка металлов и т. д. на наш взгляд является вполне конкурентоспособными по сравнению с промышленным оборудованием используемым в настоящее время.

Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с госконтрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН, по теме «Теоретические основы построения систем управления мехатронным устройством для формирования программнозаданной траектории пространственного перемещения рабочего инструмента» 2009 г., в рамках госконтрактов по программе У.М.Н.И.К. «Разработка системы управления двухподвиж-ным механизмом», государственный контракт № 5614р/8051 от 5.02.2008, «Разработка опытно — промышленного образца цифровой системы управления двухподвижным механизмом» государственный контракт № 6632р/9196 от 1.02.2009., по госконтракту № П507 «Теоретические основы собственной и взаимной компенсации импедансов и их практические приложения в прецизионных аналоговых микросхемах для систем управления, технической диагностики и телекоммуникаций нового поколения». ,.

Целью работы является разработка методов планирования и управления мехатронным модулем на базе двухподвижного механизма с поворотным столом.

Для достижения этой цели потребуется решить следующие задачи: -разработать кинематическую схему двухподвижного механизма и произвести математическое описание;

— разработать методы планирования траектории перемещения рабочего инструмента по заданному контуру (интерполяционные методы);

— разработать методику и провести оценку погрешности позиционирования двухподвижного механизма и линейные погрешности для предлагаемых методов интерполяции;

— исследовать возможность реализации режима поддержания линейной контурной скорости контурной обработки детали;

— провести компьютерное моделирование процесса решения задачи управления угловыми координатами в соответствии с разработанными методами планирования траектории;

— разработать опытный образец устройства и оценить адекватность полученных методов планирования и управления.

Идея работы — заключается в разработке методов планирования перемещения рабочего инструмента (методов интерполяции) и системы управления мехатронным устройством на базе двухподвижного механизма предназначенного для преобразования суммы двух вращательных движений в перемещение рабочего инструмента по заданному контуру.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы: методы аналитической геометрии, матричного исчисления, математического, компьютерного и натурного моделирования, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория цифровых и микропроцессорных систем управления. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные на натурном образце устройства.

Научные положения, выносимые на защиту:

— метод формирования перемещения рабочего инструмента по заданному контуру без использования механических элементов преобразования вращательных движений в поступательные, заключающийся в использовании кинематической схемы двухподвижного механизма;

— методы планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, заключающиеся в использовании неортогональной системы координат, при её расчете с учетом стабилизации контурной линейной скорости;

— метод повышения точности планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, заключающийся в повышении размерности матрицы Брезенхэма, которая применяется при решении интерполяционной задачи для периферийной части рабочей зоны механизма;

— метод оценки точности планирования (интерполяции), заключающийся в оценке величины ошибки в зависимости от углового положения отрезка прямой в декартовых координатах, связанных с осью вращения одного из элементов.

Научная новизна диссертационной работы:

— метод формирования перемещения рабочего инструмента по заданному контуру без использования механических элементов преобразования двух вращательных движений в поступательные, отличающийся в использовании кинематической схемы двухподвижного механизма;

— методы планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, отличающиеся использованием неортогональной системы координат и формированием траектории движения не в линейных, а угловых приращениях с учетом стабилизации контурной линейной скорости;

— метод повышения точности планирования (интерполяции) траектории перемещения рабочего инструмента, отличающийся применением матрицы Брезенхэма повышенной размерности;

— метод оценки точности планирования (интерполяции), отличающийся возможностью определения максимальной ошибки на поверхности рабочей зоны для семейства отрезков прямых, имеющих единственную произвольно расположенную точку пересечения и не совпадающую с центром рабочей поверхности.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается применением современных научных методов исследованийподробным анализом научно-исследовательских работ, по теме диссертациикорректным применением используемых в исследовании математических методовметодами обработки и моделирования выполненными с использованием современных программных продуктов для моделирования и обработки результатов экспериментаудовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.

Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенные в диссертации математические модели, методы планирования траектории перемещения инструмента, метод оценки точности предложенной кинематической схемы представляют собой методологические основы для разработки мехатронных устройств использующих для перемещения рабочего инструмента по заданной траектории двухподвижный механизм. Практическая ценность работы:

— реализованы компьютерные модели предложенных алгоритмов интерполяции позволяющие исследовать свойства двухподвижного механизма в различных режимах;

— разработаны и реализованы системы управления электроприводом постоянного тока двухподвижного механизма;

— разработаны компьютерные программы для пакета MATLAB, позволяющие реализовать предложенные методики исследования свойств двухподвижного механизма;

— разработано программное обеспечение на языке Си++ реализующее предложенные методы управления двухподвижным механизмом безотносительно к программно-аппаратной платформе;

— предложены рекомендации по практическому применению станка на базе двухподвижного механизма;

— выполнена практическая реализация опытного образца устройства и проведены его испытания, показана возможность практического применения разработанного устройства в составе комплексов контурной обработки плоских материалов.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Опытный образец станка для поверхностного упрочнения металлов передан в пробную эксплуатацию в ООО «Металлика». Результаты диссертационной работы используются в ЮРГУЭС при обучении студентов специальности «Машины и аппараты бытового назначения» по дисциплине «Прикладная механика» и на кафедре «Радиоэлектронные системы» специальности ."Бытовая радиоэлектронная аппаратура" при изучении дисциплины «Электромеханические устройства».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на XIX международной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения", МИКМУС 2007 институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН (Москва, 2007 г.), XIX международной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения" МИКМУС 2008 институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН (Москва: 2008 г.), XIV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «современные техника и технологии» Томский политехнический университет, (Томск, 2008 г.), международной конференции молодых ученых «Ломоносов-2008» МГУ им. М. В. Ломоносова, (Москва, 2008 г.), XV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «современные техника и технологии» Томский политехнический университет (Томск, 2009 г.), неоднократное выступление в департаменте «Автоматизации и машиностроения» технологического университета Тампере (Финляндия, г. Тампере, 2009 г.), всероссийском смотре конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2006;2009» (Новочеркасск, 2006;2009 г.), выступление на научно-технических конференциях ЮРГУЭС (Шахты, 2006;2009).

1. АНАЛИЗ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ.

ПО СЛОЖНЫМ МНОГОКОНТУРНЫМ ТРАЕКТОРИЯМ.

В настоящее время оборудование с числовым программным управлением, предназначенное для обработки материала по сложному контуру, развивается по классическому сценарию, в основе которого лежит Декартова система координат. Общую структуру классического построения оборудования с числовым программным управлением для обработки материалов по сложному контуру можно представить в виде трех основных ступеней [1] (рис. 1.1).

OFFLINE.

На рис. 1.1 изображены следующие элементы:

1 — техническое задание;

2 — программа в NC коде (P/G);

3 — плата управления CNC (Computer Numerical Control);

4 — контур обратной связи по абсолютному линейному положению;

5 — силовой драйвер;

6 — контур обратной связи по угловому положению;

7 — привод линейной направляющей;

8 — датчик углового положения;

9 — рабочий инструмент;

10 — обрабатываемый объект;

11 — винтовая пара;

12 — контактный пробник;

13 — законченный объект;

14 — контроль качества обработанного объекта.

Первой ступенью является OFFLINE подготовка задания с использованием прикладных программ поддерживающих CAD (Computer Assisted Detection — инструмент конструктора, который объединяет в одном конструкторском пространстве все известные методы геометрического проектирования), САРР (Computer-Aided Process Planning — система проектирования технологических процессов (ТП), которая позволяет с различной степенью автоматизации проектировать единичные, групповые и типовые технологические процессы по многим направлениям: механообработка, гальваника, сварка, сборка, термообработка и т. д.) и САМ (Computer-aided manufacturingподготовка управляющих программ для всех видов станков с ЧПУ). Вторым этапом является отработка задания в режиме ONLINE. Данный этап является основным, в нем осуществляется физический процесс обработки материала по сложному контуру и состоит из механической части перемещения рабочего органа относительно рабочей поверхности (осуществляемое с помощью преобразования вращательных движений в линейные перемещения, что в конечном итоге позволяет осуществлять процесс интерполяции в Декартовой системе координат), сервоприводов с драйвером (электро, гидро, пневмо и т. д.), контуров обратной связи (датчики положения, датчики тока и т. д.), рабочего инструмента (фреза, лазер, плазма и т. д.). Третий этап POSTLINE, используя технологию СММ (Coordinate Measuring Machine — поверхтностный анализ заготовки) определяет качество конечной детали, что необходимо для компенсации ошибки и осуществляется путем смены инструмента, применяется для повторной обработки или шлифовки детали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная техническая задача разработки методов планирования и формирования траектории перемещения рабочего органа в полярной системе координат, оценки и повышения точности контурной обработки плоских заготовок бесконтактным способом:

1. Предложена кинематическая схема двухподвижного механизма с поворотным столом и поворотной инструментальной штангой, не содержащая избыточных связей и обеспечивающая предельную простоту конструкции, низкую материалоёмкость и себестоимость.

2. Разработаны и исследованы методы планирования траектории, основанные: на непосредственном решении уравнений кинематикисовместном решении уравнений прямой и дуги окружности, образованной следом рабочего инструментарешении матрицы Брезенхэма.

3. Сравнительный анализ разработанных методов интерполяции показал, что методы, основанные на непосредственном решении уравнений кинематики и решении системы уравнений прямой и дуги окружности, образованной следом рабочего инструмента, равноценны по потребной вычислительной мощности и точности интерполяции. Алгоритм интерполяции, основанный на матрице Брезенхэма, обладает более высокой точностью интерполяции и одновременно с этим требует более высокой вычислительной мощности по сравнению с первыми двумя алгоритмами.

4. Использование модифицированного метода Брезенхэма с целью повышения точности целесообразно применять в кинематической схеме в том случае, если ось вращения инструментальной штанги находится в пределах рабочей поверхности, ограниченной радиусом поворотного стола.

5. Разработана и реализована система управления мехатронным модулем на базе микроконтроллера семейства ARM, позволяющая воспроизвести перемещение рабочего инструмента по заданному контуру.

6. Проведённые исследования предложенным методом оценки точности отработки интерполяционных алгоритмов с учётом точности позиционирования механизма 1.8°/256 показали, что максимальная относительная ошибка, нормированная к длине инструментальной штанги, составляет 0,1 398 для алгоритма интерполяции на основе метода оценочной функции и метода совместного решения уравнений отрезка прямой и окружности. Для метода интерполяции на основе матрицы Брезенхэма при точности позиционирования 1.8°/4, максимальная относительная ошибка составляет 0,4 373.

7. Проведённые исследования показали наличие зон сингулярности по угловой скорости элементов двухподвижного механизма при условии постоянства контурной скорости и наличии ограничения на соотношения угловых скоростей элементов механизма. Показано, что с повышением диапазона регулирования скорости электропривода зоны сингулярности существенно сужаются и практически не оказывают влияние на технологические параметры обработки детали.

8. Тестовые испытания разработанного опытного образца устройства позволяют сделать вывод о целесообразности его использования при бесконтактной обработки материалов (лазерной, плазменной и других технологий).