Станкоинструментальная промышленность относится к числу базовых отраслей промышленности России. Поскольку станкоинструментальная промышленность является одной из важнейших фондообразующих отраслей, техническое состояние этой отрасли во многом определяет уровень развития экономики страны. Однако неблагоприятные экономические условия в 90-х гг. существенно снизили спрос на отечественную продукцию и придали сырьевую направленность промышленной политике. Это способствовало застою в станкостроении. В 2005 году Россия произвела 6,3 тыс. единиц металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования, что в 16 раз меньше, чем РСФСР (101,5 тыс. ед.). В то же время, и особенно с 2002 года существенно растёт производство станков в ведущих странах мира: Япония -10 521ед. — 88% станков, рост 33.4%- Германия — 921 бед.- 72.5% станков, рост 19.1%- Италия — 4639ед. -55% станков, рост 11.6% (данные 2004 г.) [1]. Эти данные указывают на утраченные лидирующие позиции России.
Однако, начиная с 2005 года, ставится задача возрождения станкостроения как отрасли «фондообразующей для всего машиностроения» [2] и выдвигается государством как основная задача развития экономики. Актуальность решения проблем станкостроения активизирует научную деятельность этой сферы и в частности определяет ориентацию развития станкостроения.
Весьма важным здесь является оценка износа оборудования: по его функциональному износу, который включает технологический износ и делает ненужным станок в результате появления на рынке новых прогрессивных технологий, и моральный износ вследствие развития и удешевления производства станка из-за изменений конструкции. В этой связи процесс актуальных исследований в области развития машиностроения и станкостроения можно представить в виде, показанном на рисунке В1.
Рисунок B.l.
Спрос на рынке нового оборудования, в основном, крупными предприятиями по государственному заказу или заказу естественных монополий. Эти предприятия выступают и в качестве основных потребителей высокопроизводительного импортного оборудования. Основная группа машиностроительных предприятий не имеет таких средств, и удовлетворяются за счет закупок недорогого массового универсального металлообрабатывающего оборудования, для чего активно используется вторичный рынок. На этом рынке решающую роль играет модернизация существующих конструкций станков, отвечающих функциональному назначению и не испытывающего морального износа как по конструкции, так и потенциальным возможностям ведения технологического процесса. К таким станкам относятся одностоечные координатно-шлифовальные станки, например 3284СФ4. Основными тенденциями в модернизации являются:
1) Оснащение станка современной системой ЧПУ.
2) Оснащение станка современными цифровыми электроприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей с частотным управлением.
3) Обеспечение повышения производительности труда и точности за счёт внедрения передовых алгоритмов управления.
4) Повышения гибкости и универсальности станков, концентрации в одном станке возможностей реализации большего числа технологических операций.
Вопросам исследования процесса шлифования посвящается ряд работ выполненных для целей подшипниковой промышленности. К их числу относятся работы Грановского Г. И., Грановского В. Г. [4], Тараненко В. А., Митрофанова В. Г. [5], Михелькевича В. Н. [6], Кургана В. П., Абакумова A.M. [7], Ре-шетова А. И. Однако ими были разработаны системы управления процессом шлифования, работающих по циклу черновое, чистовое, шлифование и выхаживание. Для целей тонкого шлифования отсутствуют этапы чернового, чистового шлифования и несколько модифицирована процедура выхаживания.
Выполняемая работа посвящена глубокой модернизации координатно-шлифовальных станков с ЧПУ, обеспечивающих точность класса С (1−2мкм.) и чистоту поверхности 0.16−0.32 мкм.
Диссертационная работа выполняется в рамках федеральной государственной программы «Развитие точного машиностроения и станкостроения», а.
5 также программы Министерства Образования Российской Федерации «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки и контроля».
Предметом исследования данной работы является повышение производительности и качества обработки деталей на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ.
Цель настоящей работы заключается в разработке нового алгоритма и системы автоматического управления процессом шлифования на прецизионных координатно-шлифовальных станках, реализующего управление процессом на протяжении всей технологической операции и обеспечивающего существенное повышение производительности станка при заявленной точности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.
2) Разработка алгоритма управления процессом шлифования в функции стабилизации среднего значения тока высокоскоростного электрошпинделя.
3) Структурно-параметрический синтез системы автоматического управления процессом шлифования.
4) Исследование эффективности управления процессом тонкого шлифования при релейном изменении регулирующего воздействия.
Методы исследования: Решение поставленных задач основано на использовании методов математического моделирования, имитационного моделирования, системного анализа, теории автоматического управления, теории электропривода, разделов технологии машиностроения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования деталей на координатно-шлифовальном станке с ЧПУ как объекта системы автоматического управления.
2. Разработан алгоритм управления процессом шлифования, позволяющий контролировать технологическую операцию и обеспечивающий повышение производительности при заявленной точности станка.
3. Проведён структурно-параметрический синтез системы автоматического управления тонкого шлифования для станка с ЧПУ.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
1) Разработана инженерная методика синтеза, и реализована САУ процессом тонкого шлифования, позволяющая на основе нового алгоритма управления обеспечить повышенную производительность и качественные показатели шероховатости поверхности.
2) Рекомендована технологическая карта операции шлифования для разработки программного обеспечения, управляющего процессом тонкого шлифования для координатно-шлифовального станка с ЧПУ.
Результаты исследований внедрены на ЗАО «Стан-Самара» в виде системы управления реализующей технологическую операцию тонкого шлифования цилиндрических колец из стали.
Основные положения и результаты данной работы докладывались на:
1. Всероссийской научно-практической конференции в г. Оренбург 2005 г.
2. Международной. научно-технической конференции 23−25 мая. г. Тольятти: ТГУ, 2006.
3. Всероссийской научно—практической конференции. Оренбург. ЮГУ, 2007 г.
4. 13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. г. Москва 2007 г.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 2 статьи в изданиях, утвержденных ВАК.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения.
В первой главе дан обзор литературных данных по процессу шлифования, и подчеркивается особенность и проблема тонкого шлифования, которая по существу сводится к управлению процессом выхаживания. Показано, что для этих целей необходимо разработать специальную кинематическую цепь подачи шлифовального круга, минимизирующую статические и динамические деформации, имеющую компактную конструкцию и обладающую высокой надежностью. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе диссертации приводится аналитическая идентификация процесса шлифования. На его основе синтезируется структурная схема объекта управления. Методом компьютерного моделирования доказывается необходимость учета в структуре объекта управления режущей способности круга, а также неучета тшк в силу малости этой величины при частотах вращения круга от 12 000 до 96 000 об/мин. Кроме того, предлагается упрощенная модель процесса для качественной оценки работоспособности системы.
В третьей главе автор показывает, что теоретической основой синтеза системы автоматического управления целесообразно принять теорию систем подчиненного регулирования. Показывается, что в данной системе для привода подачи шлифовального круга используется САУ — с контуром стабилизации скорости и положения. В диссертации доказывается необходимость замыкания системы третьим контуром — по току электрошпинделя, который косвенно обеспечивает заданные требования по качеству обрабатываемой поверхности и существенно повышает производительность технологической операции шлифования. Кроме того, здесь же отмечается, что классическая настройка контура скорости на технический оптимум не обеспечивает требуемые показатели качества управления. Методом компьютерного моделирования находится требуемый коэффициент обратной связи в контуре скорости, позволяющий приблизиться к границам тока переключения реле, и для окончательного установления заданных значений упомянутых токов вводится задатчик интенсивности при подаче Аа31).
В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования. В качестве экспериментальной установки используется серийный координатно-шлифовальный станок, оснащенный современной системой автоматического управления «Маяк-600» фирмы «Ижпрест». На станке установлен комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры, позволяющий получить передаточные функции процесса шлифования, САУ асинхронным двигателем шлифовального круга, САУ подачи шлифовального круга, а также параметры звеньев САУ: жесткость узлов, моментов инерции.
Результаты экспериментов по шлифованию традиционным алгоритмом и предложенным в диссертации показали, что предложенное решение на 20−24% повышает производительность процесса при заявленном качестве обработки деталей.
На защиту выносятся следующие положения:
— Идентификация процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем как объекта системы автоматического управления.
— Разработка алгоритма управления процессом шлифования при стабилизации среднего значения усилия резания.
— Синтез системы автоматического управления процессом тонкого шлифования по новому алгоритму.
Выводы по главе:
1. Экспериментальные исследования проведены на стенде-станке модели 3284СФ4 оснащенного системой ЧПУ.
2. В качестве комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры использовался переносной компьютер, который подключался напрямую к частотным преобразователям электроприводов станка. Информация выводилась в виде осциллограмм на цифровой осциллограф.
3. Экспериментально подтверждены передаточные функции процесса тонкого шлифования, передаточная функция АД шлифовального круга.
4. Экспериментально подтверждена эффективность нового алгоритма управления, позволяющая повысить производительность станка на 20−24%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку нового алгоритма управления и синтеза системы автоматического управления процессом тонкого шлифования, решающих задачу повышения производительности, технологической операции и координатно-шлифовального станка в целом при заявленной точности класса С, можно сформулировать следующие выводы:
1. Проведен анализ существующих устройств поперечной подачи шлифовального круга при врезном шлифовании и на основе шлифовальной головки реализован процесс тонкого шлифования.
2. Разработана математическая модель процесса тонкого шлифования совместно с высокоскоростным электрошпинделем, ток которого позволяет реализовать постоянный контроль технологической операции.
3. Разработан новый алгоритм управления процессом шлифования, поддерживающий на предельно допустимом из условий нагрева режим резания и обеспечивающий высокую производительность самой операции и станка в целом.
4. На основании теории СПР синтезирована система автоматического управления процессом шлифования, обеспечивающая требуемые показатели качества управления.
5. Проведены экспериментальные исследования на стенде-станке на базе выпускаемого станка модели 32К84СФ4, которые показали эффективность представленного алгоритма.
6. Даны практические рекомендации по инженерной методике при проектировании САУ процессом тонкого шлифования.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке (КШС). В сб.: Студенческая наука.
Исследования в области архитектуры, строительства и окружающей среды. Тезисы докладов 23-й студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов за 2003 г./ СГАСУ. Самара, 2004.-С. 135−136.
2. Реновация прецизионных станков — научно-техническое направление в развитии станкостроения. В сб.: 24-я Межвузовсая научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательской работы студентов в 2004 году, посвященная 75 летию СГАСУ.
3. Компьютерное моделирование системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (CALS) технологии./ Сборник статей всероссийской научно-практической конференции. — Оренбург.: ИПК ОГУ, 2005.-С. 174−179.
4. Структурный синтез системы автоматического управления процессом шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Международная научно-техническая конференция 23−25 мая. 4.II. — Тольятти: ТГУ, 2006. — С. 24−26.
5. Математическая модель и компьютерное моделирование процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии./ Сборник статей всероссийской научно-практической конференции. — Оренбург.: ИПК ОГУ, 2007; С.244−251.
6. Разработка алгоритма управления процессом прецизионного шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика./ Сборник тезисов докладов 13 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов.
7. Разработка САУ процессом тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: Вестник СамГТУ.№ 2(20)-2007. Научный журнал. — ГОУ ВПО «СамГТУ» С. 147−152.
8. Идентификация процесса тонкого шлифования на координатно-шлифовальном станке. В сб.: СТИН.№ 03−2009 Научно-технический журнал.С.31−34.
