Теоретические основы, создание и исследование автоматизированных мехатронных модулей линейных и вращательных перемещений металлообрабатывающих станков

На основании прогноза и анализа развития станкостроения можно выделить следующие основные направления:

• качественное изменение конструкций металлорежущих станков (конструкции станков с параллельной кинематикой, гексаподные конструкции, конструкции типа «Box in a box» и др.);

• существенное повышение производительности и точности станков, реализация технологий скоростной обработки;

• широкая унификация станков, реализация принципов агрегатно-модульного конструирования.

Для решения вышеперечисленных задач наряду с совершенствованием технологии обработки, появлением новых режущих материалов, инструментов создаются принципиально новые мехатронные станочные узлы автоматизации на базе интеграции средств прецизионной механики, электроники, электротехники. Конструктивное объединение исполнительного и приводного элементов механизмов линейных и вращательных перемещений станков, реализующих концепцию привода прямого действия «Direct Drive», позволяет исключить промежуточные механические преобразователи и передачи, повысить точность, быстродействие, снизить потери. Наличие в данных конструкциях встроенных систем автоматического управления и датчиков контроля технологического процесса делает мехатронные узлы интеллектуальными автономными модулями, на базе которых могут создаваться конструкции самых перспективных металлообрабатывающих станков.

В настоящее время формируется и активно развивается во всем мире новая отрасль науки — мехатроника, базирующаяся на знаниях и достижениях в области механики, электроники, автоматики и информатики. Именно интеграция знаний в этих областях науки и техники позволила совершить качественный скачок в развитии техносферы, подойти к созданию принципиально новых видов и систем оборудования. Мехатроника, как отрасль науки, посвящена анализу и выбору законов исполнительных движений машинных агрегатов с компьютерным управлением, а также синтезу таких агрегатов и машин на их основе. В научном плане, задача создания мехатронных узлов для металлорежущих станков состоит не в элементарном объединении механики, управления и электроники, а в создании методов формальнологического анализа. В первую очередь это относится к механической части мехатронных модулей. Создание и применение мехатронных модулей движения в металлорежущих станках принципиально меняет взгляд на конструирование станков, переводя их на системный уровень, учитывающий сложные взаимосвязи между проектированием, изготовлением, сборкой, отладкой эксплуатацией, ремонтом и утилизацией.

В [49] дается следующее определение мехатроники: «Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями». Из этого определения следует, что создание мехатронных узлов обеспечивает принципиально новый концептуальный подход к построению машин с качественно новыми характеристиками. Однако при создании объектно-ориентированных мехатронных модулей следует учитывать специфику конкретного объекта, в котором применяется модуль. Весь комплекс задач проектирования и технологии механической обработки на металлорежущем станке оказывает решающее влияние на конструкцию и систему управления мехатронным модулем движения станков. Поэтому можно говорить о конкретном классе мехатронных модулей движения для металлообрабатывающих станков. В данной работе рассматриваются следующие виды металлообрабатывающего оборудования: металлорежущие станки (расточно-фрезерные, токарные, зуборезные, шлифовальные), станки с электро-физическими методами обработки (эрозионные), станки для лазерной резки, измерительные машины). Важно отметить синергетический характер г интеграции составляющих элементов мехатронных модулей. Синергия (греч.) -это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом принципиально важно, что составные части, не просто дополняют друг друга, но 'объединяются таким образом, что образованная система обладает качественно новыми свойствами. В мехатронных модулях, как элементах станочного оборудования, все энергетические и информационные потоки направлены на достижение единой цели — реализации заданной технологической функцииобеспечение конкретной технологии механической и/или физико-технической обработки. Интегрированные мехатронные модули выбираются уже на стадии проектирования станка, а затем обеспечивается его инженерная и технологическая поддержка на стадии производства и эксплуатации. Методологической основой разработки мехатронных модулей являются методы параллельного проектирования (Concurrent Engineering Methods). При традиционном проектировании станков производится разработка механической, электронной, измерительной и компьютерной частей системы, и затем выбор интерфейсных узлов. Принцип параллельного проектирования заключается в одновременном взаимосвязном синтезе всех компонентов системы. Базовыми объектами мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движение, как правило, по одной управляемой координате (оси). Из таких модулей движения, как из функциональных узлов, компонуются сложные системы модульной архитектуры. Мехатронные модули предназначены для реализации заданного движения. Критерии качества выполнения движения модулями являются проблемно-ориентированными — определяются постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задачи механической обработки на металлорежущем станке состоит в реализации перемещения выходного звена (например, инструмента). При этом необходимо координировать управление пространственным перемещением модуля с управлением различными внешними процессами. Движение мехатронного модуля станка можно считать функциональным движением, т. к. в процессе работы модуля возможно регулирование силового взаимодействия рабочего органа с объектом работы, контроль и диагностика текущего состояния элементов (инструмента), управление дополнительными технологическими воздействиями на объект работ (охлаждение), управление вспомогательным оборудованием комплекса (конвейер, загрузочное устройство), выдача и прием сигналов от устройств автоматики (клапаны, реле, переключатели). Перспективные мехатронные модули движения создаются с применение методов интеллектуального управления (Advanced Intelligent Control), которые основываются на решении задач автоматизированного машиностроения, теории управления, новейшие подходы к синтезу управления движением.

Создание автоматизированных мехатронных модулей линейных и вращательных перемещений для металлообрабатывающих станков является новой задачей, как в теоретическом, так и в практическом плане.

Цель работы. Разработка основ и методов создания мехатронных модулей станков, использование которых позволит создать научные основы разработки и внедрения в промышленность конкретных моделей узлов линейного и вращательного движения.

Задачи исследования.

• выявить области эффективного использования мехатронных модулей линейного и вращательного движения в узлах металлообрабатывающих станков;

• разработать методы проектирования и структурного построения мехатронных модулей для станков, в т. ч. интеллектуальных модулей движения;

• проанализировать влияние использования мехатронных модулей в станках на производительность, качество и точность обработка;

• разработать методы оптимального управления мехатронными модулями, обеспечивающие заданный уровень автоматизации металлообрабатывающего оборудования;

• на базе теоретических исследований создать и внедрить в производство конкретные модели мехатронных модулей линейного и вращательного движения.

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на СИНЕРГЕТИЧЕСКОМ объединении узлов точной механики, с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением и функциональными движениями. При этом использовался математический аппарат теории оптимальных решений многофакторных задач.

Разработка мехатронных электромеханических устройств базируется на следующих научно-технических дисциплинах: автоматизированный электропривод, теория автоматического управления, конструирование станков и машин. Методологической основой исследования являются методы параллельного проектирования — одновременный и взаимосвязный синтез всех компонентов систем. При исследовании мехатронных систем использовались методы исследования проблемно ориентированных объектов. При синтезе мехатронных модулей, как объектов динамического движения использовались методы математического моделирования динамических процессов с помощью ЭВМ и методы оптимального автоматического управления электроприводами с мехатронными модулями.

Вопросам исследования статических, динамических и температурных свойств узлов станков были посвящены работы общепризнанных ученых В. В. Каминской, З. М. Левиной, В. А. Кудинова и др. [42, 44, 73].

В новейшие разработки в области автоматизированного электропривода станков большой вклад внесли Н. Ф. Ильинский, Г. Б. Онищенко, А. Д. Поздеев и др. [23,29,30,31,50].

Ряд ведущих ученых занимаются непосредственно разработкой и исследованием мехатронных модулей. Среди них: Ю. П. Богачев, C.B. Демидов, В. Г. Каган, В. О. Астанин и др. [3, 73].

В данной работе ставятся комплексные задачи разработки научных основ создания универсальных мехатронных модулей, предназначенных для использования в металлообрабатывающем оборудовании.

В работе рассматривается следующие аспекты разработки и применения мехатронных модулей: общетехнические и экономические вопросы создания мехатронных модулей (главы 1, 3, 5) — мехатронные модули, как элемент электромеханического преобразования (главы 1, 4, 5) — мехатронные модули, как элемент динамической системы (глава 2) — мехатронные модули, как станочные узлы (глава 1, 2, 3, 4, 5). Работа содержит следующие основные этапы: разработка теоретических основ и методов исследования /в т.ч. разработка интегрально-квадратичного критерия оптимизации динамических характеристик (глава 2), разработка методов оптимизации характеристик мехатронных модулей как составной части системы металлообработка (глава 3), разработка эвристической многокритериальной компьютерной системы выбора и оценки применения мехатронных модулей в конструкциях станков (глава 3)/- проведение теоретических и прикладных исследований /в т.ч.: оценка влияния применения мехатронных модулей на качество, производительность и точность металлообработки (главы 4, 5) — разработка методов проектирования и настройки мехатронных модулей (главы 2, 3, 4, 5) — экспериментальные исследования и обзор результатов внедрения мехатронных модулей движения в конкретных видах металлообрабатывающих станков.

Работа состоит из 5 глав, списка основных использованных литературных источников и заключения.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, сделан обзор новейших достижений отечественной и зарубежной науки в области создания мехатронных модулей для металлорежущих станков. Развитие электромеханических узлов станков составляет одну из важнейших сторон создания металлообрабатывающих станков и станочных комплексов нового поколения. Использование мехатронных модулей движения позволяет обеспечить высокий уровень автоматизации технологических процессов, высокую точность, производительность.

Во второй главе рассматриваются вопросы исследования и оптимизации и динамических характеристик мехатронных модулей. На основании аналитического исследования и расчетов с помощью программы МаШсаё разработаны методики по определению параметров настройки регуляторов привода, обеспечивающие оптимальные по производительности переходные процессы.

В третьей главе приведена разработка методов исследования мехатронных модулей как элементов взаимосвязных систем обработки на металлорежущих станках. Разработанный теоретический метод оптимизации характеристик мехатронных модулей, как составной части взаимосвязной системы металлорежущих станков, позволил определить наиболее важные характеристики мехатронных модулей, обеспечивающие наилучшие характеристики станков.

В четвертой главе проведено исследование влияния применения мехатронных модулей на точность, производительность и др. показатели станков. Разработанные методы исследования статических, динамических, точностных и тепловых характеристик мехатронных модулей имеют универсальный характер и могут использоваться при разработке и проектировании металлообрабатывающего оборудования нового поколения с заданными технологическими характеристиками.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований и внедрения мехатронных модулей в металлообрабатывающих станках.

Выводы по главе 5.

1. На основании выполненных исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых позволяет решить важную научно-техническую задачу — повышение технического уровня (автоматизации, производительности, точности) металлорежущих станков.

2. Изложенные в предыдущих разделах работы научно обоснованные технические и технологические решения подтверждены экспериментально.

3. Результаты внедрения теоретических разработок, предложенных автором, а также опыт ведущих российских и зарубежных разработчиков подтверждают важное хозяйственное значение создания и внедрения мехатронных модулей движения в металлорежущих стенках.

4. Создание и внедрение мехатронных модулей движения и специальных оптимальных систем управления позволило на их базе сконструировать принципиально новые металлорежущие станки. Имеющие в несколько раз лучшие технические характеристики по сравнению с традиционными станками, имеющими приводы с классическими электродвигателями.

2 5.

Рис. 5.12. Станок Ь^егеоИ.

Рис. 5.13. Станок WZЯ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании выполненного обзора новейших достижений отечественной и зарубежной науки в области создания мехатронных модулей обоснована необходимость комплексного подхода при разработке теоретических основ, исследования и создания мехатронных модулей, как станочных узлов, оказывающих важное влияние практически на все показатели металлообработки.

2. Разработана классификация основных видов станочных мехатронных модулей, сформулированы цели и задачи комплексного исследования, методологической основой которых являются методы параллельного проектирования — одновременный и взаимосвязный синтез всех компонентов системы.

3. Исследованы динамические характеристики мехатронных модулей. На основании интегрально-квадратичного критерия разработана методика оптимизации динамики мехатронных модулей при отработке как управляющих, так и возмущающих воздействий.

4. Разработан метод оптимизации характеристик мехатронных модулей, как составной части взаимосвязной системы металлообработки, который позволил определить наиболее важные характеристики мехатронных модулей (скорость быстрых перемещений линейного модуля до 60 м/мин, ускорение до 5§, максимальную частоту вращения шпинделя до 40 ООО об/мин (30 кВт), обеспечивающие наилучшие характеристики станков.

5. Доказана эффективность применения мехатронных модулей линейных движений (линейные двигатели), высокоскоростных электрошпинделей и мотор-шпинделей, а также поворотных столов, что отражает перспективность реализации режимов скоростной обработки.

6. Результаты расчетов показали целесообразность применения мехатронных модулей с асинхронными двигателями. Это связано с появлением систем частотного транзисторного регулирования асинхронных двигателей, в том числе систем векторного управления, что существенно расширяет область применения регулируемого электропривода с асинхронным двигателем.

7. Разработанные методики оптимального выбора имеют следующее практическое значение:

7.1. Выделена первоочередная номенклатура мехатронных модулей, разработка и внедрение которых наиболее эффективно отразится на техническом уровне станков.

7.2. Определены наиболее важные типоразмеры мехатронных модулей, т. е. конкретные группы и габариты станков, на которых в первую очередь следует применять махатронные модули.

7.3. На основании результатов экспертной оценки разработаны научно-технические программы создания и внедрения мехатронных модулей, составлены технические задания на их разработку, предложены планы организации их серийного производства.

8. Исследование мехатронных модулей, как составных частей станка показало:

• отсутствие промежуточных механических звеньев, малые инерционные массы, низкий коэффициент трения в узлах, высокая перегрузочная способность обеспечивают высокое быстродействие приводов;

• однако вышеперечисленные факторы предъявляют особые повышенные требования к системе управления мехатронным модулем — обеспечение возможно большого коэффициента усиления системы, обеспечение широкой полосы пропускания частот;

• высокое качество статических и динамических характеристик мехатронных модулей обеспечивается за счет применения релейных регуляторов, реализующих скользящий режим управления.

9. Заданную точность (до 1 мкм) позиционирования и движения по траектории обеспечивается в следящих системах управления с применением цифровых методов задания и измерения положения, вычислением кинетической ошибки, и статической ошибки позиционирования.

10. Высокое динамическое качество характеристик мехатронных модулей позволяет повысить производительность станков по следующим направлениям:

• сокращение машинного времени обработки детали за счет реализации скоростных режимов резания;

• сокращение вспомогательного времени за счет увеличения скорости быстрых ходов (до 60 м/мин);

• сокращение времени на ремонт и техническое обслуживание за счет упрощения конструкции, исключения промежуточных механических звеньев.

11. Специфика работы мехатронного модуля непосредственно в зоне резания ставит задачи учета тепловых режимов и разработки специальных принудительных методов охлаждения мехатронных модулей. Разработанные методы расчета систем охлаждения линейных двигателей с принудительной циркуляцией жидкости (масло/вода) или воздуха базируются на вероятностных оценках загрузки конкретного станка с мехатронным модулем.

12. Разработанные методы исследования статических, динамических, точностных и тепловых характеристик мехатронных модулей имеют универсальный характер и могут использоваться при разработке и проектировании металлообрабатывающего оборудования нового поколения с заданными технологическими характеристиками.

13. На основании теоретических и экспериментальных исследований созданы промышленные образцы мехатронных модулей линейных и вращательных перемещений, которые внедрены в конкретные образцы металлорежущих станков нового поколения.