Введение к работе
Актуальность темы. Современное прецизионное машинострое -іие предъявляет все возрастающие требования к технологическом іадежности (точности, долговечности но точности и производитеяь-юсти) станочного и сборочного оборудования (ССО) - прецизионным ітанкам, координатно-измерительяым мааинам, промышленным роботам, :борочно-монта;:аінм моделям и т.п. Важнейшим направлением в ре -іеніш этой проблемы .ямнется совершенствование существующих и юздание новых високоточних систем автоматического управления ,ВТСА7) этим технологическим оборудованием. Основное функцію -іальное назначение BTGA7 состоит в :
управлении движением рабочих органов ССО в позиционных и Х1ЄДДЩИХ ре;шмах с высокими Діша^чеаі'лми показателями качества;
управлении положением элементов несущем системы ССО, обсс -іечиваащим ее инвариантность к основным возмущениям;
управлении силовыми параметрами технологического процесса четаллообработки СЛО) или сборки (С5);
Енедренин систем прямого цифрового управления ССО.
Известными в отечественном и за рубежом машиностроении методами и средствами по повышения ч'очности ССО эти функции в Ю/ІНОЙ мере удовлетворить не удается. Это обусловлено, прежде-зсего, отсутствием адекватных математических моделей объектов 'правления ВГСАУ; научно обоснованны): алгоритмов управления процессами в ССО; методов синтеза и лл .«.черного проектирования ЗТСАУ, учитывающих специфику ССО.
В этой связи весьма актуальным является создание БТСАУ пря -юго цифрового управления ССО, использование которых позволяет существенно расмирить диапазон рабочих скоростей рабочих орга -10В станков и сборочного оборудования при одновременном снше -їли динамических нагрузок в гшием-тических цепях их приводов; )боспечмть инвариантность элементов несущей системи к основным :озмущспшг,«; повисить качество п производительность технологи-шского процесса, з частности - сборки резьбовых соединений. Зоиокушюсть э\их подход о;? откр^-лет новчо возможности в повыше-пш кшсса точности ССО, а увалл'п.л.и! его производительности, ірнменепия ла этом оборудование бочое и рог рее сипних техчологи-іесках процессов. Очевидно,что ;',онкурентиоспособностъ ССО, ОС -іащенлого такими ВГСАУ, существенно повысятся.
В данной диссертации разрабатывается и исследуется один из наиболее эффективных путей решения указанной проблемы, вклю -чая разработки математических моделей объектов "управленая БТСАУ, развитие новых подходов к синтезу рассматриваемого класса сие -тем управления и их практической реализации.
В области теории и практики автоматического управления высокоточными системами., станковедения и автоматизации сборки ав -тор опирался на имеющиеся в этих направлениях работы.
Поставленная задача решалась в рамках комплексной научно-технической программы МинВуза РСФСР " Оптимум "; грантов Госудаї ственного комитета Российской федерации по высшему образованно по фундаментальным исследованиям технологических, проблем авиастроения и 'Космической техники ( I гос. регистрации 01940005468) и по исследованиям в области машиностроения ( № гос. регистрации 01940005503); б соответствии с комплексными планами работ Самарского станкостроительного производственного объединения, АО " КАМАЗ ", Поволжского отделения Российской Инженерной Академии, НййРавтопрома.
Цель работа - повышение технологической надежности станоч -ного и сборочного оборудования путем разработки теории его систем управления с высокими динамическими показателями качества и создании на ее основе инженерных методик проектирования и технической реализации указанных систем.
Исследования проведены применительно к металлорежущим стаї кам особо высокой точности класса С, промышленным роботам и технологическому процессу сборки резьбовых соединений. Однако полу1 иные результаты могут быть использованы при создании и усовершеї ствовании и многих друрих классов ССО.
Указанная цель определила следующие основные задачи дас -сертационной работы:
разработать концепцию построения высокоточных САУ, направ ленных на повышение динамического качества ССО;
осуществить классификация объектов управления ВТСАУ, и разработать математическое описание этих объектов управления;
разработать методику структурного синтеза и параметрической оптимизации позиционно-следящих систем прямого цифрового управленая;
разработать метод декомпозиции многомерных систем управ-
ления элементами несущей системы ССО с учетом особенностей динамики объектов управления;
разработать алгоритмы управления и методику структур -ного синтеза систем автоматического управления технологически -ми параметрами сборки на примере затялски резьбового соединения;
провести экспериментальные исследования ВТСАУ и раз -работать вопросы их практической реализации.
Методы исследований определялись постановкой решаемых задач. Использовались методы дифференциального и интегрального исчисления, операторный метод и метод частотных характеристик, метод гармонической линеаризации, экспериментальные методы ис -следований объектов и систем управления.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том,что разработаны:
-
Основы теории синтеза высокоточных систем автоматического управления станочным и сборочным оборудованием.
-
Оригинальные метода идентийікащш многомерных упруго-диссипативных'объектов управления с распределенными и сосре -доточенными параметрами.
-
Динамические структуры и математические модели объектов управления станочного и сборочного оборудования.
-
Методы структурного синтеза и параметрической оптими- зации регуляторов многоконтурных систем с одной измеряемой координатой применительно к лозиционно-следящим системам ССО.
-
Метод декомпозиции многомерных систем с попарно СИМ -метричной структурой.
-
Алгоритмы управления и методы структурного синтеза систем автоматического управления силовыми параметрами технологи -ческого процесса сборки на примере затяжки резьбового соединения.
Практическая ценность. На основании разработанной теории, проведения натурных испытаний и выполнения машинных эксперимен -тов созданы и реализованы в инженерной практике методики:
построения обобщенной структуры взаимодействия ВТСАУ различных классов ( на примере прецизионного станка или сбо-рочне—монтажного робота);
синтеза структурных схем, а также получения аналитических выражений передаточных функций объектов управления ВТСАУ;
проектирования І1СС в форме структурно-минимального электропривода (СМЭП) прямого цифрового управления с быстродействием,
на порядок превышающим известные САУ аналогичного класса;
параметрического синтеза многомерных СУЭНС станка с по -парно симметричной структурой;
использования методов синтеза СМЭП при проектировании двухдвигательной САУ движения поперечеяы станка портального типа;
разработки программно-математического обеспечения и его технической реализации для трех классов ВГСАУ;
кроме того, разработаны алгоритмы:
автоматического управления затянкой резьбового соеди -нения;
исследования на ЭКД динамики объектов управления и вы -полнения многовариантного параметрического синтеза ВТСАУ ССО;
а также предложены новые оригинальные устройства для циф -ровых ПСС, СУЭНС станка и систем автоматической сборки резьбо -вых соединений.
Реализация результатов работы. Основные теоретические по -ложения и практические рекомендации работы внедрены в промыт -ленность, использованы в научно-исследовательских и проектных организациях, в учебных институтах:
при разработке и создании микропроцессорной системы управления координатно-шшфовальным станком 32К84 и системы автоматической компенсации силовых деформаций станины станков 2455 и 2458 ( Самарское станкостроительное производственное объ динэние (ССПО) г.Самара);
при разработке и создании микропроцессорной системы уп -равления двухшпиндельным гайковертом K-AME54/I6 - 5HW21-50 (станкостроительный завод АО КАМАЗ );
в виде пакета прикладных программ ДИМЯШС по расчету динамики объектов и высокоточных САУ ССО (ССПО, СамГГУ);
в виде единичных образцов стендов для опытного опреде -ления статических и динамических характеристик объектов и сие -тем управления прецизионных станков (ССПО) и сборочных модулей (станкостроительный завод-АО КА.1АЗ);
в виде учебных лабораторных стендов (филиал кафедры АУШ ТП СамГТУ на ССПО);
в виде учебных пособий "Динаміка электромеханических* исполнительных систем прецизионных станков и роботов", " Системы
управления прецизионными станками и роботами", "Метода анализа качества электромеханических систем управления промышленными установками", которые используются при подготовке инженеров специальности 2105 в СамГТУ.
Апробация. Основные положения и результати диссертационной работы докладывались и обсуздались на Всесоюзном научно -техническом совещании "Автоматическое управление электроприводами и электромеханическими системами (Тольятти, 1974), Всесоюзной научно-технической конференции " Динамика станков " (Куйбышев,1980); научно-техническом семинаре института технической кибернетики Вроцлавского технического университета (Вроцлав, Польша,1985); ІУ Всесоюзном' совещании по робототехническим системам (Киев,1987); Всесоюзной'научно-технической конференции "Динамика станочных систем гибких автоматизированных систем " (Тольятти, 1988),Всесоюзном научно-техническом совещании " Проблемы управленій про-лыаленными электромеханическими системами" (Ульяновск, 1989),"Дадь--гевосточн'ой региональной научно-практической конференции "Совер-ценствование" электрооборудования и средств автоматизации тех -і ел отческих процессов промышленных предприятий " (Комсомольск --на-Амуре , 1Э89); XI Всесоюзной научно-технической конференции ю проблемам автоматизированного электропривода (Суздаль,1991); іаучно-техническпх семинарах, проводимых Ленинградским Домом научно-технической пропаганды " Разработка и создание автоматази -кованных систем упраачения электромеханическими устройствами ро- >отов и манипуляторов " (Ленинград, 1966), "Электропривод с цифровым и цишроаналоговым управлением " (Ленинград, 1991, 1992) ; Республиканской научно-технической конференции " Совершенствование :ушествующих и создание новых ресурсосберегающих технологий и >борудования в машиностроешш" (Могилев, 1991); региональном ^отраслевом семинаре "Автоматизация информационных, техноло-'ических и управленческих процессов " (Самара, 1991); I созеща-ыи "Новые направления в теории систем с обратной связью " (Уфа, !ЭЭЗ), научно-технической конференции с международным участием Проблемы электротехники" (Новоелбирск,1993), научно-техническом емпнарз "Современна!! регулируемый электропривод малой и средней ющнооти па основе интеллектуальной силовой электрошпш и микро-роцессориых средстз управления (Лосква, 1994), на международной аучно-технической конференции" Новые информационные технологии і образовании " (Владикавказ, 1994), на научно-технических кон-
ференцяях и семинарах СамГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 60 пе -чатных работ, в том числе 3 учебных пособия, получено 22 авторских свидетельства на изобретения.
На защиту выносятся:'
-
Концепция и методология создания высокоточных СА7, обеспечивающих повышение технологической надежности (точности, производительности, долговечности по точности) станочного и сборочного оборудования. Обоснование эффективности применения устройств управления для создания конкурентноспособного технологического .оборудования.
-
Обобщенные и упрощенные математические модели объектов управления'с учетом упругодассипативных свойств, многосвязнос-ти, нестационарностц и нелинейности кинематических цепей приводов, элементов несущей системы и технологических процессов станочного и сборочного оборудования.
-
Новые подходы к синтезу и технической реализации высокоточных САУ станочного и сборочного оборудования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Еведения, пяти глав И заключения, изложенных на 260 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 198 наименований на 22 страницах и содержит 74 рисунка и 22 таблицы. Общий объем работы 414 страниц сквозной нумерации.