Введение к работе
Актуальность. В настоящее время позиционный программно-управляемый электропривод (ЭП) находит все более широкое применение в различных отраслях промышленности. В большинстве случаев по требованиям технологических процессов необходимо высокое быстродействие отработки циклических технологических операций, связанных с позиционированием в пространстве исполнительных органов механизмов при соблюдении требуемой точности. Для ряда отраслей, в первую очередь авиационной и космической, это особенно актуально при серийной высокоточной металлообработке изделий.
В современных позиционных программно-управляемых ЭП металлообрабатывающих станков разделяют функции устройства, формирующего диаграммы перемещения исполнительного органа механизма (ИОМ), и системы автоматического регулирования (САР) положения ЭП, отрабатывающей сформированные диаграммы. Для реализации таких ЭП требуются: диаграммы перемещения ЭП, удовлетворяющие требованиям технологического процесса; устройство для формирования заданных диаграмм перемещения ЭП; САР положения ЭП, отрабатывающая сформированные диаграммы перемещения с требуемой точностью.
Серийно выпускаемые металлообрабатывающие станки комплектуются ЭП, обладающими такими динамическими характеристиками, которые уже не позволяют обеспечить дальнейшее повышение эффективности технологических процессов обработки металла за счет более точной реализации требуемых законов движения ИОМ. Вместе с тем, существует значительный парк металлообрабатывающих станков с устаревшим, требующим модернизации или замены числовым программным управлением. Поэтому совершенствование программно-управляемых ЭП металлообрабатывающих станков является весьма актуальным.
В данной работе рассматриваются безредукторные позиционные программно-управляемые ЭП – с идеальными валопроводами (ИВ), и редукторные – с упругими валопроводами (УВ), которые обеспечивают строго фиксированное перемещение в пространстве исполнительных органов металлообрабатывающих станков.
Целью работы является интенсификация перемещений (поворотов) ИОМ металлообрабатывающих программно-управляемых станков с обеспечением предъявляемых к ним технологических и технических требований.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач: разработать диаграммы перемещения ЭП металлообрабатывающих станков; разработать математическое и программное обеспечения командоаппаратов, формирующих диаграммы перемещения ЭП металлообрабатывающих станков; синтезировать САР положения ЭП металлообрабатывающих станков; экспериментально проверить полученные закономерности и работоспособность разработанных ЭП металлообрабатывающих станков.
Методы и средства выполнения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются общепринятые методы теории автоматического управления, автоматизированного ЭП, аналитического и численного решений дифференциальных уравнений. В основу экспериментальных исследований положена методика исследования ЭП промышленных установок и методика испытаний микропроцессорного устройства. Для получения и обработки результатов экспериментальных исследований использовались: для решения систем нелинейных алгебраических уравнений методом Левенберга-Маркардта - программный комплекс Mathcad; для моделирования систем методом трапеций с точностью вычислений до 10-380 - пакет Simulink из программного комплекса MatLab; для обработки данных экспериментальных исследований - табличный редактор Excel из пакета приложений Microsoft Office.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе получены новые научные результаты:
- методика формирования четырех квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения ЭП с ИВ;
- методика формирования четырех квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения ЭП с УВ;
- математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с ИВ;
- математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с УВ;
- методики синтеза трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП с типовыми регуляторами как с ИВ, так и с УВ;
- методики синтеза модернизированных трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП как с ИВ, так и с УВ.
Практическая ценность работы определяется тем, что использование полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет улучшить характеристики позиционных программно-управляемых ЭП как с ИВ, так и ЭП с УВ и, как следствие, интенсифицировать перемещения ИОМ металлообрабатывающих станков.
Результаты диссертационной работы: методика формирования четырех квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения ЭП с ИВ, методика формирования четырех квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения ЭП с УВ, математическое обеспечение командоаппаратов формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с ИВ, математическое обеспечение командоаппаратов формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с УВ, методика синтеза трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП с типовыми регуляторами и ИВ, методика синтеза трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП с типовыми регуляторами и УВ, методика синтеза модернизированных трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП с ИВ, методика синтеза модернизированных трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП с УВ приняты к использованию при модернизации ЭП металлообрабатывающих станков на ООО «СП Седин-Шисс».
Программное обеспечение командоаппаратов, формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с ИВ защищено свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008611553. Программное обеспечение командоаппаратов, формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с УВ защищено свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008614542, №2008614565, №2008614564 и №2008614563. На модернизированную трехкратноинтегрирующую САР положения ЭП с ИВ получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение №2008111277/09(012192). На модернизированную трехкратноинтегрирующую САР положения ЭП с УВ подана заявка на выдачу патента РФ на изобретение №2008147582. Синтезированы: трехкратноинтегрирующая САР положения ЭП с типовыми регуляторами и ИВ, трехкратноинтегрирующая САР положения ЭП с типовыми регуляторами и УВ.
Разработан, реализован и экспериментально исследован командоаппарат на базе программируемого РС-совместимого контроллера ADAM-5510M-A1, формирующий квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП.
На основе математического и программного обеспечения командоаппаратов формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с ИВ Добробабой Ю.П. и Литаш Б.С. внедрено в учебный процесс учебно-методическое пособие для практических занятий и самостоятельной работы «Устройство для формирования квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов с идеальными валопроводами» по дисциплине «Теория решения изобретательских задач» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий Кубанского государственного технологического университета.
К защите представляются следующие основные положения.
1. Методика формирования четырех квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения ЭП с ИВ.
2. Методика формирования четырех квазиоптимальных по быстродействию диаграмм перемещения ЭП с УВ.
3. Математическое и программное обеспечения командоаппаратов, формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с ИВ.
4. Математическое и программное обеспечения командоаппаратов, формирующих квазиоптимальные по быстродействию диаграммы перемещения ЭП с УВ.
5. Методики синтеза трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП с типовыми регуляторами. Трехкратноинтегрирующая САР положения ЭП с типовыми регуляторами и ИВ. Трехкратноинтегрирующая САР положения ЭП с типовыми регуляторами и УВ.
6. Методики синтеза модернизированных трехкратноинтегрирующих САР положения ЭП. Модернизированная трехкратноинтегрирующая САР положения ЭП с ИВ. Модернизированная трехкратноинтегрирующая САР положения ЭП с УВ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (2005-2009 гг.); на конкурсах лучших докладов XXXIII и XXXIV студенческих научных конференций КубГТУ (Краснодар, 2006 г. и 2007 г.); на VIII Региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2006 г.); на Международных научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2006 г. и 2007 г.); на Международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.); на расширенном заседании кафедры электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (Краснодар, 2009 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: монография, 8 статей, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 10 материалов конференций, учебно-методическое пособие; получены: 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ; положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение, подана заявка на выдачу патента РФ на изобретение.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и девяти приложений. Основная часть работы выполнена на 176 страницах, включает 29 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 204 наименования, как отечественных, так и зарубежных авторов.
