Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение точности малых перемещений суппорта прецизионного станка применением комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей

Специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении)

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

На правах рукописи

Павлов Алексей Александрович

Саратов - 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Виноградов Михаил Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мартынов Владимир Васильевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Петров Дмитрий Юрьевич.

Ведущая организация ЗАО «НПК прецизионного оборудования», г. Саратов.

Защита состоится «30» июня 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д.212.242.02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан «28» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.А. Игнатьев.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Тенденции развития машиностроения требуют от промышленности достижения новых рубежей точности обработки. Современные металлообрабатывающие станки должны оперировать микрометровыми величинами с переходом в нанометры.

Привод подачи является важнейшей частью любого автоматизированного металлообрабатывающего станка (МРС), точность перемещения его рабочего органа определяет точность обработки деталей. Исследованием приводов подач занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, В.Э. Пуш, Б.А. Пронин и ряд других.

Несмотря на высокие возможности современных цифровых управляющих систем и наличие датчиков положения высокого разрешения, исполнение приводом подачи команд управляющих устройств сопряжено с техническими трудностями вследствие слабой управляемости малых перемещений с дискретностью менее 1 мкм. Решением задачи осуществления подобных перемещений может послужить шаговый привод с многоступенчатой фрикционной передачей.

Шаговые двигатели (ШД) являются важными компонентами привода подачи некоторых современных металлообрабатывающих станков. Их исследованием занимались такие ученые, как М.Г. Чиликин, Л.А. Садовский и др. ШД обладают высоким рабочим моментом, возможностью удержания вала во время отсутствия управляющего сигнала, высоким ускорением разгона, простотой управления от цифровых управляющих систем.

Фрикционные передачи (ФП) применяют в кинематических цепях приборов для обеспечения плавности движения, бесшумности и безударного включения, а также в приводах координатно-измерительных машин. Исследованием ФП занимались Б.А. Пронин, Р.В. Вирабов и др. Многоступенчатая ФП (МФП) используется в приводах подачи токарных модулей серии ТПАРМ, обладающих высокой точностью позиционирования (до 0,2 мкм) и способностью реализовать функции стружкодробления (с частотой до 16 Гц). Для реализации этих возможностей применяются такие дорогие и сложные в настройке и эксплуатации компоненты, как аэростатические направляющие суппорта и лазерный интерферометр в качестве датчика обратной связи. В СГТУ исследованиями особенностей использования МФП в станках занимались М.В. Виноградов, А.А. Игнатьев, Е.В. Байков. Однако существующие технические решения применения МФП в станках для обработки деталей с размерами до 100 мм с погрешностью менее 0,5 мкм недостаточно исследованы, отсутствует развитая теоретическая база, согласно которой можно было бы осуществлять проектирование современных приводов с МФП, особенно с большим числом ступеней. Сведения об исследовании особенностей взаимодействия МФП и ШД отсутствуют.

Таким образом, повышение точности управления малыми перемещениями рабочего органа металлообрабатывающего станка с помощью шагового привода с МФП - актуальное целесообразное научное и практическое направление представленной работы.

Целью работы является повышение точности малых перемещений рабочего органа автоматизированного прецизионного станка на основе применения комбинированного управления шаговым приводом с многоступенчатой фрикционной передачей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Обоснование требований к приводу подачи посредством анализа его влияния на качество управления перемещением и точность металлообработки в современных автоматизированных металлообрабатывающих станках.

2. Анализ процессов, протекающих при реализации малых перемещений, разработка метода повышения точности управления движением с малой скоростью использованием шагового привода с МФП.

3. Создание математических моделей для оптимизации основных геометрических и силовых параметров МФП.

4. Разработка методики автоматизированного проектирования МФП.

5. Разработка алгоритма комбинированного управления приводом, реализующего предложенный метод, проведение исследований с экспериментальным образцом шагового привода с МФП.

6. Внедрение результатов исследований.

Методы исследований. Теоретические исследования базировались на положениях теории автоматического управления, теоретической механики, прочности материалов, математического анализа. Использовались современные программные средства вычислительной техники при моделировании процессов, протекающих в системе, а также при обработке и анализе экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования проводились на разработанной лабораторной установке по определению скольжения в зависимости от нагрузки и скорости движения и станке ТПК-125В, модифицированном путем замены штатного привода исследуемым. Для управления модифицированным приводом использовались разработанные автором программные продукты. Достоверность результатов обеспечивалась современными методами измерений, соответствующей контрольно-регистрирующей аппаратурой и приборами.

Научная новизна.

1. Разработан алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи автоматизированного прецизионного станка с МФП, сочетающий замкнутое и разомкнутое управление с распределением задачи достижения точности перемещения между датчиком обратной связи и вычислительным управляющим устройством.

2. Построены математические модели, устанавливающие взаимосвязь между геометрическими, динамическими и силовыми параметрами МФП и позволяющие определить параметры привода, оптимизированные с точки зрения минимизации его инерционности и сил прижатия роликов.

3. Разработаны алгоритм автоматизированного расчета параметров МФП с различным числом ступеней и методика его применения при автоматизированном проектировании МФП с обеспечением заданной точности управления.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований путей повышения точности перемещения рабочего органа прецизионного МРС за счет использования особенностей взаимодействия ШД и МФП.

2. Алгоритм комбинированного управления шаговым приводом подачи с МФП прецизионного токарного станка

3. Методика анализа динамики привода подачи металлорежущего станка, учитывающая особенности МФП.

4. Математическая модель силовых взаимодействий элементов трехступенчатой ФП, учитывающая знакопеременные нагрузки.

5. Математическая модель, оптимизирующая геометрические и динамические параметры МФП.

6. Методика автоматизированного проектирования высокочувствительной МФП.

7. Результаты экспериментальных исследований точности и внедрение шагового привода с МФП с использованием установки на базе прецизионного токарного станка.

Практическая ценность и реализация работы.

Решена задача повышения точности управления малыми перемещениями рабочего органа автоматизированного прецизионного МРС. Предложена концепция привода, способного реализовать высокоточные перемещения рабочего органа дискретностью до 0,02 мкм в диапазоне до 300 мм.

Разработана программа для автоматизированного проектирования МФП, определяющая оптимальные значения геометрических, силовых и динамических параметров.

Реализован алгоритм комбинированного управления шаговым приводом с МФП в виде управляющей программы для модернизированного токарного станка ТПК-125В заменой существующего привода поперечной передачи с винтовой парой на разработанный привод. Изготовлен стенд и подготовлена лабораторная работа, используемая в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ.

Апробация работы. Материалы работы представлялись на пяти международных научно-технических конференциях (НТК): X Международной НТК «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006 г.); Международной НТК «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2006, 2007 гг.); конференции молодых ученых (СГТУ, 2007 г.); Международной НТК «ШлифАбразив-2007» (Волжский, 2007 г.); ежегодных НТК на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2006-2009 гг. Полное содержание работы доложено на кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета в 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 опубликованы в изданиях, включенных в перечень, рекомендованный ВАК, 7 работ написаны единолично автором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований и 2 приложений. Работа содержит 144 страницы, в том числе 125 страниц основного текста, 39 рисунков, 13 таблиц, а также приложения на 21 странице.

прецизионный станок привод фрикционный

Содержание работы

В первой главе «Анализ современного уровня развития приводов подачи автоматизированных прецизионных станков» проведен анализ вариантов построения приводов подачи и путей повышения точности перемещения, достигаемой приводами подачи современных прецизионных станков ведущих мировых и отечественных производителей.

Применяемые в современных автоматизированных металлорежущих станках высокоточные датчики положения и вычислительные устройства позволяют контролировать перемещение рабочего органа станка вплоть до долей микрометра и выдавать управляющее воздействие на осуществление такого перемещения. Использование существующих исполнительных механизмов, предназначенных для осуществления требуемого перемещения в реверсивном режиме, сопряжено с трудностями реализации малых перемещений из-за наличия зазоров в зубчатых передачах, недостаточной жесткости ременных передач. Для повышения точности перемещений рабочего органа металлорежущего станка предлагается концепция исполнительного механизма, способного осуществить перемещение на требуемую малую величину, задаваемую устройством управления.

В прецизионном станкостроении применяется множество различных вариантов реализации привода подач, включающие использование таких передач, как шариковинтовые пары (ШВП), безлюфтовые зубчатые передачи, зубчатые ременные передачи, пьезоэлектрические и магнитострикционные элементы, и таких двигателей, как двигатели постоянного тока, шаговые и линейные двигатели. Каждый из этих элементов привода имеет свои преимущества и недостатки и предназначен для применения в конкретной области машиностроения. Опыт промышленного применения МФП в приводах подач токарного модуля серии ТПАРМ показал их высокие эксплуатационные показатели, возможность обеспечивать устойчивую передачу момента и высокую точность позиционирования, вплоть до 0,2 микрометра.

На сегодняшний день изготовлением металлорежущих станков во всем мире занимаются более 2,5 тысяч фирм, из них более 300 в России. Прецизионные станки производят 200 фирм по всему миру и менее 10 в России, среди которых Специальное конструкторское бюро «Модуль» (г. Самара), Рязанский станкостроительный завод, Самарский станкозавод. Прецизионный станок ТПАРМ, использующий МФП в приводе подачи, входит в группу станков, лидирующих по точности обработки.

Анализ методов повышения точности перемещения рабочего органа прецизионного МРС показал, что МФП реализует многие из этих методов. МФП обладает высокой технологичностью, не требует специализированных (зуборезных и т.п.) станков для производства, ее элементы могут сравнительно легко выполняться по самым высоким требованиям точности. Отсутствие зазоров и упругих элементов в кинематической схеме гарантирует высокую жесткость и низкую виброактивность привода, отсутствие геометрического скольжения обеспечивает высокий КПД. Указанные факторы дают основание для применения МФП в составе прецизионного привода подачи.

Рис. 1. Схема взаимодействия сил в трехступенчатой фрикционной передаче

Во второй главе «Теоретические исследования параметров автоматизированного прецизионного привода подачи на основе фрикционной передачи» исследованы геометрические, динамические и силовые параметры МФП и разработаны математические модели, оптимизирующие указанные параметры. Выработаны методы, позволяющие увеличить детерминированность малых перемещений.

В динамическом режиме на фрикционный ролик действуют несколько сил - сила прижатия Pn, окружная сила F?, приложенная со стороны ведущего ролика, и силы реакции Nк и N? (рис. 1). Силами тяжести и трения в опорах роликов (в подшипниках) можно пренебречь ввиду их несопоставимой малости с действующими силами. В передаче могут применяться линейная и угловая схемы расположения осей роликов. В линейной схеме ролики располагаются на одной прямой, в угловой схеме - в углах многоугольника. Линейная схема расположения роликов трудно реализуема технически, поэтому в дальнейшем не рассматривается. При угловом расположении роликов действующие в передаче силы влияют друг на друга. Передаваемые окружные силы вызывают соответствующие силы реакции N?, которые, складываясь с прижимными силами, изменяют действие последних на ролики в сторону увеличения или уменьшения.

Увеличение прижимных сил приводит к перегрузке передачи и ускоренному износу роликов, уменьшение может привести к пробуксовке передачи. Построена математическая модель, оптимизирующая силы прижатия роликов.

Входными параметрами модели являются геометрические параметры роликов (d1 - d4, D2 - D4), коэффициент трения kтр роликов и требуемая максимальная развиваемая сила на выходе передачи Fтреб. Выходными параметрами являются передаваемые каждым роликом окружные силы F?1 - F?4, силы реакции Nк1 - Nк5, прижимные силы Pn1 - Pn4 и углы ? и ? между линиями, соединяющими оси роликов O1-O2-O3 и O2-O3-O4 (рис. 1).

Введём обозначения: ?2 = d2/D2; ?3 = d3/D3; ?4 = d4/D4.

Определим требуемый момент двигателя:

. (1)

После выбора двигателя определим развиваемую им окружную силу:

. (2)

Запишем уравнения равновесия системы:

 (3)

Данная система имеет следующее решение:

(4)

Оптимальные значения углов ? и ? с точки зрения минимизации сил прижатия получим, решив уравнения

(5)

Подставив в модель данные трехступенчатого фрикционного редуктора ТПАРМ, получены оптимальные значения углов ?о = 112,0° и ?о = 105,5°. При отклонении углов ? и ? от оптимальных значений увеличиваются требуемые силы прижатия Pn1 - Pn3, необходимые для развития заданной силы F?4 на штоке передачи. На рис. 2 представлены графики сил Pn1 - Pn3 и Nk4 в зависимости от углов ? и ?, сплошной и пунктирной линиями обозначены графики при движении штока в разные стороны. Выбор оптимальных углов ? и ? минимизирует значения сил прижатия роликов Pn1 - Pn3 для обеспечения развития заданной силы Fтреб на штоке.

Рис. 2. Графики зависимостей сил Pn1 - Pn3 и Nk4 от углов ? и ?, сплошной и пунктирной линиями отмечено движение штока в разные стороны

Взаимодействие действующих сил в приводе оказывает влияние на его динамические параметры, важнейшим из которых является приведенный момент инерции, определяемый моментами инерции отдельных элементов и передаточными отношениями. Оптимизация сил в приводе позволяет минимизировать его приведенный момент инерции и диапазон скоростей и ускорений перемещения суппорта.

Разработан алгоритм автоматизированного расчета привода подачи металлорежущего станка, позволяющий проводить анализ динамических параметров привода с фрикционной передачей для различных компоновочных и кинематических схем на стадии проектирования. Алгоритм реализован в системе автоматического проектирования MathCAD и применен для вычисления динамических параметров привода подачи токарного станка ТПАРМ с трехступенчатой ФП, приводимой шаговым двигателем ШД-5. Полный момент инерции данного привода составил 4,949•10-6 м2•кг.

Геометрические параметры роликов фрикционной передачи имеют прямое влияние на момент инерции привода. Ролики, находящиеся в кинематической цепи дальше от вала двигателя, обладают меньшим моментом инерции, приведенным к валу двигателя. Расчет моментов инерции трехступенчатой ФП показал, что наибольшим приведенным моментом обладает второй ролик передачи. Для его уменьшения логично увеличить передаточное отношение первой пары роликов. С другой стороны, чем больше передаточное отношение пары роликов, тем больше диаметр второго ролика, что приводит к увеличению его момента инерции. Имеем два фактора, противоположно влияющих на величину передаточного отношения первой пары роликов. Для оптимизации распределения передаточных отношений пар роликов построена соответствующая математическая модель.

Рассмотрим первые две ступени фрикционной передачи. Обозначим передаточные отношения первой и второй пар роликов i0 и i1 соответственно. Общее передаточное отношение передачи iп = i0 • i1. Введем функции i0(q) и i1(q), где q - параметр, определяющий соотношение передаточных отношений. Пусть q меняется от 0 до 1 таким образом, чтобы i0 принимало минимальное значение при q = 0 и максимальное значение при q = 1. Примем минимальное передаточное отношение, равное 1/2, значение i0 определяется зависимостью:

. (6)

Тогда

. (7)

Задав диаметр первого ролика, получим величины диаметров второго и третьего роликов. Модифицированный автоматизированный алгоритм вычисления динамических параметров привода, используя полученные геометрические параметры роликов, вычисляет момент инерции привода как функцию от параметра q, т.е. зависящую от распределения передаточных отношений в передаче.

На рис. 3 приведен график зависимости момента инерции привода от параметра q при различных значениях iп. Значению q в минимуме функции I(q) соответствуют оптимальные значения i0 и i1, графики которых для 1/4<iп<1/25 приведены на рис. 4. При данных значениях передаточных отношений пар полный момент инерции передачи минимален.

Рис. 3. Зависимость момента инерции привода I(q) при iп: 1 - 1/25, 2 - 1/16, 3 - 1/10

Рис. 4. Оптимальные значения i0 и i1, при которых значение инерции привода минимально

Полный момент инерции двухступенчатого фрикционного привода с передаточным отношением iп = 1/25 и передаточными отношениями фрикционных пар i0 = i1 = 1/5 составил I1 = 1,328•10-6 м2•кг. При оптимизации значений передаточных отношений фрикционных пар i0 = 1/3,5 и i1 = 1/7 полный момент привода составил I2 = 1,136•10-6 м2•кг. Выигрыш при оптимизации превысил 16,8%.

Используемая в настоящее время трехступенчатая ФП имеет ряд недостатков, среди которых относительная сложность конструирования передачи с двумя соседними подвижными роликами, относительно высокий момент инерции (равный 4,949•10-6 м2•кг, когда номинальный момент инерции нагрузки для применяемого двигателя ШД-5 равен 4•10-6 м2•кг). Для устранения этих недостатков разработана четырехступенчатая фрикционная передача. Полный момент инерции разработанного привода составил 1,348•10-6 м2•кг. В табл. 1 приведены некоторые параметры приводов, построенных на трех- и четырехступенчатой ФП. Для сравнения там же приведены параметры привода на основе ШВП, примененной как самостоятельно, так и с понижающей ременной передачей с передаточным отношением 1/5. Здесь и далее применяется шаговый двигатель ШД5 с величиной шага 1,5°.

Таблица 1. Параметры приводов

Из табл. 1 видно, что привод на основе четырехступенчатой МФП обладает значением момента инерции, почти в 3 раза меньшим момента инерции привода с ШВП и ременной передачей и в 70 раз меньшим, чем момент инерции привода ШВП без дополнительных передач. Передаточный коэффициент привода на основе ШВП ограничен шагом резьбы винта передачи. Установка промежуточных понижающих передач (обычно используются зубчатые ременные передачи) не решает данную проблему в силу их ограниченного передаточного отношения, использование же многоступенчатых ременных передач нецелесообразно из-за низкой жесткости подобных передач. МФП позволяет реализовать приводы с передаточным коэффициентом, на два порядка меньшим, чем у приводов с ШВП. Возможен вариант использования МФП совместно с ШВП, где МФП выполняет функции ременной передачи.

Для осуществления прижатия один из роликов в фрикционной паре должен быть плавающим, расположенным на подвижной опоре. МФП с нечетным количеством ступеней имеют два соседних подобных ролика. Такое расположение роликов с подвижными опорами, как показала практика, сложно реализовать технически, поэтому разработан ряд многоступенчатых ФП с четным количеством ступеней. В табл. 2 представлены максимальные значения динамических параметров шаговых приводов с двух-, четырех- и шестиступенчатыми ФП.

Таблица 2. Основные параметры шагового привода с МФП

Данные, приведенные в табл. 2, позволяют сделать вывод, что шаговые приводы с МФП дают возможность создать привод с весьма широким диапазоном динамических и статических параметров, обеспечивая перемещения с малым шагом в сотые доли микрометра (десятки нанометров).

Шаговый двигатель, помимо реализации полных дискретных перемещений, позволяет производить так называемые микрошаги - микроперемещения в пределах одного шага. В связи с особенностью контроллеров ШД, дискретность микрошагового режима обычно кратна 2. Современные контроллеры реализуют дискретность дробления шага от 1/32 до 1/256. Специальные контроллеры позволяют достичь дискретности до 1/4096. Переход от полношагового к микрошаговому режиму может происходить в реальном времени без потери точности позиционирования. В табл. 3 приведены значения дискретности привода, функционирующего в микрошаговом режиме.

Таблица 3

Дискретность шагового привода с МФП в микрошаговом режиме

При малой скорости поступательного движения (обычно порядка нескольких миллиметров в минуту), равномерное движение превращается в прерывистое, состоящее из серии скачков и остановок. Для каждой пары взаимодействующих материалов существует своя подобная скорость, называемая критической. Длины отдельных скачков отличаются друг от друга. Подобный стохастический характер движения при движении с малыми скоростями является неотъемлемым свойством природы движущихся тел.

Предложен метод, позволяющий увеличить детерминированность малых перемещений внесением в движение искусственной прерывистости. Процесс перемещения разбит на этапы покоя и движения со скоростью, значительно превышающей критическую. Задавая частоту следования этапов движения, можно добиться необходимой средней скорости перемещения суппорта, как меньшей, так и большей критической. Добиться подобного эффекта позволяет применение шагового двигателя совместно с фрикционной передачей. При средней скорости, меньшей критической, мгновенная скорость движения рабочего органа (скорость одного шага) на этапе движения значительно превышает критическую скорость благодаря развиваемому ШД высокому ускорению при отработке одного шага.

В третьей главе «Алгоритм управления приводом, осуществляющим прецизионные перемещения рабочего органа автоматизированного станка» разработан алгоритм комбинированного управления, реализующий предложенный метод повышения точности управления прерывистым движением. Разработанный алгоритм реализован программно-аппаратным комплексом.

При достаточно высокой жесткости привода с ШД и МФП, кроме классической схемы управления с обратной связью, возможно применение принципа разомкнутого или частично-замкнутого (комбинированного) управления. Сущность предложенного алгоритма управления с комбинированным принципом заключается в осуществлении движения рабочего органа МРС в два этапа, первый этап реализует управление с обратной связью, второй этап выполняется без обратной связи. Требуемое перемещение разбивается на N отдельных промежутков заданной длины (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Длина выбранных промежутков определяется точностью используемого на первом этапе датчика обратной связи. Задача первого этапа движения - достижение границы предпоследнего и последнего промежутков, обозначенной на рис. 5 как N. На втором этапе привод без обратной связи отрабатывает рассчитанное системой управления количество шагов, необходимое для преодоления оставшегося расстояния до требуемой точки, обозначенной на рис. 5 как X.

Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий предложенный алгоритм управления прецизионным шаговым приводом подачи с многоступенчатой фрикционной передачей. Разработаны аппаратная схема управления шаговым двигателем, программы для встроенного микроконтроллера и управляющего компьютера. Программы, работающие в микроконтроллере, осуществляют управление шаговым приводом с учетом полученных в результате исследований данных, в частности, осуществляется коррекция эффекта скольжения в фрикционной передаче на основании его оценки по результатам предыдущих измерений. Разработанный привод показал высокое качество управления, возможность отработки каждого шага управления, в т.ч. первого шага после продолжительного простоя.

В четвертой главе «Практическая реализация шагового привода с многоступенчатой фрикционной передачей в автоматизированном прецизионном станке» производятся экспериментальные исследования шагового привода с МФП, в том числе исследования скольжения, виброактивности, точности отработки шага.

Для получения характеристик скольжения шагового привода с фрикционной передачей изготовлен стенд, обеспечивающий реверсивное движение нагруженного привода. Проведенные исследования показали незначительную величину скольжения, относительное скольжение трехступенчатой ФП не превысило значения 0,1%. Скольжение ? имеет близкую к линейной зависимость от нагрузки на штоке и скорости вращения вала двигателя: ? = F•kF + v•kv, где kF и kv - коэффициенты нагрузки и скорости соответственно, причем kF >> kv. Получены следующие коэффициенты: kF = 0,0004 и kv = 0,00006. Полученные данные могут быть использованы в системе управления приводом подачи для коррекции скольжения в реальном времени.

Важным методом анализа работы устройств является вибродиагностика, позволяющая провести комплексный анализ работы привода и определить характер и степень влияния различных его модулей на вибрационную картину в целом. Сопоставительный анализ полученных результатов показал вибрационную характеристику различных модулей системы. В проведенном эксперименте движение рабочего органа МРС осуществлялось со скоростью от 15 до 120 мм/мин. Общий уровень виброускорения в приводе составил величину менее 0,3 м/с2, что существенно ниже, чем у зубчатых передач.

Анализ результатов вибродиагностики показал, что частота работы двигателя не имеет заметного отражения в спектре системы, из чего можно сделать вывод, что частота управляющего сигнала практически не сказывается на вибрационной картине. Выявлена высокая демпфирующая способность фрикционной передачи, виброактивность привода в целом в 2 раза ниже, чем шагового двигателя отдельно.

На рис. 6 приведены расчетные графики переходных процессов, проходящих в приводе при реализации малого перемещения на величину одного шага при использовании шагового двигателя ШД5-Д1М и двигателя постоянного тока ДП60-90-4. Время регулирования привода при использовании ШД в 12 раз меньше, чем при использовании ДПТ.

Рис. 6. Графики переходных процессов в приводе с двигателем: 1 - ДПТ, 2 - ШД

Исследования точности позиционирования проводились с помощью индикатора «Микрон-02» с индуктивным датчиком дискретностью 0,01 мкм. Исследовались повторяемость позиционирования, точность отработки заданного перемещения. Измеренная величина реального перемещения при отработке одного полного шага составила 2,44 мкм, подтвердив расчетное значение, полученное с помощью автоматизированного алгоритма расчета динамических параметров привода. Погрешность перемещения для трехступенчатой МФП не превысила величину 0,15 мкм, причем эта погрешность не накапливается от шага к шагу. Для шестиступенчатой МФП эта погрешность составит не более 0,02 мкм.

Проведенные исследования показали, что применение шагового привода с многоступенчатой фрикционной передачей позволяет достичь высокой точности управления малыми перемещениями.

Основные выводы

1. Разработан алгоритм комбинированного управления шаговым приводом с МФП, позволяющий осуществлять высокоточные перемещения рабочего органа МРС с дискретностью до 0,02 мкм.

2. Разработана математическая модель взаимодействия сил, возникающих при работе трехступенчатой фрикционной передачи. Модель позволяет оптимизировать силы прижатия роликов, обеспечить повышение КПД передачи.

3. Разработан алгоритм автоматизированного расчета параметров привода подачи металлорежущего станка, построенного на МФП с произвольным числом ступеней. Данный алгоритм оптимизирует геометрические параметры передачи и может быть применен при автоматизированном проектировании МФП.

4. Проведен сравнительный анализ динамических характеристик привода на основе трех- и четырехступенчатых ФП и на основе ШВП. Обосновано предпочтение МФП с четным числом ступеней, предложен ряд шаговых приводов с двух-, четырех- и шестиступенчатыми ФП.

5. Повышена управляемость малых перемещений суппорта применением шагового привода, что позволило существенно уменьшить стохастический характер прерывистости движения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Павлов, А. А. Математический анализ взаимодействия сил в трехступенчатой фрикционной передаче / М. В. Виноградов, А. А. Павлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. № 3 (34). - С. 14-19.

2. Павлов, А. А. Точностные показатели отечественного и зарубежного парка прецизионных металлорежущих станков / А. А. Павлов, М. В. Виноградов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2006. № 3 (14). - С. 92-96.

Публикации в других изданиях:

3. Павлов, А. А. Минимизация погрешностей позиционирования формообразующих узлов металлорежущих станков / М. В. Виноградов, А. А. Павлов // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении: материалы Междунар. конф. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 130-134.

4. Павлов, А. А. Алгоритм автоматизированного расчета динамических параметров привода подачи металлорежущего станка, построенного на основе фрикционной передачи / А. А. Павлов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб.науч.тр. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 157-161.

5. Павлов, А. А. Виброакустическое диагностирование фрикционной передачи с шаговым двигателем / А. А. Павлов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб.науч.тр. - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 159-161.

6. Павлов, А. А. Математическая модель трёхступенчатой фрикционной механической передачи / А. А. Павлов, М. В. Виноградов // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении: материалы Междунар. конф. - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 315-318.

7. Павлов, А. А. Многоступенчатая фрикционная передача в металлообрабатывающем станке / А. А. Павлов // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб.науч.тр. - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 157-160.

8. Павлов, А. А. Привод подачи прецизионного станка с фрикционной передачей и шаговым двигателем / А. А. Павлов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб.науч.тр. - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 162-165.

9. Павлов, А. А. Привод подачи прецизионного станка с шаговым двигателем и фрикционным приводом / А. А. Павлов, М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев Современные технологии в машиностроении: материалы Междунар. конф. - Пенза: ПДЗ, 2006. - С. 78-82.

10. Павлов, А. А. Привод подачи шлифовального станка с фрикционной передачей и шаговым двигателем / А. А. Павлов, М. В. Виноградов // ШлифАбразив-2007: материалы Междунар. конф. - Волжский: ВИСТ, 2007. С. 299-301.

11. Павлов, А. А. Фрикционная передача с шаговым двигателем в прецизионном металлорежущем станке / А. А. Павлов // Молодые ученые - науке и производству: материалы Междунар. конф. - Саратов: СГТУ, 2007. - С. 156-158.

Размещено на Allbest.ur