Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка энергоэффективной цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами для решения проблемы импортозамещения наукоемких средств металлообработки

Докладчик: Булдукян Георгий Арутюнович

Должность: Инженер-проектировщик

Цель проекта:
1. Основными задачами ПНИ в рамках данной темы являются: 1) Разработка технических и функциональных требований, предъявляемых к современной системе управления многокоординатных обрабатывающих центров, на основе анализа существующих передовых систем управления и тенденций развития отечественных и зарубежных технологий. Наиболее перспективным и правильным является применение цифровых технологий в создаваемой системе управления, характеризующихся отсутствием аналоговых узлов на всех участках цепи управления электроприводами. Правильный выбор цифрового интерфейса управления позволит получить максимальное быстродействие, точность и функциональность канала управления, повысить энергоэффективность и производительность оборудования; 2) Выбор и обоснование принципов аппаратного и программного построения современной цифровой системы управления обрабатывающих центров с учетом особенностей высокоскоростной многокоординатной прецизионной обработки. При решении данной задачи необходимо исследование передовых мировых решений в области автоматизации с применением многокоординатного управления, одним из лидеров в которой является компания Delta Tau. Исследованию подлежат многофункциональный демонстрационно-испытательный стенд Clipper Demo, а также высокопроизводительные контроллеры Turbo PMAC Ethernet Lite; 3) Исследование и разработка структуры аппаратно-программных средств цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами. Для разработки аппаратно-программной структуры необходимо провести детальное исследование зарубежных передовых моделей систем управления, для чего требуется приобретение рабочего образца такой системы, а также электроприводов и электродвигателей; 4) Исследование методов повышения энергоэффективности металлорежущего оборудования средствами системы управления. Основные возможности повышения энергоэффективности многокоординатной обработки средствами системы управления, требующие исследования в следующих направлениях: - Снижение издержек и затрат при эксплуатации как самой системы управления, так и обрабатывающих центров с данной системой управления; - Повышение производительности с применением технологий высокоскоростной обработки; - Уменьшение потребления энергии во время простоя оборудования; - Сокращение времени простоя; - Увеличение времени безотказной работы системы управления; - Сокращение эксплуатационных расходов; - Сокращение потребления энергии с помощью использования современной элементной базы. 5) Разработка алгоритмов и создание системного программного обеспечения СЧПУ. Данная задача требует решения следующих вопросов: - Исследование кинематических исполнений многокоординатных обрабатывающих центров; - Разработка алгоритмов прямой и обратной кинематики для наиболее востребованных кинематических конфигураций обрабатывающих центров; - Обеспечение основных алгоритмов интерполяции (линейная, круговая, сплайновая, цилиндрическая, винтовая и т.п.); - Разработка основных элементов языка программирования, а также правил составления управляющей программы в различных вариантах задания траектории перемещения инструмента; - Реализация основных программных функций, обеспечивающих высокоскоростную обработку (функция Look-Ahed, минимизация времени кадра, увеличение скорости передачи кадров управляющей программы, сопряжение кадров, компрессия кадров и т.п.); - Разработка основных правил и алгоритмов трёхмерной компенсации геометрии инструмента. 6) Разработка комплекса программных средств настройки и диагностики системы управления. 7) Изготовление макетного образца системы управления. 8) Изготовление макетных образцов цифровых электроприводов. 9) Разработка методики и проведение экспериментальных исследований основных элементов системы управления для подтверждения выбранных программных и аппаратных решений. 2. Основные цели проекта: 1) Ликвидация технологического отставания машиностроительного комплекса России в одной из перспективных технологий двойного назначения – пятикоординатной обработке металлов; 2) Создание научно-технического задела по технологии многокоординатной обработки в области цифровых систем управления нового поколения; 3) Замещение импортных систем управления на аналогичные или превосходящие по техническим характеристикам отечественного производства; 4) Повышение стратегической безопасности промышленности в области сложнопрофильной металлообработки; 5) Формирование основ для развития отечественных высоких технологий в сфере автоматизации многокоординатного металлообрабатывающего оборудования, разработки и создания перспективных цифровых систем управления и станочных электроприводов для высокоскоростной высокоточной обработки деталей сложной формы; 6) Повышение энергоэффективности, энергосбережения, производительности на многокоординатных обрабатывающих центрах; 7) Создание платформы для перспективного развития станкоинструментальной промышленности с применением современных отечественных систем управления и электроприводов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате проведения прикладных научных исследований по созданию энергоэффективной цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами должны быть получены:
1) Технические требования к современной цифровой системе управления многокоординатными обрабатывающими центрами в составе:
- Технические требования к аппаратным и программным возможностям системы управления;
- Функциональные требования по реализации многокоординатной обработке;
- Требования к энергоэффективности системы управления.
2) Технические требования к современным цифровым электроприводам:
- Технические требования к аппаратным и программным возможностям электроприводов;
- Функциональные требования по подключению различных типов электродвигателей, датчиков обратной связи.
3) Структура построения системы цифровой управления многокоординатными обрабатывающими центрами с обоснованным пречнем основных используемых элементов и компонентов системы.
4) Структура современного цифрового электропривода для системы управления.
5) Математические и программные модели управляющей части электропривода.
6) Алгоритмы и программы математического технологического программного обеспечения в составе:
- Алгоритмы прямой и обратной кинематики для основных вариантов кинематических исполнений современных обрабатывающих центров;
- Алгоритмы и программ математического системного программного обеспечения основных технологических функций;
- Алгоритмы обеспечения функций высокоскоростной обработки.
7) Алгоритмы и программы пользовательского интерфейса.
8) Диагностическое и настроечное программное обеспечение.
9) Макетный образец цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами.
10) Макетные образцы цифровых электроприводов.
11) Экспериментальный исследовательский стенд для проверки решений, подтверждения возможностей и технических характеристик, заложенных в технических требованиях.
12) Акт экспериментальных исследований макетных образцов системы управления и электроприводов.
13) Техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ по созданию опытных образцов цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами и электроприводов для них.

2. Основные характеристики планируемых результатов:
1) Требования по быстродействию:
- минимальное время выполнения кадра программы: 1-3 мс;
- скорость обработки данных: 300-700 кадров/сек;
- скорость обсчета регулятора положения: ≤ 500 мкс (≥2 кГц);
- скорость обсчета регулятора тока/момента ≤ 150 мкс (≥7 кГц);
- максимальная подача; 30-40 м/мин для осей с круговыми электродвигателями;
- максимальная частота вращения шпинделя; 20 000-40 000 об/мин;
- максимальная частота сигналов датчика скорости/положения; ≥20 МГц.
2) Требования по точности:
- наличие упреждающих связей по скорости и ускорению;
- наличие компенсация сухого трения;
- компенсация погрешности ходового винта: одномерная, двумерная;
- компенсация постоянного люфта;
- таблица компенсации переменного люфта;
- погашение вибраций: функция сопряжение кадров;
- погашение механических резонансов; наличие режекторных фильтров;
- компенсация инструмента на износ;
- подключение измерительных устройств: для измерения инструмента, детали, погрешностей перемещения.
3) Требования по технологическим возможностям:
- количество управляемых осей : 8-16;
- количество одновременно интерполируемых осей: 3, 4, 5;
- максимальное количество шпинделей: ≥3;
- количество координатных систем (каналов интерполяции): ≥2 (до 4-х);
- коррекция радиуса инструмента: 2D, 3D;
- максимальный объем управляющей программы: до 10 Мб;
- алгоритмы интерполяции: линейная, круговая, винтовая, сплайновая;
- просмотр блоков вперед (функция Look-Ahead): от 200 до 1000;
- расчет кинематики: прямая, обратная;
- функция сопряжения кадров;
- мощностной ряд силовых преобразователей от 2 до 45 кВт;
- динамическое изменение параметров регуляторов осей.
4) Требования к логическому контроллеру:
- максимальное количество входных/выходных сигналов: ≥ 512/512;
- количество высокоскоростных входов: ≥3 (на каждую ось);
- быстродействие высокоскоростных входов: ≤1 мс (≥ 1 кГц);
- количество пользовательских переменных: ≥2 000;
- количество высокоточных таймеров: ≥2;
- количество таймеров средней точности: ≥10;
- число одновременно управляемых процессов: ≥10.
5) Требования по функциональным возможностям:
- объем памяти под пользовательские программы: ≥30Гб;
- управление портальными механизмами (Gantry system);
- одновременное управление роботом и станком;
- подключение измерительных систем;
- соединение с внешними информационными сетями (Internet).
6) Требования по диагностическим возможностям:
- диагностика входных/выходных сигналов: логический анализатор;
- графический цифровой осциллограф : токов нагрузки, скоростей, положений, ошибок слежения с периодом сбора информации от 1 сервоцикла;
- функции защиты от столкновений;
- сбор, хранение и отображение статистической информации.

3. Реализуемый проект в рамках прикладных научных исследований имеет важное значение для экономики России. В результате реализации проекта будут заложены научно-технические основы для создания продукта, не имеющего аналогов у российских производителей - цифровой системы управления для многокоординатной обработки деталей сложной конфигурации. С экономической точки зрения главным достоинством представленного проекта является его импортозамещающая составляющая.

4. Анализ показывает, что на сегодня наиболее развитой и продвинутой в технологии многокоординатной обработки является система ЧПУ Sinumerik 840Dsl ф.Siemens (Германия). Среди основных функций многокоординатной обработки, доступные пользователю:
- Компрессор кадров – позволяющий преобразовывать группы кадров линейной интерполяции, полученные после пост- процессирования CAM-программой, в полином 5-го порядка, что позволяет значительно увеличить скорость резания, динамику, качество обработки, погасить вибрации, возникающие при резании, а также кардинально уменьшить объём выполняемой программы.
- Фреймы – позволяют производить смещение, поворот, зеркальное отображение, масштабирование координатной системы в пространстве, значительно упрощающие программирование обработки.
- Ориентация инструмента – позволяет задавать ориентацию вектора наклона оси инструмента в пространстве в дополнение к координатам кончика инструмента. Для удобства программирования обеспечены несколько различных способов задания ориентации.
- TRAORI – позволяет не только ориентировать инструмент в процессе обработки, но и учитывать длину инструмента, а также контролировать значение подачи у режущей кромки.
- Интерполяция большого круга - позволяет использовать разные типы интерполяций в одной программе обработки,
различающиеся способом пересчета движения инструмента. Переход от одной ориентации вектора к другой осуществляется по кратчайшей траектории, а движение вершины вектора определяется полиномом пятого порядка.
- 3D-компенсация инструмента – позволяет учитывать геометрию и износ режущего инструмента без необходимости изменений в управляющей программе.

5. В целях доведения ожидаемых результатов до потребителя наиболее эффективным способом необходимы:
- участие в крупных международных и региональных промышленных выставках,
- научные и рекламные статьи в периодической печати (Станочный Парк, РИТМ и т.п.),
- предоставление информации с результатами деятельности в рамках данной программы на интернет-ресурсах,
- научно-технические и производственные конференции и семинары,
- использование личных контактов индустриального партнера в различных сферах промышленности.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая система управления многокоординатной металлообработкой применима в следующих областях промышленности:
- машиностроение;
- авиастроительная и авиакосмическая промышленность;
- оборонная промышленность;
- атомная промышленность;
- автомобилестроение;
- станкостроение.
Ожидаемые результаты работы могут быть применены в качестве основания для проведения опытно-конструкторских работ по созданию отечественной цифровой системы управления для многокоординатных обрабатывающих центров. Данные результаты позволят:
1) Получить принципиально новый аппаратно-программный продукт для управления пятикоординатной обработкой;
2) Ликвидировать технологическое отставание машиностроительного комплекса России в одной из перспективных технологий двойного назначения – пятикоординатной обработке металлов;
3) Создать научно-технический задел по технологии многокоординатной обработки в области цифровых систем управления нового поколения;
4) Снизить зависимость от импорта зарубежных систем многокоординатного управления, соответственно, снизить влияние международных запретов и санкций на поставки передовых технологий пятиосевой обработки. Особенно сильно данный эффект будет сказываться на развитии машиностроения для авиакосмической отрасли промышленности, а также военно-промышленного комплекса;
5) Снизить стоимость системы управления, следовательно, уменьшить себестоимость сложнопрофильных деталей, обрабатываемых на станках с разработанной системой управления;
6) Повысить энергоэффективность, производительность, технологичность, точность и качество пятикоординатной металлообработки;
7) Нивелировать опасность несанкционированного доступа из-за рубежа к данным станка, на котором установлена разработанная система управления;
8) Применять и развивать высокие технологии в несырьевом секторе экономики.
Разрабатываемая система управления предполагается к установке на многокоординатные металлообрабатывающие станки, обрабатывающие центры, роботизированные и автоматизированные производственные ячейки как на этапе их производства, так и в ходе модернизации либо замены импортного оборудования.

Текущие результаты проекта:
В результате проведения работ первого этапа выполнены:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2. Патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
3. Обоснованный выбор направлений исследований.
4. Теоретическое исследование путей создания цифровых систем управления многокоординатными обрабатывающими центрами.
5. Сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учётом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике.
6. Разработка программы и методики исследовательских испытаний арендуемого импортного многофункионального демонстрационно-испытательного стенда для определения характеристик передовой цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами.
7. Исследовательские испытания и анализ характеристик арендуемого импортного многофункционального демонстрационно-испытательного стенда.
В рамках проведения работ по освещению и популяризации промежуточных результатов ПНИ принято участие в следующих мероприятиях:
- 16-я Международная специализированная выставка "Металлообработка-2014", ЦВК Экспоцентр, г. Москва,
- выставка "Вузпромэкспо-2014", г.Москва,
- Выставка "Технофорум-2014", ЦВК Экспоцентр, г.Москва