Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.574.21.0070

Руководитель: Тарарыкин Сергей Вячеславович

Должность: ректор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
цифровая система управления, пятикоординатная обработка, цифровой электропривод, компрессия кадров, 3d коррекция инструмента, сплайновая интерполяция, цифровой интерфейс управления, прямые и обратные кинематикческие преобразования, предупреждение столкновений.

Цель проекта:
1. Проект посвящён разработке цифровой отечественной системы управления пятикоординатными металлообрабатывающими центрами для решения задач импортозамещения высокотехнологичной продукции, повышения производительности, энергоэффективности и качества обработки сложнопрофильных металлических изделий. Основная задача - формирование научно-технических основ для создания продукта, не имеющего аналогов у российских производителей - цифровой системы управления для многокоординатной обработки деталей сложной конфигурации. 2. Основные цели проекта: - Ликвидация технологического отставания машиностроительного комплекса России в пятикоординатной обработке металлов. - Создание научно-технического задела по технологии многокоординатной обработки в области цифровых систем управления нового поколения. - Замещение импортных систем управления на аналогичные или превосходящие по техническим характеристикам отечественного производства. - Повышение стратегической безопасности промышленности в области сложнопрофильной металлообработки. - Повышение энергоэффективности, энергосбережения, производительности на многокоординатных обрабатывающих центрах. - Создание платформы для перспективного развития станкоинструментальной промышленности с применением современных отечественных систем управления и электроприводов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные планируемые результаты ПНИ:
- технические требования к современной ЦСУ МОЦ;
- технические требования к современным цифровым электроприводам
- архитектура и структура современной ЦСУ МОЦ и ЦЭП;
- математические и программные модели управляющей части электропривода;
- эскизная конструкторская и программная документации на экспериментальные образцы ЦСУ МОЦ и ЦЭП;
- экспериментальные образцы ЦСУ МОЦ и ЦЭП;
- исследовательские испытания созданных экспериментальных образцов на лабораторном стенде для проверки их работоспособности и введения корректировок в конструкторскую документацию;
- испытания экспериментальных образцов на многокоординатной установке для исследования и подтверждения заложенных характеристик и параметров;
- техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ по созданию опытных образцов ЦСУ МОЦ и ЦЭП.
2. Основные характеристики планируемых результатов:
Разрабатываемые экспериментальные образцы ЦСУ МОЦ и ЦЭП должны обладать следующими основными характеристиками:
2.1. Характеристики 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.
2.2. Характеристики 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.
2.3. Технологические возможности:
- 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проект по разработке ЦСУ МОЦ в рамках ПНИ позволит сформировать основные подходы к построению отечественных систем нового поколения для управления многокоординатным станочным оборудованием, где сейчас у нашей страны наблюдается значительное отставание. Создаваемые экспериментальные образцы ЦСУ МОЦ и ЦЭП в результате испытаний должны подтвердить правильность выбранных подходов и показателей быстродействия, технологичности и энергоэффективности при многокоординатной обработке сложнопрофильных металлических изделий. По результатам испытаний экспериментальных образцов, а также по результатам маркетологических исследований должно быть сформировано техническое задание на опытно-конструкторские работы по созданию опытных и предсерийных образцов ЦСУ МОЦ и ЦЭП.

Основными элементами новизны в рамках данных исследований являются:
- применение цифровых технологий в построении системы управления и электроприводов, отсутствие аналоговых сигналов в каналах управления;
- применение метода прямого ШИМ управления электроприводами, как наиболее быстродействующего и защищённого от помех и задержек в канале управления;
- применение алгоритмов прямых и обратных кинематических преобразований для обеспечения непрерывной многокоординатной интерполяции траектории перемещения и ориентации инструмента/детали;
- реализация специальных алгоритмов повышения точности и скорости обработки, а также программно-аппаратной компенсации механических погрешностей станка;
- использование специальных алгоритмов автоматического управления электроприводами для гашения вибраций при движении, синхронного управления многодвигательными узлами станка.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разрабатываемая система управления многокоординатной металлообработкой применима в следующих областях промышленности:
- машиностроение;
- авиастроительная и авиакосмическая промышленность;
- оборонная промышленность;
- атомная промышленность;
- автомобилестроение;
- станкостроение.
2. Ожидаемые результаты работы могут быть применены в качестве основания для проведения опытно-конструкторских работ по созданию отечественной цифровой системы управления для многокоординатных обрабатывающих центров.
3. Результаты данного проекта позволят:
а) получить принципиально новый аппаратно-программный продукт для управления пятикоординатной обработкой;
б) ликвидировать технологическое отставание машиностроительного комплекса России в одной из перспективных технологий двойного назначения – пятикоординатной обработке металлов;
в) создать научно-технический задел по технологии многокоординатной обработки в области цифровых систем управления нового поколения;
г) 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;
д) снизить стоимость системы управления, следовательно, уменьшить себестоимость сложнопрофильных деталей, обрабатываемых на станках с разработанной системой управления;
е) повысить энергоэффективность, производительность, технологичность, точность и качество пятикоординатной металлообработки;
ж) нивелировать опасность несанкционированного доступа из-за рубежа к данным станка, на котором установлена разработанная система управления;
з) применять и развивать высокие технологии в несырьевом секторе экономики.

Текущие результаты проекта:
- Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец ЦСУ МОЦ: схемы электрические: структурная, функциональная, принципиальная, соединений; чертежи: общего вида, габаритный; ведомость покупных изделий; пояснительная записка.
- Разработано системное ПО и интерфейс оператора экспериментального образца ЦСУ МОЦ, разработаны документы: текст программы; описание программы; пояснительная записка.
- Разработан интерфейс оператора экспериментального образца ЦСУ МОЦ, к которому разработаны: текст программы; описание программы.
- Разработана эскизная конструкторская документация на лабораторный исследовательский стенд для проведения испытаний основных элементов экспериментальных образцов ЦСУ МОЦ и цифровых электроприводов (ЦЭП): схемы электрические: принципиальная, соединений; чертежи: общего вида, габаритный; ведомость покупных изделий; пояснительная записка.
- Разработана программа и методика испытаний основных элементов ЦСУ МОЦ.
- Изготовлен лабораторный исследовательский стенд для проведения испытаний основных элементов экспериментальных образцов ЦСУ МОЦ и ЦЭП.
- Изготовлен экспериментальный образец ЦСУ МОЦ.
- Проведены исследовательские испытания основных элементов экспериментального образца ЦСУ МОЦ.
- Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы ЦЭП: схемы электрические: принципиальная, соединений; чертежи: общего вида, габаритный; ведомость покупных изделий; пояснительная записка.
- Разработана математическая модель системы управления экспериментальными образцами ЦЭП.
- Разработано программное обеспечение системы управления для экспериментальных образцов ЦЭП.
- Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов ЦЭП.
- Разработана методика настройки регуляторов экспериментальных образцов ЦЭП.
- Изготовлены экспериментальные образцы ЦЭП (2 кВт, 5 кВт, 11 кВт).
- Проведены испытания экспериментальных образцов ЦЭП.