Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов

Номер контракта: 14.578.21.0070

Руководитель: Афонин Андрей Николаевич

Должность руководителя: профессор

Докладчик: Афонин Андрей Николаевич, профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
субтрактивная обработка, резание, многослойная гетерогенная структура, микроэлектроника, микромеханика, технология, математическое моделирование, станок, точность позиционирования, система управления, обратная связь, магнитореологический привод, пьезокерамический привод, активная виброизоляция, чпу, микропроцессор, программирование, интеллектуальная система

Цель проекта:
Повышение не менее чем в 10 раз точности позиционирования исполнительных механизмов технологического оборудования для формирования прецизионных углублений по сравнению с лучшими зарубежными аналогами за счет реализации замкнутых контуров обратной связи, с учетом влияния внешних возмущающих факторов.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Лабораторная технологическая инструкция для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.
2 Эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы изделий из многослойных гетерогенных структур и деталей высокоточной микромеханики.
3 Экспериментальные образцы изделий из многослойных гетерогенных структур и деталей высокоточной микромеханики для отработки технологии субтрактивной обработки с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.
4 Предложения по реализации и внедрению результатов ПНИ.
5 Эскизная конструкторская документация на макетные образцы:
5.1 Станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов
5.2 Виброизолирующей системы
6. Математическое, аппаратное и программное обеспечение системы управления станком для субтрактивной обработки гетерогенных структур с обратной связью.
7. Методика имитационного моделирования процесса резания при субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей с использованием современных численных методов.
8 Имитационная модель процесса резания при субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей.
9 Математическая модель технологического процесса субтрактивной обработки, учитывающей геометрию формируемых высокоточных углублений, свойства обрабатываемой поверхности и влияние внешних возмущающих факторов, позволяющей реализовывать при обработке замкнутые контуры обратной связи.
10 Методика проектирования технологии формирования высокоточных углублений, в том числе в многослойных гетерогенных структурах.
11 Интеллектуальные средства оценки и повышения эффективности алгоритмов и стратегий субтрактивной обработки гетерогенных структур
12 Программные средства, обеспечивающие получение управляющих программ для системы числового программного управления (ЧПУ) разработанных образцов технологического оборудования.
13 Макетный образец станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.
14 Макетный образец виброизолирующей системы для разработанного макета станка
15 Управляющие программы для макетного образца станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.
16 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
17 Проект технического задания на проведение опытно-технологических работ по теме: Создание пакета типовых технологических процессов субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, будут являться детали, имеющие микро- и наноразмерные поверхности различной формы с жёсткими допусками, например детали MEMS, в том числе имеющие сложную гетерогенную структуру. Создаваемая технология и оборудование для ее реализации позволят повысить качество и снизить себестоимость изготовления данных деталей.
По сравнению с уществующими зарубежными аналогами промышленного оборудования для сверхточной субтрактивной обработки (станки компаний «Posalux» (Швейцариия), «Mape» (Дания), «Hitachi» (Япония), «Excellon» (США) и др.) предлагаемое оборудование позволит осуществлять обработку по 3 координатам, что значительно расширит возможности технологии субтракьтивной обработки.
Для создания математической модели процесса субтрактивной обработки будут использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, численные методы решения уравнений и их систем, теория автоматизированного управления.
Для создания имитационной модели процесса резания при субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей будут использованы теоретическая механика, материаловедение, теория пластичности и разрушения материалов, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и т.д.
Систему управления управления процессом субтрактивной обработки по нескольким координатам предполагается разработать на основании анализа результатов теоретических исследований с использованием достижений современной электроники и вычислительной техники.
Для подтверждения адекватности результатов теоретических исследований будет создан макетный образец для исследования позиционирующего и виброизолирующего привода стола, шпиндельного узла, активной виброизолирующей платформы, с системами управления и измерения микро- и нанопозиционирования на основе индуктивных, емкостных и лазерных преобразователей, что позволит провести лабораторные испытания для проверки адекватности разработанной математической модели.
Экспериментальные исследования предполагается проводить с применением современных методов планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных.
Технологию формирования высокоточных углублений предполагается разработать на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований с использованием фундаментальных положений теории технологии машиностроения.
Разработка стратегии многоосевой субтрактивной обработки для ее реализации в CAM-системах будет производиться путем компьютерного моделирования процесса субтрактивной обработки с использованием современного программного обеспечения.
Разработка системы управления технологическим оборудованием подразумевает использование современных микропроцессоров и среды построения управляющих программ. В настоящее время для получения программ для станков с ЧПУ используются средства CAM-систем. При этом для уникального нестандартного оборудования необходимо реализовывать постпроцессоры или специальные драйверы, учитывающие систему команд конкретных станков. В ПНИ предполагается разработка инструментальных средств, позволяющих осуществлять автоматическое построение постпроцессора. Данные средства основаны на идеях и методах построения макропроцессоров инструментальных языков. При этом макропроцессор настраивается в зависимости от характеристик исходного и выходного языков с помощью внутренних лингвистических средств, позволяющих достаточно просто описывать процесс получения текста на базовом языке из текста на исходном. Таким образом, становится возможным использование разработанной системы управления с широким набором CAD/CAM-систем, что повышает круг потребителей разработанной в ПНИ системы субтрактивной обработки.
Результаты являются оригинальными и соответствуют мировому уровню.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Изготовление деталей микроэлектронной техники с гетерогенными структурами, имеющих высокоточные углубления.
Изготовление деталей высокоточной микромеханики для нужд точного машиностроения и приборостроения.
Потенциальные потребители:
ООО «Научно-производственное предприятие «Энергетические и информационные технологии» Белгородского государственного университета» - индустриальный партнер.
ЗАО НПП "СПЕЦ-РАДИО", ОАО «Протон», ЗАО "Сокол-АТС", ЗАО "Научприбор" и др.
Технологическая платформа "Национальная информационная спутниковая система", включающая предприятия:
ФГУП «Научно-производственное объединение имени С.А. Лавочкина»;
ОАО «Красноярский машиностроительный завод»;
ФГУП «НПО «Техномаш»;
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва»;
ФГУП «Научно-производственное предприятие Всероссийский НИИ электромеханики с заводом имени А.Г. Иосифьяна»;
ФГУП ФНПЦ «ПО «СТАРТ» имени М.В. Проценко;
ООО «НПК «Композит»;
ЗАО «Нанотехнология МДТ» и др.
Планируемые результаты позволят расширить производство высокотехнологичной отечественной продукции.

Текущие результаты проекта:
Проведен компьютерный эксперимент по исследованию с помощью разработанной имитационной модели процесса резания при субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей по плану, содержащему 294 опыта.
Обоснован выбор начальных и граничных условий и разработана методика создания математической модели технологического процесса субтрактивной обработки, учитывающая геометрию формируемых высокоточных углублений, свойства обрабатываемой поверхности и влияние внешних возмущающих факторов, позволяющей реализовывать при обработке замкнутые контуры обратной связи.
По результатам проведенных вычислительных экспериментов получен комплекс из 18 математических моделей технологического процесса субтрактивной обработки: регрессионные уравнения технологических параметров субтрактивной обрботки - силы резания и и максимальных относительных деформаций, а также уравнения возмущающего фактора – температуры резания.
Установлено, что наибольшее влияние на силу резания оказывают глубина резания и подача, а на максимальные относительные деформации глубина резания. Установлено, что наибольшее влияние на температуру резания оказывает скорость резания.
Проведены теоретические исследования процесса активной виброизоляции в низкочастотном диапазоне. Доказана необходимость применения на оборудовании для субтрактивной обработки системы активной виброизоляции. Разработана методика расчетов системы активного подавления вибраций в низкочастотном диапазоне.
Изучены возможностей CAD/CAM систем для создания управляющих программ для субтрактивной обработки. В результате анализа более 20 наиболее распространенных отечественных и зарубежных CAD/CAM систем установлено, что применение широко распространенных CAD/CAM систем для разработки управляющих программ к станкам для субтрактивной обработки с нанометровой точностью перемещений затруднительно.
Разработаны управляющие программы для субтрактивной обработки с микронной точностью перемещений с помощью существующих CAD/CAM систем и постпроцессоров. На основе анализа результатов обработки сделан вывод о целесообразности создания специализированного ПО для разработки управляющих программ к станкам для субтрактивной обработки с нанометровой точностью перемещений.
Разработана трехмерная эскизная компоновка макетного образца станка для субтрактивной обработки. Полученная 3D модель эскизной компоновки может быть использована для моделирования работы станка.
Разработана принципиальная схема системы управления макетом станка для субтрактивной обработки, содержащая обратные связи по координатам, скорости и другим параметрам обработки.
Предложено математическое описание объекта управления и системы управления в форме передаточной функции дробного порядка кратного ½, отражающей свойства распределенных в пространстве динамических процессов, протекающих в сложной механической системе пьезоактуатор-инструмент-заготовка.
Разработана методика проектирования технологии формирования высокоточных углублений, в том числе в многослойных гетероструктурах. Предлагаемая методика позволяет проектировать технологические процессы субтрактивной обработки, обеспечивающие требуемое качество обрабатываемых поверхностей.
Исследованы теоретические основы создания алгоритмов повышения эффективности стратегий субтрактивной обработки гетерогенных структур. Разработано формально-алгоритмическое представление алгоритмического языка для решения задач субтрактивной обработки.
Исследованы теоретические основы создания алгоритмов повышения эффективности стратегий субтрактивной обработки гетерогенных структур. Разработано формально-алгоритмическое представление алгоритмического языка для решения задач субтрактивной обработки.
Разработаны интеллектуальные средства оценки и повышения эффективности алгоритмов и стратегий субтрактивной обработки гетерогенных структур, обеспечивающие возможность повышения эффективности разрабатываемых программ для ЧПУ за счет повышения производительности, качества обработки, снижения износа инструмента.
Разработаны программные средства по созданию постпроцессоров для CAM-систем ArtCAM и MasterCAM, обеспечивающие получение управляющих программ для системы ЧПУ макетного образца станка для субтрактивной обработки.
Разработана библиотека функций, позволяющих управлять управление микроконтроллерным ядром ARM7TDMI с 16/32 разрядной RISC архитектурой.
Разработаны алгоритмы управления микроконтроллерным ядром ARM7TDMI с 16/32 разрядной RISC архитектурой.
Разработан постпроцессор для преобразования управляющей траекторий в управляющие программы для макетного образца технологического оборудования в G-кодах для CAM-систем ArtCAM и MasterCAM.