Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание научно-технологического задела в области построения интеллектуальных систем адаптивного управления процессом резания на металлорежущих станках с электрошпинделем.

Номер контракта: 14.586.21.0006

Руководитель: Есов Валерий Балахметович

Должность: доцент кафедры

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
активный магнитный подшипник, шпиндельный узел, лезвийная обработка, адап-тивная система управления

Цель проекта:
Cоздание научно-технического задела, ориентированного на разработку интеллектуальных систем адаптивного управления с комплектным электрошпинделем на магнитных подшипниках и позволяющего приступить к созданию и производству нового класса конкурентноспособных обрабатывающих комплексов и станков для высокопроизводительной лезвийной и абразивной обработки современных и перспективных конструкционных материалов, в том числе для микро- и нанообработки конструкционных наноструктурированных материалов. Основной научно-технической задачей, которая должна быть решена в ходе выполнения работ является создание научно-технического задела в области интеллектуальных систем адаптивного управления с высокоскоростными электрошпинделями на магнитных подшипниках. В рамках проекта для решения поставленной задачи предполагается проведение следующих исследований: а) в области высокоскоростных электрошпинделей на магнитных подшипниках – исследование существующих технических решений и выбор путей их совершенствования электрошпинделей в направлении повышения несущей способности магнитных подшипников, повышения стабильности положения вращающегося ротора в магнитном поле и оптимизации массо-энергетических характеристик. б) в области интеллектуальных адаптивных систем – исследование существующих систем адаптивного управления и выбор перспективных направлений повышения их эффективности, совершенствования их структуры и измерительных систем, оптимизация корреляции между датчиками станка и системой адаптивного управления.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате исследования мирового опыта и достижений ведущих исследовательских и производственных центров будут выявлены новые технические решения в конструировании высокоскоростных электрошпинделей и адаптивных систем управления. Выполнение НИР позволит приступить к созданию и производству нового класса обору-дования для высокопроизводительной прецизионной обработки современных и перспективных материалов, в том числе наноструктурированных конструкционных композитных материалов.
При выполнении НИР должны быть получены следующие научно-технические результаты:
а) обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор технологий нано- и микрообработки наноструктурированных композитных материалов;
б) патентные исследования;
в) обоснование выбора направления исследований
г) теоретическое исследование путей создания интеллектуальных систем адаптивного управления с высокоскоростными электрошпинделями на магнитных подшипниках
д) результаты расчётов, математического моделирования нелинейной динамики системы для различных конструктивных схем шпинделей и систем адаптивного управления;
е) результаты экспериментальных исследований;
ж) технико-экономическую оценку результатов НИР;
з) обобщение и выводы по результатам НИР;
и) рекомендации и предложения по использованию результатов НИР
При выполнении НИР должна быть создана следующая научно-техническая продукция:
1) технические требования к эксплуатационным характеристикам высокоскоростных электрошпинделей;
2) математическая модель системы адаптивного управления с электрошпинделем на электромагнитных подшипниках с учетом динамики связанной системы при обработке различных материалов;
3) экспериментальный стенд с макетным образцом электрошпинделя и САУ;
4) проект Технического задания на проведение НИОКТР по созданию интеллектуальной системы адаптивного управления с комплектным электрошпинделем на магнитных подшипниках для высокопроизводительной прецизионной обработки цветных металлов и их сплавов,в том числе, микро- и нанообработки наноматериалов, стекла, керамики, композитных и других материалов.
5) экспериментальная интеллектуальная адаптивную система с электрошпинделем на магнитных подшипниках для высокопроизводительной прецизионной обработки резанием различных материалов, в том числе для микро- и нанообработки наноматериалов наноструктурированным инструментом и на его основе разработать обобщённое
6) теория и методика проектирования электрошпинделей на магнитных подшипниках для высокопроизводительной прецизионной обработки резанием различных материалов
7) в рамках выполнения диссертаций, стажировок студентов и молодых специалистов подготовить научные и педагогические кадры, способные разрабатывать и передавать опыт по созданию современной высокоточной и надежной техники в области станкостроения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Современное развитие машино- и приборостроения, появление новых конструкционных материалов и инструментов предъявляют повышенные требоваия к производительности и точности обрабатывающего оборудования, что возможно только на базе поиска инновационных решений и подходов к конструированию компонентов станков и обрабатывающих комплексов, в частности, шпиндельных узлов станков, в основном определяющих их точность и производительность Благодаря принципу магнитной левитации, обеспечивающему устойчивый бесконтактный подвес вращающего ротора в магнитном поле, в последние годы в России и за рубежом активно проводятся исследования и разработка высокоскоростных комплектных электрошпинделей с активными электромагнитными подшипниками (АМП) и пассивными магнитными подшипниками на постоянных магнитах, а так же электронных систем управления магнитным подвесом, позволяющих контролировать и
управлять поведением вращающегося ротора, в том числе с использованием адаптивных систем управления. Так фирмой S2M (Франция), входящей в группу компаний SKF (Швеция) созданы и поставляются на рынок потребителей электрошпиндели для шлифования и фрезерования с частотой вращения до 100000 мин-1. Фирмой IBAG (Швейцария) создан и поставляется электрошпиндель с магнитными подшипниками с частотой вращения 40000 мин-1 мощностью 40 кВт. Последние исследования и разработки в области магнитных подшипников направлены на упрощение конструкции механической части шпиндельных узлов с целью снижения затрат на производство и
обеспечения их доступности для широкого круга потребителей.
Фирма SIEMENS (Германия), также выпускающая электрошпиндели на магнитных подшипниках, работает над созданием электрошпинделя на магнитных подшипниках без датчиков осевого и радиального положения вала , в котором управление магнитными подшипниками осуществляется по изменению параметров питания обмоток электромагнитов подшипников, что значительно упрощает конструкцию и
снижает массогабаритные показатели.
МГТУ им. Баумана и Международный научно-технологический центр «Технопарк инновационного машиностроения» (МНТЦ ТИМ) совместно с НИИ Institute for Machine Tools and Forming Technology ( IWU Fhg), Германия, проводят исследования электро-шпинделей с магнитными подшипниками на базе шпинделя известной фирмы Heckert для тяжёлого фрезерного станка.
В России, Швейцарии и Франции также ведутся научные исследования и опытно-конструкторские работы в области шпиндельных узлов на магнитных подшипниках, однако на мировом станкостроительном рынке высокоскоростные электрошпиндели с магнитными подшипниками отсутствуют (из-за их дороговизны и недостаточной надежности управления), что существенно сдерживает дальнейшее развитие
инновационного машиностроения.
Актуальность предлагаемых исследований подтверждается следующими факторами:
- как показывает анализ развития шпиндельных узлов и типов опор шпинделей, в этой области возрастает интенсивность прикладных исследований;
- совершенствуются системы управления на основе цифровых быстродействующих контроллеров;
- проводятся эффективные исследования по совершенствованию блоков управления, по оптимизации массо-энергетических характеристик магнитных подшипников, а также по новым системам охлаждения и сверхпроводимости.
Для расширения применения магнитных подшипников в практике станкостроения необходимо проведение дальнейших исследований:
- проведение исследований и поиск путей повышения стабильности положения ротора в магнитном поле за счёт изучения влияния на поведение ротора в магнитом поле таких факторов, как сила Кориолиса, демпфирование, размеры инструмента, гироскопический эффект;
-одним из основных направлений исследований являются исследования, направленные на повышение несущей способности магнитных подшипников;
Существующие методы и средства реализации адаптивного управления не соответствуют современному развитию технологий механической обработки материалов и обрабатывающих комплексов, необходимо проведение исследований по оптимизации корреляции между информацией от сенсоров станка и непосредственно параметрами процесса резания;
- необходимо совершенствование измерительных средств и структуры систем адаптивного управления на базе распределённоё системы из " интеллектуальных" модулей.
Проведение этих исследований способствует созданию научно-технического задела в области высокоскоростных электрошпинделей на магнитных подшипниках, необходимого для повышения научно- технического потенциала инновационного машиностроения и отечественного станкостроения и усиления его конкурентоспособности.

В ходе выполнения проекта имеется доступ к уникальному исследовательскому оборудованию технического общества Fraunhofer IWU в Институте станков и технологии обработки давлением IWU общества Фраунгофера, г.Хемниц (Германия). Исследовательское оборудование представляет собой стенд для испытания шпинделей с адаптивной системой управления с магнитным подвесом на базе обрабатывающего центра Starrag Hackert, измерительные системы для проведения научно-исследовательской работы в данной области.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты научных исследований по проекту предназначены для научных, проектно-конструкторских, технологических и производственных организаций, занимающихся созданием и производством обрабатывающего оборудования и технологий для нужд высокотехнологичных отраслей приборо- и машиностроения, в том числе, оборон-ной, аэрокосмической и наноиндустрии.
Использование результатов исследований позволят приступить к созданию нового поколения обрабатывающего оборудования и технологий механической обработки современных и перспективных материалов, в том числе для автоматизированных и безлюдных производств.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения проекта получены следующие научные и научно-технические результаты:
1. Отчёт о выполнении ПНИ содержащий:
а) обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) результаты обсчёта по математической модели различных конструктивных схем шпинделей;
г) результаты выбора основных размеров электродвигателя и магнитного подшипника;
д) результаты расчёта магнитных и электрических параметров;
е) результаты исследования методом конечных элементов базовой модели электрошпинделя с учётом конструкционных и эксплуатационных характеристик;
2. Отчёт о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96.
3. Математическая модель.
4. Базовая модель и конструктивная схема электрошпинделя на магнитных подшипниках.
5. Эскизная конструкторская документация экспериментального образца адаптивной системы с электрошпинделем на магнитных подшипниках.
6. Акт изготовления экспериментального образца адаптивной системы с электрошпинделем на магнитных подшипниках.
7. Эскизная конструкторская документация экспериментального стенда для образца адаптивной системы с электрошпинделем на магнитных подшипниках.
8. Акт изготовления экспериментального стенда для образца адаптивной системы с электрошпинделем на магнитных подшипниках.
9. Программа и методика проведения испытаний.
10. Акт и протоколы исследовательских испытаний экспериментального образца адаптивной системы.
11. Акт и протоколы испытаний на статическую и динамическую жёсткости и демпфирование при наложении рабочих нагрузок и магнитных сил.