Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0070

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0070
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина"
Название доклада
Разработка энергоэффективной цифровой системы управления многокоординатными обрабатывающими центрами для решения проблемы импортозамещения наукоемких средств металлообработки
Докладчик
Тарарыкин Сергей Вячеславович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.

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.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

На первом этапе ПНИ исследованы методы повышения энергоэффективности обработки на МОЦ средствами СУ. В результате исследования архитектур передовых СУ принята за основу двухкомпьютерная архитектура с использованием контроллера ЧПУ для решения всех задач ЧПУ реального времени. Разработана структура построения ЦСУ МОЦ. 

Проведены исследования современных передовых электроприводов, определены основные принципы их построения, разработана аппаратно-программная структура ЭП с прямым ШИМ управлением для ЦСУ МОЦ, сочетающая все основные преимущества ЭП флагманских зарубежных систем ЧПУ.

Для гашения вибраций шпинделя при обработке резанием, возникающих при периодических возмущениях со стороны нагрузки предложены структурные решения селективно-инвариантных ЭМС, принята методика их исследований и получены результаты, которые наглядно показывают, как перераспределяются значения показателей качества при использовании различных принципов построения САУ.

На втором этапе разработана ЭКД экспериментального образца ЦСУ МОЦ. Разработано системное ПО и эскизная программная документация на него. Разработан программный интерфейс оператора экспериментального образца ЦСУ МОЦ. Предусмотрена полная параметризация интерфейса в зависимости от механической и кинематической конфигурации многокоординатного обрабатывающего центра, работа с технологическими параметрами, отображение встроенных инструкций по эксплуатации и программированию, управление табличными данными, подготовку, хранение и загрузку управляющих программ, вывод сообщений на экран, диагностических функций, ведение журнала событий, выполнение сервисных функций и функций файлового менеджера. Создан экспериментальный образец ЦСУ МОЦ.

Разработана ЭКД на лабораторный исследовательский стенд доя проведения испытаний основных элементов ЦСУ МОЦ и ЦЭП. Создан лабораторный исследовательский стенд.

По разработанной программе и методикам проведены испытания основных элементов экспериментельного образца ЦСУ МОЦ на лабораторном исследовательском стенде, подтверждены работоспособность всех заложенных аппаратно-программных решений, функционал.

На третьем этапе разработана ЭКД на экспериментальные образцы ЦЭП с номинальными мощностями 2 кВт, 5.5 кВт, 11 кВт. Созданы экспериментальные образцы ЦЭП.

Разработана мат. модель системы управления ЦЭП. СУ построена по подчиненному принципу и содержит два контура управления: векторный контур управления моментом и контур управления положением/скоростью. Синтезированы  специализированные регуляторы, проведена проверка эффективности их применения на основе принципа разделения модели гармонического возмущения в структурно-параметрическом синтезе селективно-инвариантных электромеханических систем.

Разработаны программные алгоритмы СУ экспериментальными
образцами ЦЭП, а также программные алгоритмы ПЛИС ЦЭП. Показана эффективность применения методов аппаратной обработки сигналов для повышения точности и быстродействия системы управления. Разработаны алгоритмы управления контуром момента, скорости, положения, током намагничивания.

Разработанна методика настройки экспериментальных образцов ЦЭП, которая  содержит четкие инструкции и примеры по подбору и изменению параметров регуляторов, и может быть в дальнейшем автоматизирована.

Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов ЦЭП по разработанной программе и методикам, в результате подтверждены работоспособность всех заложенных аппаратно-программных решений, функционала.

На четвёртом этапе разработана ЭКД на экспериментальную многокоординатную установку для исследовательских испытаний ЦСУ МОЦ и ЦЭП. Разработаны программные алгоритмы технологического программного обеспечения многокоординатной металлообработки, включающие технологические циклоы фрезерования, циклы измерения заготовки/детали и обмера режущего инструмента, функционал интерфейса оператора, обеспечивающий диалоговые функции работы с оператором, вывод результатов на экран и в файл, а также требуемый синтаксис управляющих программ. Создана экспериментальная многокоординатная установка для проведения исследовательских испытаний ЦСУ МОЦ и ЦЭП. Проведены исследования системного ПО ЦСУ МОЦ и ЦЭП, которые подтвердили полную ПО, достигнуты такие показатели Технического задания, как быстродействие СУ при считывании и обработке сигналов обратной связи с датчиков скорости и положения, расчёте траектории средствами системного ПО контроллера ЧПУ, расчёт и выдачу цифровых управляющих сигналов на электроприводы, точность отработки заданного воздействия ЦЭП.

Результаты исследования

Основными результатами ПНИ являются:

1) Экспериментальный образец ЦСУ МОЦ, эскизная конструкторская документация на него.

2) Системное ПО, технологическое ПО, эскизная программная документация.

3) Интерфейс оператора и эскизная программная документация на него.

4) Экспериментальные образцы ЦЭП 2 кВт, 5.5 кВт, 11 кВт и эскизная конструкторская документация на них.

5) Методики исследовательских испытаний на экспериментальные образцы ЦСУ МОЦ и ЦЭП.

6) Методика настройки регуляторов ЦЭП.

7) Техническое задание на проведение ОКР по созданию ЦСУ МОЦ.

8) Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации ЦСУ МОЦ и ЦЭП.

Практическая значимость исследования
Ожидаемые результаты работы могут быть применены в качестве основания для проведения опытно-конструкторских работ по созданию отечественной цифровой системы управления для многокоординатных обрабатывающих центров.
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.
Постер

Poster_ISPU_2016.pptx