К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

111

Четкую, слаженную работу двухмоторной силовой установки

должна обеспечивать пускорегулирующая электроника: блок управ-

ления, датчик педали акселератора, датчик частоты вращения колен-

чатого вала бензинового двигателя и т. д. Эта аппаратура также со-

гласовывает работу двигателей с условиями движения.

Разработка системы управления ГСУ напрямую зависит от конст-

рукции ГСУ. В настоящее время встречаются три конструктивные

схемы гибридных силовых установок.

Последовательная предполагает работу ДВС в паре с генератором;

тягу обеспечивает электродвигатель, который может питаться от ак-

кумуляторной батареи и (или) генератора. Фактически это – давно

известная электрическая трансмиссия, широко применяющаяся на

тепловозах и карьерных самосвалах, но дополненная аккумулятором

и системой электронного управления. Хорошо известен главный не-

достаток этой схемы. Если устройство имеет размеры, приемлемые

для дорожного транспорта, потери энергии при передаче ее к колесам

окажутся слишком велики. Поэтому преимущества в плане улучшен-

ной экологичности в одних режимах работы компенсируются ее

ухудшением при других.

Вторую схему называют параллельной. В ней выходные валы мотор-

генератора и ДВС жестко связаны. Стационарный режим в этом случае

не достигается, а сокращение вредных выбросов и расхода топлива обу-

словлено лишь уменьшением рабочего объема теплового двигателя.

Третья схема называется СПЛИТ. Подобно последовательной,

в ней имеются генератор, тяговый электродвигатель и ДВС и подоб-

но параллельной схеме, выходные валы всех машин связаны, но не

жесткой конструкцией, а посредством несимметричного планетарно-

го дифференциала. Такой подход позволяет, с одной стороны, обес-

печить тепловому двигателю практически постоянный режим работы,

а с другой – перераспределять поток мощности между тремя маши-

нами и ведущими колесами без лишних потерь.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что СПЛИТ-схема

считается наиболее перспективной. Однако эффективность системы

зависит от правильности согласования параметров машин между собой

и алгоритма управления больше, чем от собственно схемы.

Четкую, слаженную работу двухмоторной силовой установки

обеспечивает пускорегулирующая электроника: блок управления,

датчик педали акселератора, датчик частоты вращения коленчатого

вала бензинового двигателя и т. д. Эта аппаратура также согласовы-

вает работу двигателей с условиями движения.

112

Список литературы

1. Умняшкин В. А., Филькин Н. М., Музафаров Р. С. Создание экспери-

ментальной комбинированной энергосиловой установки для легкового авто-

мобиля // Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубо-

проводного транспорта в Уральском регионе : материалы Междунар. науч.-

техн. конф. – Пермь : ПГТУ, 2005. – С. 227–233.

2. Воробьев-Обухов А. Диалектика впрыска // За рулем. – 2002. – № 8. –

С. 56–58.

3. Ионес С., Виноградов А. Два мотора под одним капотом // За рулем. –

1998. – № 5.

А. С. Петров, магистрант;

научный руководитель – канд. техн. наук, доц. А. А. Калинкин

Ижевский государственный технический университет

Разработка шагового привода устройства промывки

технологических сукон бумагоделательных машин на основе

пневмоцилиндра SMC серии С92P

Пневмоцилиндры являются эффективным средством для рацио-

нального использования сжатого воздуха в качестве идеального источ-

ника силы. Технологии на основе пневматики обычно используются

в таких сферах, как обработка материалов и монтажная сборка мелких

деталей, однако новые возможности, включая систему управления

с обратной связью, высокоточные пневматические компоненты и бы-

стродействующие интегральные схемы, сделали данные системы более

конкурентоспособными по сравнению с электрическими и гидравличе-

скими системами.

Для пневматики наиболее характерно управление, при котором

исполнительный механизм перемещается от одной крайней точки

к другой, но использование пневмоцилиндра в связке с линейным

пневматическим позиционером позволяет устанавливать пневмоци-

линдр в заданной точке и удерживать его при изменении внешних

условий, за счет механизма обратной связи. Эти инструменты позво-

ляют задавать приводу шаговое движение.

Шаговое точное перемещение привода может использоваться

в различных областях. В данной работе рассматривается возможность

использования пневмопривода в системе промывки технологических

сукон спрысками высокого давления. В системе промывки высоким

давлением спрыск перемещается перпендикулярно направлению

113

движения сукна, делая шаги на величину диаметра струи. Схема дан-

ной системы представлена на рис. 1.

Использование пневмоцилиндра в системе промывки обусловлено

тем, что пневмопривод имеет ряд преимуществ перед уже исполь-

зуемыми в системах электромеханическими приводами, таких как:

– простота в сборке и использовании;

– работа в условиях повышенной загрязненности;

– работа в условиях повышенной влажности;

– меньшая стоимость;

– большое создаваемое усилие при маленьких габаритах.

Рис. 1. Система струйной промывки сукон на основе пневмоцилиндра

Недостатком существующих пневмоцилиндров с позиционерами

является недостаточная точность для использования их для позицио-

нирования спрысков высокого давления и достижения качественной

промывки сукна. Погрешность перемещения привода составляет 1 %

от полного хода штока, также не исключено внешнее влияние среды.

Для увеличения точности и корректировки ошибки хода в данной

работе предлагается использовать обратную связь на основе линей-

ного датчика перемещения и разработать оптимальный алгоритм

управления движением.

При разработке системы управления и алгоритма управления сле-

дует решить следующие задачи:

114

– выбор датчиков обратной связи;

– разработка печатной платы системы управления;

– выбор интерфейса связи для получения состояния системы;

– разработка оптимального алгоритма управления, основываясь на

статистических данных;

– разработка программы управления привода, обработки инфор-

мации и связи с верхним уровнем управления;

– оценка точности позиционирования.

Структурная схема системы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема управления пневмоприводом

В качестве пневмоцилиндра был выбран пневмоцилиндр SMC се-

рии С92P с позиционером IP200, который позволяет устанавливать

положение штока в зависимости от управляющего давления в пнев-

мосети в диапазоне от 0,2 до 1 атм. Для регулирования управляющего

давления был выбран электропневматический преобразователь SMC

ITV2000, преобразующий выходной электрический аналоговый сиг-

нал в выходное давление воздуха.

Для задания алгоритма управления движением пневмопривода

и организации связи с верхним уровнем управления приводом была

разработана печатная плата на основе микроконтроллера Texas In-

struments MSP 430F2272. В качестве цифро-аналогового преобразова-

теля, для задания управляющего сигнала, была выбрана микросхема

ЦАП Analog Devices AD420.

Для отслеживания перемещения штока и организации обратной

связи используем резистивный линейный датчик перемещения, кото-

рый дает выходной аналоговый сигнал в диапазоне от 0 до 5 В, дан-

ный выходной сигнал, для обработки данных в микроконтроллере,

преобразовываем в цифровой при помощи аналого-цифрового преоб-

разователя Texas Instruments ADS 7816.

115

Программа для управления данной системой разрабатывается на

языке программирования высокого уровня Си.

Разработанное решение позволяет расширить область применения

пневмоцилиндров и сделать системы на основе пневматики более

конкурентоспособными по сравнению с другими типами систем.

А. В. Петров, магистрант;

научный руководитель – д-р техн. наук, проф. И. В. Абрамов

Ижевский государственный технический университет

Использование алгоритма look-ahead в системах ЧПУ

при высокоскоростной обработке

В современных условиях прогресс в изготовлении формообра-

зующей технологической оснастки в значительной мере связан с рос-

том производительности механической обработки, обеспечивающей

при повышении точности и чистоты также и существенное снижение

трудозатрат на финишную обработку.

Преобладающий объем механической обработки составляет фре-

зерование на станках с ЧПУ. Чрезвычайно высокие характеристики

современного поколения станков с ЧПУ (обороты шпинделя, подачи

рабочих и свободных перемещений, точности позиционирования ин-

струмента) позволяют использовать, наряду со скоростным резанием,

другие новые качества современного нового инструмента – обеспе-

чение предельно малого съема материала и, соответственно, обработ-

ку фасонных поверхностей с чистотой, практически исключающей

финишную ручную слесарную операцию.

Теоретическим обоснованием высокоскоростной обработки явля-

ются так называемые кривые Соломона, которые показывают сниже-

ние сил резания в некотором диапазоне скоростей.

Рис. 1. График зависимости силы резания от скорости

116

Но наиболее важным фактором является перераспределение тепла

в зоне резания. При небольших сечениях среза в данном диапазоне

скоростей основная масса тепла концентрируется в стружке, не успе-

вая переходить в заготовку. Именно это позволяет вести обработку

закаленных сталей, не опасаясь отпуска поверхностного слоя. Отсю-

да основной принцип ВСО – малое сечение среза, снимаемое с вы-

сокой скоростью резания, и соответственно высокие обороты шпин-

деля и высокая минутная подача [1].

Современный станок для высокоскоростной обработки имеет ско-

рость вращения шпинделя 12 000–60 000 оборотов в минуту и более

и оснащен средствами температурной стабилизации шпинделя. Скоро-

сти подач 40–60 м/мин, скорость быстрых перемещений до 90 м/мин.

Станки отрабатывают малые перемещения от 5 до 20 мкм, имеют по-

вышенную жесткость и температурную компенсацию. Именно про-

гресс в области станкостроения позволил осуществить ВСО. Но огра-

ничителем ВСО может стать система ЧПУ, если она не имеет высокой

скорости обработки кадров. Максимальную подачу, которую может

обеспечить система ЧПУ, можно определить по формуле

max

= L

об

/t·60,

где L

об

– длина перемещения в кадре; t – время обработки кадра.

Сделав вывод из формулы, определили, что современная система

ЧПУ должна смотреть вперед со скоростью от 100 до 200 кадров

в секунду, чтобы успеть сделать расчеты для торможения на подходе

к углу и разгона после поворота.

Для осуществления процесса ВСО в системе ЧПУ необходимо

изменить существующие ранее стратегии обработки и применить

современные технологические решения.

Итак, уже на стадии проектирования управляющей программы

особую роль необходимо уделить CAM-системе.

Как упоминалось выше, высокоскоростная обработка реализуется

простым заданием малых шагов между проходами, кроме случаев

врезания, когда идет проход полной шириной фрезы. Такие случаи

надо исключать, и достигается это использованием трохоидальной

обработки, когда фреза движется в процессе врезания по окружно-

сти, в конечном счете осуществляя врезание. Идеально, когда САМ-

система сама строит трохоиду в местах, где надо осуществить вреза-

ние. Такая же стратегия используется и при формировании пазов,

которые ранее обрабатывались одним ходом фрезы того же диаметра,

что ширина паза.

117

Результат выполнения такой стратегии обработки – объема про-

грамм для ВСО – значительно превосходит объемы традиционных

программ силового резания. Большие объемы программ требуют со-

ответственно больших затрат времени на расчет траектории, и здесь

на первый план выходит скорость расчета, которую обеспечит САМ-

система [2].

Важным критерием, необходимым для ВСО, является гладкая

траектория движения инструмента. Оно вытекает из необходимости

снижения динамических нагрузок во время резкой смены направле-

ния движения инструмента. Надо максимально возможно исключить

углы на траектории. В углах, где инструмент меняет направление, он

вынужден остановиться, снижение нагрузки в этот момент вызывает

врезание фрезы в тело детали и, как следствие, на поверхности дета-

ли остаются следы. Часть этой задачи выполняет CAM-система с по-

мощью сплайн-интерполяции. В системе ЧПУ реализация такой за-

дачи осуществляется применением современного подхода к форми-

рованию траектории движения режущего инструмента. А именно

в применении алгоритма look-ahead.

Итак, в современных системах ЧПУ для создания большей плав-

ности движения режущего инструмента используют сплайн-

интерполирование траектории.

Сплайн является методом аппроксимированного описания слож-

ной криволинейной траектории. Достоинство сплайнов состоит в их

«гладком» характере (т. е. в непрерывной производной уравнения

контура) и в отсутствии ограничений на сложность пространственной

траектории [3].

В системах ЧПУ применяют следующие виды сплайнов.

1. Сплайн-интерполяция кусочно-кубической функцией. Этот ме-

тод обладает большими достоинствами, но его применяют, когда

число заданных точек достаточно велико [4].

2. Akima сплайн-интерполяция требует меньших затрат вычисли-

тельной мощности, поскольку для вычисления одного участка доста-

точны четыре точки [5].

3. «Рациональная» сплайн-интерполяция представляет собой

функцию отношения двух полиномов. Этот метод можно считать

наиболее мощным, поскольку он располагает дополнительными па-

раметрами для управления формой контура [6].

Эволюцией сплайн-интерполяции в системах ЧПУ при ВСО явля-

ется технология наносглаживания.

118

САМ-система аппроксимирует криволинейные траектории линей-

ными кадрами, используя при этом допуск на точность обработки.

Ужесточение допуска влечет за собой увеличение числа кадров, что

существенно перегружает вычислительный процесс системы ЧПУ.

Уменьшить общее число кадров можно, располагая большинство ге-

нерируемых САМ-системой точек на границах допуска.

В соответствии с технологией наносглаживания генерируется

NURBS-сплайн по линейным кадрам управляющей программы ЧПУ.

Специальный алгоритм вставляет в контур управляющей программы

дополнительные точки, которые ближе к исходной кривой, чем точки

управляющей программы. Дополнительные точки используются для

новой аппроксимации линейными сегментами исходного NURBS-

сплайна. Положение добавленных точек может быть скорректирова-

но окончательно таким образом, чтобы все они определяли непре-

рывный NURBS-сплайн [7].

Наносглаживание осуществляется с точностью до 0,000001 мм.

В системе ЧПУ технология наносглаживания применяется с ис-

пользованием алгоритма look-ahead.

Look-ahead – один из наиболее закрытых алгоритмов в системах

ЧПУ. В понимание термина look-ahead вносит путаницу и тот факт,

что производители систем ЧПУ подразумевают под этим названием

фактически два разных алгоритма. Один из них обеспечивает сгла-

живание скорости при высокоскоростной обработке контура, а дру-

гой предназначен для предварительного распознавания коллизий при

эквидистантной коррекции.

Системы ЧПУ реализуют алгоритм look-ahead таким образом, что

его можно включать в управляющую программу или выключать из

нее. Управляя относительным движением инструмента и детали, сис-

тема ЧПУ динамически раскладывает перемещение по координатам

в кадре управляющей программы и формирует сигналы на приводы

с учетом скорости подачи в кадре и положения потенциометра пода-

чи на панели оператора. При этом по каждой координате рассчитыва-

ется элементарный вектор скорости и ее первая производная – уско-

рение, чтобы исключить превышение пороговых значений [8].

В буфере подготовленных сегментов траектории алгоритм look-

ahead контролирует точность позиционирования и предельные значе-

ния скорости и ускорения. При обнаружении нарушений производят-

ся снижения скорости в сегментах буфера в обратном их порядке,

чтобы обеспечить отработку управляющей программы в пределах

допустимых границ.

119

Каждый сегмент в буфере соответствует такту интерполяции, но

это время может быть увеличено, если в текущем или последующем

сегментах обнаружено превышение скорости или ускорения. Этот

алгоритм позволяет начинать торможение в середине кадра, на стыке

кадров или сразу в нескольких кадрах.

Более совершенные системы ЧПУ дополнительно контролируют

изменение второй производной скорости (jerk) с внесением после-

дующих коррекций. В результате снижается влияние динамических

нагрузок на узлы станка, что приводит к повышению точности обра-

ботки [9].

Скорость подачи, установленная технологом в управляющей про-

грамме, не всегда может быть достигнута. Одна из причин – разгон

и торможение до нуля в каждом кадре (рис. 16); другая причина –

неэффективный код управляющей программы, сгенерированный

САМ-системой. В первом случае алгоритм look-ahead будет автома-

тически выключен.

Рис. 2. Графики скорости подачи при обработке детали

Задание в управляющей программе повышенной скорости обра-

ботки с последующей ее коррекцией алгоритмом look-ahead позволя-

ет сократить время обработки изделия в несколько раз. Наибольшую

эффективность алгоритм имеет при обработке сложных скульптур-

ных поверхностей, для которых характерно большое количество ко-

ротких кадров управляющей программы, сгенерированных САМ-

системой [10].

Стратегия алгоритма. Алгоритм просматривает буфер подготов-

ленных для интерполяции данных и устанавливает возможность

движения по запрограммированной траектории. При обнаружении

120

отклонения от геометрии контура снижается скорость подачи в про-

межуточных точках контура.

Очевидный способ опережающего просмотра состоит в проверке

отклонения интерполируемой траектории от заданной траектории

контура. Если следующая расчетная точка продолжает заданную тра-

екторию и отклонение отсутствует, то торможение не требуется. Если

же следующая точка соответствует отклонению траектории на

90 градусов, то движение по координатной оси должно быть полно-

стью остановлено.

Системы с ЧПУ, реализующие алгоритм look-ahead, хотя и предъ-

являют жесткие требования к квалификации персонала, так как тре-

буют от специалиста понимания сути алгоритма и умения настройки

его параметров, но они предоставляют мощный аппарат по оптими-

зации процесса обработки. Применение алгоритма look-ahead в высо-

котехнологичных производствах позволяет существенно увеличить

скорость обработки без потери качества, что снижает издержки про-

изводства.

Сочетание в системах ЧПУ сплайн-интерполяции, технологии на-

носглаживания и алгоритма look-ahead в значительной степени по-

зволяют повысить геометрическую точность изготовления изделия

при высокоскоростной обработке.

Список литературы

1. Сергеева Е. HSC Consulting. URL: http://www.mashportal.ru/technologies_

manufacturing-3143.aspx (дата обращения: 31.08.2009).

2. Вермель В., Зиняев В. Высокоскоростная фрезерная обработка в произ-

водстве технологической оснастки // САПР и Графика. – 2005. – № 2. URL:

http://www.gemma.ru/pub.php?ObjectID=325&CatID=1 (дата обращения:

31.08.2009).

3. Мартинов Г. М., Сосонкин В. Л. Проблемы использования сплайновой

интерполяции в системах ЧПУ при обработке скульптурных поверхностей //

Автоматизация в пром-сти. – 2006. – № 11. – С. 3–9.

4. Schheider, P. J. NURB Curves: A Guide for the Uninitiated develops // The

Apple Techn. J. – March 1996. – Nr 25.

5. Akima, H. A Method of Bivariate Interpolation and Smooth Surface Fitting

for Irregularly Distributed Data Points // ACM Transactions on Mathematical

Software. – June 1978. – Vol. 4, Iss. 2. – Pp. 148–159.

6. Завьялов Ю. С., Квасов Б. И., Мирошниченко В. Л. Методы сплайн-

функций. – М. : Наука, 1980. – 352 с.

7. Brownhill, M. An alternative view: nano smoothing NURBS curvesfor best fit

// Tooling & Production. 3/1/2005. URL:

http://www.manufacturingcent.er.com/

tooling/archives/0305/0305alternative_view.asp (дата обращения: 31.08.2009).