Математична модель, способи і пристрої інформаційного управління елементами формоутворення суперпрецизійних верстатів приладо- і машинобудування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Міжнародний науково-навчальний центр

інформаційних технологій і систем

УДК 621.924.0.06.002.5

05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ, СПОСОБИ І ПРИСТРОЇ ІНФОРМАЦІЙНОГО УПРАВЛІННЯ ЕЛЕМЕНТАМИ ФОРМОУТВОРЕННЯ СУПЕРПРЕЦИЗІЙНИХ ВЕРСТАТІВ ПРИЛАДО- І МАШИНОБУДУВАННЯ

Левін Ігор Олексійович

Київ - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державній науково-виробничій корпорації «Київський інститут автоматики» Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тарасов Віктор Олексійович, Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН Україниі Міносвіти і науки, молоді та спорту України, завідуючий відділом модельно-алгоритмічного забезпечення демонстраційно-учбових комплексів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Богушевський Володимир Святославович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», ІФФ, професор кафедри фізико-хімічних основ технології металів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ієвлев Микола Георгійович, Інституту проблем математичних машин і систем НАН України, старший науковий співробітник відділу інтелектуальних систем математичного моделювання складних об'єктів і процесів.

Захист відбудеться “15” червня 2011 року о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.171.01 при Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН і МОН України за адресою: 03680, Київ-680, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Автореферат розісланий 2011 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Бабак



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема точності верстатів є основною, тому що вона визначає такі показники економічного розвитку країни як:

конкурентоспроможність на світовому ринку машин, приладів й інших виробів, що виготовляються на верстатах;

підвищення продуктивності в приладо- і машинобудуванні.

Сьогодні допуски на особливо точні елементи оптики й механіки виміряються в сотих частках мікрометра. До них відносяться диски магнітних носіїв інформації, паливні насоси дизельних двигунів, елементи високовольтних прискорювачів елементарних часток, лінзи видимого світла, плоска, асферична та сферична металооптика й ін. У загальному випадку надійність і ресурс роботи обладнання визначається точністю виготовлення його складових елементів.

Значний внесок в розвиток науки і техніки в галузі перспективних технологій та їх використання для інформаційно-керованих засобів зробили такі вчені: В.М. Глушков, В.І. Скуріхін, В.В. Павлов, В.С. Богушевський, В.С. Степашко, В.О. Тарасов, В.А. Ігнатов, Л.М. Бойчук, В.М. Зіненко та інші. Їх роботи є підґрунтям для вирішення задач, які розглядаються в даній дисертації.

Робота присвячена розробці способів і информаційно-керованих пристроїв радіальної стабілізації осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори суперпрецизійного верстата, стабілізації положення площини планшайби опори, розробці способу і пристроїв стабілізації положення рухомого вузла суперпрецизійної аеростатичної напрямної, а також алгоритму й інформаційної технології керування пристроєм формування й корекції траєкторії інструмента суперпрецизійного верстата.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Тематика дисертаційної роботи, її мета і основні задачі відповідають державним науково - технічним програмам, які сформульовані в законі України "Про національну програму інформатизації". 6.2.2. Перспективні інформаційні технології і системи в «Національній програмі відродження України і шляхів її реалізації», розділ 5.2.2. Промислова політика.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є розробка інформаційних технологій керування й синтезу пристроїв стабілізації положення й позиціонування елементів формоутворюючих систем суперпрецизійних верстатів, алгоритму побудови траєкторії переміщення різального інструмента й пристроїв інформацій-ного керування переміщенням інструмента верстата по розрахунковій траєкторії, що забезпечує виготовлення особливо точних елементів оптики й механіки.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні наукові та практичні завдання:

Побудувати математичну модель вихідної точності двокоординатного суперпрецизійного станка. На основі цієї моделі сформулювати вимоги до точності стабілізації і позиціонування кожного елемента формоутворюючої системи суперпрецизійного двокоординатного станка, які будуть забезпечувати необхідну вихідну точність станка.

Для запобігання радіального зміщення осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори під впливом внутрішніх і зовнішніх збурюючих діянь розробити інформаційний спосіб визначення координат осі обертання і на його основі побудувати інформаційний пристрій стабілізації радіального положення осі обертання вала опори, а також розробити методику його високоточного балансування.

Для запобігання зміщення в просторі площини планшаби аеростатичної шпиндельної опори розробити інформаційний спосіб стабілізації положення площини планшайби і на його основі побудувати пристрій стабілізації положення площини планшайби з компенсацією осьової температурної деформації вала опори.

Для запобігання зміщення в процесі переміщення рухомого вузла лінійної аеростатичної напрямної відносно нерухомої в просторі площини розробити спосіб стабілізації положення рухомого вузла напрямної і на його основі побудувати інформаційний пристрій стабілізації положення рухомого вузла лінійної аеростатичної напрямної.

Для формування траєкторії переміщення інструмента двокоорди-натного суперпрецизійного станка для обробки відповідного виробу розробити інформаційний алгоритм побудови і корекції траєкторії переміщення інструмента верстата і на його основі сконструювати інформаційний пристрій корекції траєкторії переміщення по розрахунковій траєкторії з установленим інтервалом корекції.

Об'єктом дослідження є автоматизована система інформаційного керування пристроями стабілізації, позиціонування елементів формоутворення суперпрецизійних верстатів алмазного мікроточіння приладо- і машинобудування.

Предметом дослідження є математична модель вихідної точності суперпрецизійного верстата алмазного мікроточіння за інформацією про збурення і їхній вплив на елементи формоутворюючої системи; інформаційна технологія стабілізації радіального положення осі обертання вала суперпрецизійної шпиндельної опори та інформаційно-керований пристрій для його реалізації; спосіб стабілізації осьового положення валу суперпрецизійної шпиндельної опори та інформаційно-керований пристрій для його реалізації; спосіб стабілізації рухомого вузла супер- прецизійної лінійної направляючої відносно нерухомої у просторі площини та інформаційно-керований пристрій для його реалізації; алгоритм переміщення різця суперпрецизійного двокоординатного верстату алмазного мікро точіння та пристрій для його реалізації.

Методи досліджень базуються на основних положеннях інформаційних технологій, теорії автоматичного керування й регулювання, теорії аеростатичних опор (для розробки пристроїв стабілізації радіального положення осі обертання вала й осьового положення площини планшайби суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори, пристрою стабілізації положення рухомого вузла аеростатичної напрямної), на теорії оцінювання вимірів для одержання асимптотично незміщених оцінок вимірів, при наявності надлишкової інформації виміри оцінювалися по методу найменших квадратів, у динаміці залежно від виду руху виміри оцінювалися фільтром Вінера-Колмогорова або лінійним дискретним фільтром Калмана.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації отримано такі результати, що виносяться на захист:

розроблена математична модель вихідної точності двокоординатного верстата алмазного мікроточіння;

розроблені информаційно-керовані пристрої стабілізації радіального положення осі обертання вала, а також спосіб і информаційно-керований пристрій стабілізації осьового положення вала суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори. У процесі точіння (у динаміці) для запобігання зсуву осі обертання на дискретах стабілізації положення осі обертання із установленим інтервалом спостереження виміри оцінюються фільтром Вінера-Колмогорова. Похибка стабілізації в обох випадках не перевищує 0.03 мкм.;

на основі способу виміру координат осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори розроблений високоточний інформаційний спосіб балансування вала цієї опори;

розроблений спосіб інформаційного виміру осьової складової сили різання на аеростатичну шпиндельну опору, що дозволяє обробляти металооптичні поверхні з мінімальним ущільненням;

розроблений спосіб стабілізації положення рухомого вузла суперпрецизійної аеростатичної напрямної по опорних зазорах щодо нерухомої в просторі площини. Похибка положення рухомого вузла залежно від розміру дискрети стабілізації і точності вимірювань може бути менше 0,03 мкм. Установка рухомого вузла на дискрету стабілізації здійснюється по оцінках величини його переміщення лінійним дискретним фільтром Калмана. При цьому виміряється тільки друга компонента вектора стану динамічної системи, а перша формується знайденим методом;

розроблений информаційно-керований пристрій стабілізації положення рухомого вузла суперпрецизійної аеростатичної напрямної;

для суперпрецизійного двокоординатного верстата алмазного мікро-точіння розроблений алгоритм побудови й корекції траєкторії переміщення вер-шини різця, а також пристрій інформаційного керування переміщенням верши-ни різця по розрахунковій траєкторії, що забезпечує переміщення й корекцію положення вершини різця на розрахунковій траєкторії з установленим інтервалом корекції, на якому нагромадження похибки положення не перевищує припустиму.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення теоретичних результатів, отриманих у дисертації, визначається їх досить високою універсальністю в тому розумінні, що вони забезпечують побудову широкого спектра верстатів для обробки особливо точних елементів оптики й механіки з різною конфігурацією формоутворюючих систем. Такі верстати забезпечують виготовлення сферичних, асферичних і плоских металооптичних поверхонь, лінз видимого світла, дифракційних ґрат лазерних систем, елементів високовольтних прискорювачів елементарних часток з нормальною похибкою положення точки на оброблюваній поверхні, яка не перевищує 0,03 мкм. Крім того, на таких верстатах може виконуватися фінішна обробка жорстких дисків персональних комп'ютерів, голівок і осей відеомагнітофонів, паливних насосів дизельних двигунів і інше.

Особистий внесок здобувача полягає в самостійному виконанні теоретичних і експериментальних робіт. Усі основні результати, викладені в дисертації, отримані здобувачем самостійно. Створена математична модель вихідної точності двокоординатного суперпрецизійного верстата алмазного мікро точіння [1], спосіб і інформаційно-керований пристрій стабілізації радіального положення осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори [3,5], спосіб виміру й компенсації осьової температурної деформації вала цієї опори [2]. Розроблений спосіб і інформаційно-керований пристрій стабілізації положення й позиціонування рухомого вузла аеростатичної лінійної напрямної [6]. Сформульований алгоритм і інформаційно-керований пристрій формування і корекції траєкторії інструмента для двокоординатного верстата алмазного мікроточіння. Розроблена технологія алмазного мікроточіння на суперпрецизійному двокоординатному верстаті.

Апробація результатів дисертації. Наукові й практичні результати дисертації доповідались на семінарі фізико-математичної школи Кібернетичного центру НАН України, науково-практичних семінарах Державної науково-виробничої корпорації «Київський інститут автоматики» Міністерства промислової політики України. Статті й патенти автора пройшли відповідне рецензування.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 6 наукових працях, у тому числі в 1 монографії й 3 статтях у спеціалізованих наукових збірниках, які входять у перелік ВАК України. За результатами виконаних робіт отримано 2 патенти України на винаходи. Дві заявки на винахід перебувають на розгляді в НДІ інтелектуальної власності України (Укрпатент).

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та додатку, списку використаних джерел, що містить 92 найменувань. Повний обсяг роботи - 166 сторінок; із них основний текст - 156 сторінок. Дисертація містить 19 рисунків, 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

формоутворюючий суперпрецизійний верстат оптика

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета й завдання розробок, викладені наукова новизна й практична цінність роботи. Зазначений особистий внесок здобувача. Сформульована постановка задачі.

У першому розділі викладена розроблена автором математична модель вихідної точності інформаційно-керованого двокоординатного суперпрецизій-ного верстата алмазного мікроточіння.

Математична модель вихідної точності верстата за інформацією про збурення та їх вплив на елементи формоутворюючої системи верстата дозволяє побудувати баланс вихідної точності верстата, який включає такі складові: векторний баланс, що задає вектор похибки положення кожної точки оброблюваної поверхні стосовно номіналу; баланс нормальних похибок, що представляє собою проекцію вектора похибки в заданій точці оброблюваної поверхні на нормаль до поверхні в цій точці. Крім того, модель вихідної точності інформаційно-керованого верстата дозволяє вдосконалювати його компанування, яке визначає його жорсткість, точність, динамічну якість, дозволяє обґрунтувати вимоги по точності до розроблених пристроїв стабілізації радіального положення осі обертання вала суперпрецизійної аеростатичної опори, стабілізації осьового положення вала суперпрецизійної шпиндельної опори, стабілізації положення рухомого вузла суперпрецизійної аеростатичної напрямної й лінійного позиціонування інструмента верстата по координатах Х и Y.

Математична модель вихідної точності двокоординатного суперпрецизійного верстата включає наступні складові (рис.1.):

1. Координатний код інформаційно-керуючої формоутворювальної системи суперпрецизійного двокоординатного верстата алмазного мікроточіння.

Координатний код формоутворювальної системи верстата дозволяє однозначно відтворити функцію формоутворення верстата, що представляє собою аналітичну залежність, яка зв'язує переміщення ланок формоутворювальної системи з траєкторією руху інструмента щодо оброблюваної деталі в системі координат цієї деталі. Координатний код двокоординатного суперпрецизійного верстата алмазного мікроточіння записується у вигляді

к = 5 2 5 1 2 1 2 1 2 2 (1)

2. Рівняння формоутворення суперпрецизійного двокоординатного верстата алмазного мікроточіння.

Зв'язок між координатами точки різального інструмента в системі координат кінцевої ланки формоутворювальної системи й координатами точки на оброблюваній поверхні визначається рівнянням

, (2)

де - матриця перетворень;

- радіус-вектор точки різального інструменту.

Рівняння (2) вважається основним рівнянням формоутворення і є математичною моделлю формоутворюючої системи. Матриця - матриця всієї формоутворюючої системи верстата, а права частина рівняння (2) - функція формоутворення.

Рівняння (2) однозначно складається по координатному коду (1) формоутворювальної системи верстата.

3. Баланс точності суперпрецизійного двокоординатного верстата алмазного мікроточіння. Розрахунки положення точок різання на оброблюваній поверхні.

Відповідно до прийнятого підходу похибка положення точки на оброблюваній поверхні являє собою повну варіацію функції положення ланок верстата, тобто функцію формоутворення. Векторна похибка положення точки на оброблюваній поверхні визначається вираженням

. (3)



Варіювання (3) представляється у вигляді

(4)

де - варіації векторів.

4. Нормаль в заданій точці поверхні, що обробляється, й проекції похібки положення точки різання на нормаль.

У результаті одержуємо нормальну похибку положення точки різання на оброблюваній поверхні як проекцію зміщеної із-за похибок положення ланок формоутворювальної системи, точки різання на нормаль до оброблюваної поверхні в розрахунковій точці.

Другий розділ дисертації присвячений наступним розробкам:

способу виміру координат осі обертання вала суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори;

інформаційно-керованого пристрою стабілізації радіального положення осі обертання вала опори;

способу стабілізації осьового положення вала суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори;

пристрою автоматичного керування осьовим положенням вала опори.

На рис. 2 представлена суперпрецизійна аеростатична шпиндельна опора, що включає радіальну аеростатичну опору 1 із двома лініями піддування. Радіальне положення осі обертання вала 2 стабілізується щодо обраного незміщеного положення. Для реалізації розробленого способу опора оснащена інформаційними датчиками 3 величини зазору, що забезпечують вимір величин зазорів 4 між основами цих датчиків і поверхнею вала 2 опори. Датчики встановлені в перерізах по А-А й В-В корпуса 5 опори, розташованих симетрично щодо радіальної аеростатичної опори. У кожному перерізі (рис.2) по осях систем координат , і , у розглянутому прикладі побудови пристрою встановлено по вісім інформаційних датчиків величин зазорів. Вектори сил компенсації радіального навантаження на вал аеростатичної шпиндельної опори формуються в базових системах координат і .

Рис. 2. Суперпрецизійна аеростатична шпиндельна опора

У перерізах по Б-Б і Г-Г опори (рис.2) встановлені регулятори 10 тиску газу. Кожний такий регулятор включає жиклер 6 подачі газу, камеру надуву 7, в якій розташований п'єзоелектричний двигун 8 із установленої на ньому регулювальною голкою 9. Регулювальна голка призначена для зміни площі прохідного перерізу каналу жиклера подачі газу. Регулятори тиску газу в кожному перерізі об'єднані в чотири групи регуляторів тиску:

у перерізі по Б-Б - групи 11, 12, 13, 14 регуляторів тиску;

у перерізі по Г-Г- групи 15, 16, 17, 18 регуляторів тиску.

П'єзоелектричні двигуни регуляторів тиску в кожній групі з'єднані паралельно. Кожна група регуляторів тиску розташована симетрично щодо осей систем координат і , паралельних осям базових систем координат і .

Датчики величин зазорів, які встановлені в перерізі по А-А, і групи регуляторів тиску, що розташовані в перерізі по Б-Б опори, утворюють компенсатор 19 радіального зсуву осі обертання вала. Другий компенсатор 20 радіального зсуву утворюють датчики величин зазорів, які встановлені в перерізі по В-В опори, і групи регуляторів тиску, що виконані в перерізі

по Г-Г.

Спосіб виміру координат осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори включає наступну послідовність дій.

Для визначення координат осі обертання вала суперпрецизійної шпиндельної опори із систем рівнянь виду (5) з високою точністю попередньо необхідно:

Задати переріз вала площинами установки датчиків величин зазорів найближчим еліпсом. Координати центрів еліпсів, що наближають переріз вала, приймаються як координати осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори.

Визначити по параметрах еліпсів, що наближають переріз вала, і вимірам величин зазорів під датчиками величин зазорів з високою точністю координати датчиків величин зазорів у системах координат, виключивши тим самим вплив некруглості вала на точність визначення цих координат.

Визначити величини малих півосей еліпсів, що наближають переріз, і прийняти їх як радіуси R кіл у перерізах вала.

Корегувати виміряні величини зазорів під датчиками величин зазорів на величину відхилення полярного радіусу еліпса, що наближає переріз валу на кутах установки датчиків від окружності радіуса R, центр якої суміщений із центром еліпса, що наближає переріз.

По вимірах N датчиків, встановлених по осях систем координат можна записати систему рівнянь виду (рис.3).

(5)



Рис. 3. Визначення координат осі обертання вала опори по вимірах величин зазорів під датчиками величин зазорів

Застосувавши метод віднімання, маємо

або

Підставляємо в перше рівняння системи (5)

Після перетворення рівняння для обчислення осі обертання вала має вигляд:

Один з коренів або останнього рівняння є координатою Y зміщеної осі обертання вала. Підставивши корені і у вираз для , одержимо корені й , один з яких також є координатою X осі обертання вала. Для визначення пари координат осі обертання вала досить скласти дві системи рівнянь виду (5) по вимірах величин зазорів за допомогою трьох датчиків величин зазорів.

Рис. 4. Функціональна схема пристрою стабілізації радіального положення осі обертання вала суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори

Надлишок інформації про положення осі обертання вала дозволяє одержати оцінки координат осі обертання вала по методу найменших квадратів.

По оцінках величини зсуву осі обертання вала опори під дією динамічного навантаження виконується точне балансування вала опори.

Пристрій стабілізації радіального положення осі обертання вала опори (рис.4) виконує наступні функції:

Визначення форми перерізу вала аеростатичної шпиндельної опори площиною установки датчиків величин зазорів; апроксимацію некруглого перерізу вала найближчим еліпсом і визначення його параметрів.

Вибір незміщеного положення осі обертання вала опори.

Визначення координат датчиків величин зазорів; корекцію вимірюваних величин зазорів на величину некруглості вала опори.

Розв'язок систем рівнянь для обчислення координат осі обертання вала й відбір координат осі обертання.

Оцінювання координат осі обертання вала опори.

Формування масиву величин опорних зазорів, що відповідають на дискретах кута повороту вала незміщеному положенню його осі обертання.

При відхиленні від відповідних поточних величин опорних зазорів під датчиками величин зазорів створюється головний момент компенсації радіального навантаження, рівний по величині й протилежний за знаком головному моменту внутрішніх і зовнішніх радіальних збурень.

Спосіб стабілізації осьового положення площини планшайби суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори включає наступну послідовність дій:

1. Установлюється початковий (середній) тиск на виходах регуляторів тиску 10 компенсаторів 26 і 27 осьового зсуву вала (рис. 2) аеростатичної шпиндельної опори.

2. На фіксованих рівнодискретних кутах повороту вала визначаються й ухвалюються в якості опорних сигнали керування , , ,…, на секції 12 п'єзодвигунів регуляторів тиску для компенсації осьового зсуву вала через похибки розмірів і форми виготовлення осьової аеростатичної опори.

3. Для компенсації осьової температурної деформації вала будується функціональна залежність між величиною сигналів керування на секції 11 п'єзодвигунів регуляторів тиску й величиною осьового зсуву вала.

4. Стабілізується осьове положення вала аеростатичної шпиндельної опори шляхом установки на дискретах кута повороту вала під датчиком величини регульованого зазору величин зазорів , рівних величині зазору , відповідного до осьового положення вала, прийнятого в якості незміщеного.

Пристрій автоматичного керування осьовим положенням площини планшайби аеростатичної шпиндельної опори призначений для компенсації внутрішніх і зовнішніх осьових збурень на вал опори, а також для компенсації осьової температурної деформації вала цієї опори.

Сигнали датчика 30 величини регульованого зазору, датчика 32 величини контрольного зазору й датчика 34 величини зазору корекції вимірювачем 37 величини регульованого зазору, вимірювачем 38 величини контрольного зазору й вимірювачем 36 величини зазору корекції перетворюються в напруги, відповідні до величин цих зазорів (рис. 4). У якості вимірювачів величин зазорів використовуються вимірювачі мікропереміщень, похибка вимірювання яких у діапазоні 10-30 мкм не перевищує 0.01-0.03 мкм.

Напруги з виходів вимірювачів контрольного зазору й зазору корекції надходять в обчислювач 44. Напруга з виходу вимірювача величини регульованого зазору надходить в обчислювач через перемикач 45.

Обчислювач являє собою ЕОМ, оснащену модулем уводу-виводу для обміну інформацією із зовнішніми функціональними елементами, й виконує такі функції:

знімання, перетворення в цифрову й відображення інформації вимірювачів величин зазорів;

формування опорних сигналів керування на секції компенсації постійних і повільно мінливих осьових навантажень;

розрахунок величини осьової температурної деформації вала опори;

корекцію величини регульованого зазору на величину цієї деформації й перерахування величин опорних сигналів керування.

З виходу обчислювача (першого) напруги опорних сигналів керування надходять на інвертуючий вхід операційного підсилювача 46 і прямий вхід операційного підсилювача 47, а з їхніх виходів через вимикачі 48 (рис. 5) на секції 12 п'єзоелектричних двигунів.

З другого виходу обчислювача напруга, що відповідає поточній опорній величині регульованого зазору, надходить на перший вхід диференціального підсилювача 49 сигналу неузгодженості. На другий вхід цього підсилювача через ключ 50 надходить напруга з вимірювача величини регульованого зазору. Відкривається ключ 50 напругою, що надходить з третього виходу обчислювача.

Рис. 5. Функціональна схема пристрою стабілізації осьового положення

Напруги з виходів диференціального підсилювача надходять на входи підсилювачів 51 і 52 сигналу неузгодженості, а з їхніх виходів через вимикачі 53 - на секції 11 компенсації постійних і повільно мінливих осьових навантажень п'єзоелектричних двигунів компенсаторів осьового навантаження; 54 - датчик кута повороту вала опори, у якості якого може використовуватися обертовий трансформатор. 55 - вимірювач кута повороту. Код кута повороту з виходу датчика постійно надходить на вхід обчислювача.

У третьому розділі дисертації розглядаються спосіб і інформаційно-керований пристрій стабілізації рухомого вузла аеростатичної лінійної напрямної, яка призначена для лінійного переміщення елементів формоутворювальної системи верстатів, інструмента й оброблюваних деталей зі зсувом щодо площини стабілізації, що не перевищує 0,03 мкм.

Рис.6. Загальний вид прецизійної аеростатичної напрямної

Аеростатична напрямна (рис. 6) включає основу 1, що представляє собою балку прямокутного, по якій переміщається рухомий вузол 3. Верхня й нижня стінки рухомого вузла з відповідними гранями основи утворюють дві несучі плоскі аеростатичні опори. Бічні стінки рухомого вузла також утворюють з бічними гранями основи плоскі аеростатичні опори. Переміщення рухомого вузла здійснюється кроковим п'єзоелектричним двигуном 2, оснащеним вимірювачем кроку мікропереміщення й інваріантним до траєкторії переміщення рухомого вузла. П'єзоелектричний двигун включає штовхач прямого ходу 4, штовхач зворотного ходу 5, а також пристрій 6 керування штовхачами. Штовхачі забезпечують переміщення рухомого вузла в прямому й зворотному напрямках відповідно. Одне плече кожного штовхача із вбудованим в нього п'єзостолбом 7 прикріплене до рухомого вузла, а інше, у торець якого вбудований датчик 8 мікропереміщення, установлене із зазором щодо рухомого вузла.

Пристрій керування штовхачами забезпечує крокове переміщення рухомого вузла з вимірюваною й регульованою величиною кроку мікропереміщення в прямому й зворотному напрямках. Величина m(j) j-го кроку мікропереміщення рухомого вузла обчислюється як різниця величин зазорів під датчиком 8 величини кроку мікропереміщення рухомого вузла після закінчення й до початку його переміщення

.

На верхній стінці рухомого вузла (рис. 6) симетрично щодо його сторін установлені блоки датчиків величин зазорів 8, 9, 10. У кожному блоці датчиків установлені перший, другий і третій датчики величини зазору між основами датчиків і верхньою гранню основи напрямної. Датчики встановлені по вершинах рівностороннього трикутника на тих самих (мінімальних) відстанях у кожному блоці датчиків. Відстані між центрами підстав першого й другого блоку датчиків прийняті в якості великої дискрети стабілізації положення рухомого вузла. Відстані між центрами основ першого й третього, третього й другого датчиків по напрямку переміщення рухомого вузла дорівнюють половині сторони рівностороннього трикутника й прийняті в якості малої дискрети стабілізації .

На верхній стінці рухомого вузла симетрично щодо блоків датчиків установлюються аеростатичні регулятори рухомого вузла 15, 16, 17 (регулятори тиску в газовому шарі несучої плоскої аеростатичної опори). Ці регулятори додатково можуть установлюватися й на нижній стінці рухомого вузла. У цьому випадку вони встановлюються попарно напроти один одного по вертикальних осях симетрії. У корпусі 18 регулятора розміщений п'єзоелектричний двигун 19 із установленої на ньому регулювальною голкою 20 для зміни площі поперечного перерізу каналу 21 жиклера 22 подачі газу в зазор несучої плоскої аеростатичної опори. П'єзостовп установлено в регулювальному гвинті 23 і ізольовано від нього ізолятором 24. Регулювальним гвинтом встановлюється початкова величина площі поперечного перерізу каналу жиклера. Пружина 25 утримує п'єзостовпа у регулювальному гвинті й ущільнює шви між дисками п'єзостовпа.

Аеростатичні регулятори положення рухомого вузла забезпечують зміни від-носного тиску на виході каналу жиклера від критичного до

Силове замикання рухомого вузла в напрямку, перпендикулярному напрямку переміщення, здійснюється двома плоскими аеростатичними опорами, утвореними бічними стінками 26 рухомого вузла (рис. 6), у яких виконані жиклери подачі газу, і бічними гранями основи напрямної.

Рис.7. Стабілізація положення рухомого вузла прецизійної аеростатичної напрямної по способу опорних зазорів

Спосіб стабілізації положення рухомого вузла лінійної напрямної щодо нерухомої в просторі площини полягає в наступному. Нехай блоки датчиків на верхній стінці рухомого вузла встановлені так, що центри основ датчиків і , і , і першого, другого й третього блоків датчиків (рис. 7) лежать на паралельних прямих. Змістимо рухомий вузол по основі напрямної у вихідне для переміщення положення. Подамо на п'єзоелектричні двигуни регуляторів положення рухомого вузла такі напруги початкових значень сигналів інформаційного керування , , що під першими датчиками встановлюються задані величини зазорів.

Площину Q (рис. 7), паралельну прямим, що проходять через центри основ датчиків при поданих початкових сигналах керування, і розташовану на довільній відстані від основ датчиків, приймемо в якості площини стабілізації або базової. Положення рухомого вузла у вихідному для переміщення положенні й при поданих на регулятори положення початкових сигналах керування, яке він займає щодо базової площини Q, приймається в якості його незбуреного положення щодо цієї нерухомої в просторі площини.

Для збереження в процесі переміщення рухомого вузла сталості відстаней від центрів основ датчиків блоків датчиків до базової площини Q застосуємо спосіб опорних зазорів, який полягає в наступному.

При незбуреному положенні рухомого вузла щодо базової площини виміряються й запам'ятовуються в якості опорних величини зазорів під першими датчиками , , кожної групи датчиків

(6)

для установки рухомого вузла в незбурене положення на першій дискреті стабілізації. Рухомий вузол зміщається з початкового положення на величину дискрети стабілізації . В результаті другі датчики кожної групи датчиків розташовуються над тими ж точками основи напрямної, над якими розташовувалися перші датчики в початковому положенні рухомого вузла. Тому що центри основ перших та других датчиків кожної групи датчиків розташовані на паралельних прямих, умовою збереження положення рухомого вузла щодо базової площини Q незалежно від рельєфу поверхні основи є рівність величин зазорів під другими датчиками після переміщення рухомого вузла на дискрету стабілізації величинам відповідних опорних зазорів

(7)



Подачею сигналів управління , на регулятори положення несучої плоскої опори на першій дискреті стабілізації під другими датчиками величин зазорів встановлюють величини зазорів, рівні опорним зазорам згідно (7). У результаті рухомий вузол буде встановлений у незбурене положення щодо площини Q.

Вимірюються й запам'ятовуються в якості опорних зазори під першими датчиками для установки рухомого вузла в незбурене положення на другій дискреті стабілізації

.

Ці установки й вимірювання виконуються на кожній дискреті стабілізації до переміщення рухомого вузла в кінцеве положення.

В результаті буде сформований масив опорних зазорів, що забезпечує на дискретах стабілізації встановлення рухомого вузла в незбурене положення. В процесі роботи на кожній дискреті стабілізації поточні величини зазорів під першими датчиками кожного блоку датчиків порівнюються з відповідними величинами опорних зазорів для даної дискрети стабілізації. При відхиленні поточних величин зазорів від відповідних опорних зазорів формуються сигнали управління , що запобігають зсуви рухомого вузла щодо базової площини Q.

Пристрій стабілізації рухомого вузла аеростатичної лінійної напрямної наведений на рис. 8.



Рис.8. Функціональна схема пристрою стабілізації положення рухомого вузла прецизійної аеростатичної напрямної

У четвертому розділі дисертації описаний алгоритм побудови й корекції переміщення вершини різця за розрахованою траєкторією. Цей алгоритм розглядається на прикладі точіння сферичної дзеркальної поверхні радіуса з радіусом кола розкриття дзеркала й включає наступну послідовність дій.

1. Вершина різця по координаті Х встановлюється в кінцеву точку розрахованої траєкторії. У розглянутому прикладі кінцева точка розрахункової траєкторії вершини різця лежить на осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори.

2. У пристрої керування штовхачами встановлюється величина кроку мікропереміщення , з яким різець буде переміщатися з кінцевого в початкове положення на величину радіуса розкриття дзеркала , - координата Х осі обертання вала в системі координат XOY (рис. 9), .

3. Дискретно із установленою величиною кроку мікропереміщення вершину різця переміщають із кінцевого в початкове положення на відстань . У процесі переміщення вершини різця в початкове положення в моменти часу початку й закінчення кожного j-го кроку мікропереміщення рухомого вузла вимірюються початкове й кінцеве значення зазору під датчиком 24 (рис. 10) величини кроку мікропереміщення, розраховується величина переміщення вершини різця за j кроків мікропереміщень:

(8)

де - оцінка лінійним дискретним фільтром Калмана величини переміщення вершини різця за (j-1) кроків мікропереміщень.

Одержують оцінку величини результуючого переміщення вершини різця по координаті Х тим же лінійним дискретним фільтром Калмана.

Рис.9. До алгоритму переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії



Рис.10. Різальна голівка двокоординатного суперпрецизійного верстата

Обчислюється асимптотично незміщена оцінка початкової величини зазору на j-му кроці мікропереміщення

. (9)

У моменти часу закінчення кожного j-го кроку мікропереміщення n раз вимірюється кінцева величина зазору мікропереміщення рухомого вузла й обчислюється асимптотично незміщена оцінка кінцевої величини цього зазору

. (10)

Тоді оцінка величини j-го кроку мікропереміщення вершини різця по координаті Х може бути представлена у вигляді

, (11)

а величина переміщення вершини різця по координаті Х за j кроків мікропереміщень

. (12)

Одержують оцінку величини результуючого переміщення вершини різця по координаті Х лінійним дискретним фільтром Калмана.

4. Обчислюється різниця . Якщо , величину (j+1)-го кроку мікропереміщення встановлюють рівною . Переміщують рухомий вузол на і встановлюють вершину різця по координаті Х у початкову точку розрахованої траєкторії.

5. Для кожного дискретного положення вершини різця по координаті Х щодо початкової точки розрахованої траєкторії розраховується координата

j = 1, 2, 3, …., (13)

а для кожного дискретного значення координати вершини різця розраховується відповідна їй координата , що належить сферичній в даному прикладі поверхні j = 1, 2, 3, …

6. Розраховуються й запам'ятовуються прирости координати Y вершини різця на кожному j-му кроці її мікропереміщення по координаті Х, які реалізуються розробленою різцевою голівкою (рис. 10)

, j = 1, 2, 3, … (14)



7. Задається величина інтервалу корекції похибки положення вершини різця на розрахованій траєкторії по координаті Y.

8. Пристроєм переміщення різця по координаті Y встановлюється глибина різання оптичної поверхні, що еквівалентно встановленню вершини різця в початкову точку розрахованій траєкторії переміщення.

9. По сигналу початку точіння n раз вимірюються початкові значення контрольного зазору і величина зазору приросту пристрою переміщення вершини різця по координаті Y. По цих вимірах розраховуються асимптотично незміщені оцінки величин зазорів приростів

. (15)

10. Дискретно з кроком мікропереміщення m вершину різця переміщають по координаті Х. З випередженням у часі відносно початку кожного кроку мікропереміщення по номеру j кроку мікропереміщення з масиву приростів координати Y вершини різця зчитується код величини приросту координати Y вершини різця на j-му кроці мікропереміщення. Протягом інтервалу часу ( - відрізок часу, за який рухомий вузол переміщається на крок мікропереміщення m і рівний, наприклад, періоду обороту вала шпиндельної опори) координата Y вершини різця збільшується на розрахункове значення приросту цієї координати на j-му кроці мікро переміщення.

11. Для підвищення точності відпрацьовування приросту координати Y підвищується відношення сигнал/шум на виході пристрою переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії по координаті Y.

12. В моменти закінчення кожного j-го кроку мікропереміщення фіксується положення вершини різця на траєкторії переміщення, знімається сигнал з п'єзоелементу переміщення рухомого елементу різальної голівки й відновлюється початкова величина зазору приростів .

13. У процесі точіння після переміщення вершини різця з початкового положення на величину q=1 інтервалу корекції за j=r кроків мікропереміщень розраховується величина корекції положення вершини різця на (r+1)-му кроці мікропереміщення.

14. Корегують величину приросту на j=(r+1)-му кроці мікропереміщення вершини різця, зчитану з масиву приростів обчислювача по номеру j=r+1,

. (16)

У процесі точіння після закінчення r-го кроку мікропереміщення вершини різця по координаті Х на кожному q-му інтервалі корекції оцінюється величина її переміщення по координаті Х за qr кроків мікропереміщень дискретним фільтром Калмана. Розраховується координата Y вершини різця після її переміщення з початкового положення на q інтервалів корекції

(17)

і величина еталонного приросту координати Y вершини різця на q-му інтервалі корекції

. (18)



Також, як і на першому інтервалі корекції, при переміщенні вершини різця по q-му інтервалу корекції в моменти часу початку та закінчення j-го кроку мікропереміщення ( ) n раз вимірюється початкова та кінцева величини і зазору приростів, розраховується величина приросту координати Y на j-му кроці мікропереміщення:

, , (19)

і розраховується величина приросту координати Y вершини різця на q-му інтервалі корекції за r кроків мікропереміщення .

Функціональна схема пристрою переміщення вершини різця за розрахунковою траєкторією наведена на рис.11.



Рис. 11. Функціональна схема пристрою переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії



Пристрій переміщення вершини різця по розрахованою траєкторією виконує такі дії:

реалізує інформаційну технологію обробки особливо точних поверхонь зі встановленою величиною кроку мікропереміщення вершини різця по координаті Х розрахункової траєкторії і синхронне з ним переміщення вершини різця по координаті Y розрахункової траєкторії на величину приросту цієї координати на кожному кроці мікропереміщення по координаті Х;

вимір і оцінку величини поточного переміщення вершини різця за складовими траєкторії переміщення;

визначення на інтервалах корекції величини відхилення переміщення вершини різця від розрахункової траєкторії і корекцію її положення на траєкторії переміщення.



ВИСНОВКИ

Основні результати дисертаційної роботи такі:

1. Створена математична модель вихідної точності двокоординатного суперпрецизійного верстата алмазного мікроточіння.

2. Розроблено спосіб вимірювання координат осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори, а також алгоритм відбору й оцінки координат осі обертання вала цієї опори.

3. Розроблений інформаційно-керований пристрій стабілізації радіального положення осі обертання вала суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори і високоточного балансування вала цієї опори.

4. Розроблені спосіб і інформаційно-керований пристрій стабілізації осьового положення площини планшайби суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори.

5. Розроблений спосіб виміру осьової складової сили точіння для забезпечення мінімального ущільнення металооптичної дзеркальної поверхні.

6. Розроблені спосіб і пристрій стабілізації положення рухомого вузла суперпрецизійної аеростатичної напрямної. Розглянуті способи підвищення точності стабілізації положення рухомого вузла шляхом дробіння основної дискрети стабілізації, а також шляхом апроксимації рельєфу площини основи аеростатичної напрямної на малих дискретах стабілізації прямими і формування масивів величин опорних зазорів до цих прямих, що дозволяє виконати стабілізацію положення рухомого вузла з високою точністю без збільшення кількості датчиків у блоках датчиків, і понизити вимоги до точності виготовлення основи напрямної

7. Розроблена різцева голівка суперпрецизійного двокоординатного верстата, що забезпечує вимір величини температурної деформації рухомого елемента цієї голівки, вимір приросту координати Y вершини різця на дискреті переміщення і корекцію цього приросту на величину температурної деформації рухомого елемента.

8. Створений інформаційний алгоритм переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії і корекції її положення зі встановленим інтервалом.

9. Розроблені пристрій переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії і технологія точіння особливо точних елементів оптики і механіки на суперпрецизійному двокоординатному верстаті на прикладі точіння сферичної дзеркальної поверхні.

10. Комплекс проведених теоретичних і конструкторських розробок й досліджень, виконаних здобувачем, дозволили підвищити точність обробки виробів оптики й механіки до 0,03 мкм. Автоматичні лінії з використанням верстатів з ЧПУ забезпечують точність 4мкм, яка з часом їх експлуатації може знижуватися до 20 мкм.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Левін І.О. Математична модель вихідної точності двокоординатного верстата алмазного мікроточіння, оснащеного системами автоматичного керування елементами формоутворення / І.О. Левін // Науково-технічна інформація. - № 3(45), 2010. - С. 49-55.

2. Левін І.О. Спосіб і пристрій автоматичного керування осьовим положенням вала суперпрецизійної шпиндельної опори / І.О. Левін // Науково-технічна інформація. - № 4(46), 2010. - С. 56-61.

3. Тарасов В.О. Технологія і автоматизація способу вимірювання координат осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори / В.О.Тарасов, І.О. Левін // Науково-технічна інформація. - № 1(47), 2011. - С. 53-59.

4. Тарасов В.А. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений. Теория, синтез, эффективность / В.А. Тарасов, Б.М. Герасимов, И.А. Левин, В.А. Корнейчук. - К.: МАКНС, 2007. - 336 с.

5. Тарасов В.О., Левін І.О. Пристрій стабілізації радіального положення осі обертання радіальної аеростатичної опори. Патент України № 57411, бюл. №4/211 від 25.02.2011.

6. Тарасов В.О., Левін І.О. Спосіб стабілізації рухомого вузла суперпрецизійної лінійної напрямної. Патент України, позитивне рішення на видачу патенту по заявці U201009801 від 06.08.2010.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві:

принципи вимірювання координат осі обертання вала аеростатичної шпиндельної опори [3]; система підтримки прийняття рішень АСУ реального часу, алгоритм прийняття рішень про стан комічного апарату, алгоритмічні методи оцінки якості прийняття рішень, застосування імітаційного моделювання для оцінки ефективності СППР [4].



АНОТАЦІЇ

Левін І.О. Математична модель, способи і пристрої інформаційного управління елементами формоутворення суперпрецизійних верстатів приладо- і машинобудування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06. - Інформаційні технології. - Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем, Київ, 2011.

В дисертації розроблені інформаційні технології і інформаційно-керуючі пристрої стабілізації і позиціонування елементів формоутворення суперпрецизій- них верстатів приладо- і машинобудування.

Для вирішення цих задач розроблено математичну модель вихідної точності двокоординатного суперпрецизійного верстата для обгрунтування вимог по точності до кожного елемента його формоутворюючої системи.

Розроблено спосіб вимірювання координат осі обертання вала шпиндельної опори, а на його основі розроблений пристрій стабілізації радіального положення осі обертання вала цієї опори.

На основі інформації про осьові збурюючі діяння і температурну деформацію вала опори розроблено спосіб і інформаційно-керуючий пристрій стабілізації осьового положення площини планшайби суперпрецизійної аеростатичної шпиндельної опори.

Розроблено спосіб і інформаційно-керуючий пристрій вимірювання осьової складової сили різання для забезпечення мінімального ущільнення металооптичної дзеркальної поверхні.

Розроблено спосіб стабілізації положення рухомого вузла суперпрецизійної аеростатичної лінійної напрямної відносно нерухомої у просторі плоскості й конструкцію суперпрецизійної лінійної напрямної з аеростатичними компенсаторами зміщення рухомого вузла. Розглянуто шляхи підвищення точності стабілізації положення рухомого вузла.

Створений алгоритм переміщення вершини різця по разрахунковій траєкторії і корекції її положення по координатах Х і Y з установленим інтервалом корекції. Розроблено інформаційно-керуючий пристрій переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії і технологію точіння особливо точних елементів оптики і механіки на суперпрецизійному двокоординатному верстаті на прикладі точіння сферичної дзеркальної поверхні.

Ключові слова: математична модель, суперпрецизійний верстат, спосіб вимірювання координат осі обертання вала, метод найменших квадратів, фільтр Вінера-Колмогорова, спосіб осьової стабілізації площини планшайби, стабілізація рухомого вузла суперпрецизійної аєростатичної напрямної, лінійний дискретний фільтр Калмана, алгоритм переміщення вершини різця по розрахунковій траєкторії.



Левин И.А. Математическая модель, способы и устройства информационного управления элементами формообразования суперпрецизионных станков приборо- и машиностроения. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06. - Информационные технологии. - Международный научно-учебный центр информационных технологий и систем, Киев, 2011.

В диссертации разработаны информационные технологии и информационно-управляющие устройства стабилизации и позиционирования элементов формообразования суперпрецизионных станков приборо- и машиностроения.

Научная новизна работы заключается в создании математической модели выходной точности двухкоординатного суперпрецизионного станка для обоснования требований по точности к каждому элементу его формообразующей системы.

Разработана методика извлечения информации о параметрах сечения вала и координатах датчиков измерительной системы аэростатической шпиндельной опоры. На основе этой информации разработан способ измерения координат оси вращения вала опоры. Оценка координат оси вращения вала опоры выполнялась по методу наименьших квадратов. Разработаны конструкция суперпрецизионной шпиндельной опоры с компенсаторами радиального смещения вала и устройство стабилизации радиального положения оси вращения вала этой опоры.

На основе информации об осевых возмущающих воздействиях и температурной деформации вала опоры разработан способ и информационно-управляющее устройство стабилизации осевого положения плоскости планшайбы суперпрецизионной аэростатической шпиндельной опоры.

Разработаны способ и информационно-управляющее устройство измерения осевой составляющей силы резания для обеспечения минимального уплотнения металлооптической зеркальной поверхности.

Разработаны способ стабилизации положения подвижного узла суперпрецизионной аэростатической линейной направляющей относительно неподвижной в пространстве плоскости и конструкция суперпрецизионной линейной направляющей с аэростатическими компенсаторами смещения подвижного узла. Способ реализован в разработанном информационно-управляющем устройстве стабилизации положения подвижного узла направляющей. Рассмотрены пути повышения точности стабилизации положения подвижного узла путем дробления основной дискреты стабилизации, а также путем аппроксимации рельефа плоскости основания направляющей на дискретах стабилизации прямыми и формирования корректирующих величин опорных зазоров.

Разработан алгоритм перемещения вершины резца по расчетной траектории и коррекции ее положения по координатам Х и с установленным интервалом перемещения. Для обеспечения перемещения и коррекции траектории перемещения вершины резца по координате разработана резцовая головка суперпрецизионного двухкоординатного станка по этой координате, которая обеспечивает измерение температурной деформации подвижного элемента головки, измерение приращения координаты вершины резца на дискрете перемещения и коррекцию этого приращения на величину температурной деформации подвижного элемента. Разработаны информационно-управляющее устройство перемещения вершины резца по расчетной траектории и технология точения особо точных элементов оптики и механики на суперпрецизионном двухкоординатном станке на примере точения сферической зеркальной поверхности.

Ключевые слова: математическая модель, суперпрецизионный станок, способ измерения координат оси вращения вала, метод наименьших квадратов, фильтр Винера-Колмогорова, способ осевой стабилизации плоскости планшайбы, температурная деформация, стабилизация подвижного узла суперпрецизионной аэростатической направляющей, линейный дискретный фильтр Калмана, алгоритм перемещения вершины резца по расчетной траектории.

...