Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Алгоритм и средства модернизации системы управления координатно-измерительной машины

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Григораш О.В.

Казань 2010

Работа выполнена на кафедре Радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ильин Герман Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корнилов Владимир Юрьевич, профессор кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов КГЭУ;

доктор технических наук, профессор Песошин Валерий Андреевич, зав. кафедрой Компьютерных систем КГТУ им. А.Н. Туполева, заслуженный деятель науки РФ и РТ

Ведущая организация: ОАО «ОКБ «Сокол», г. Казань

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Координатно-измерительные машины (КИМ) - высокотехнологичные средства контроля линейно-угловых размеров объектов, широко применяемые в различных отраслях производства: автомобилестроении, авиакосмическом, ядерно-энергетическом машиностроении и т.д. КИМ предназначены для измерения и контроля геометрии разнообразных изделий как в лабораторных, так и в цеховых условиях в ручном и автоматическом режимах, включая режим самообучения. КИМ характеризуются высоким быстродействием, точностью получаемых результатов, разнообразием выполняемых работ. Они позволяют не только производить замеры, но также и размечать заготовки детали с целью её последующей обработки; решать задачу обратного инжиниринга - по существующей детали строить её модель.

КИМ можно разделить на базовую часть, содержащую узлы координатных перемещений, измерительные преобразователи, и систему управления, предназначенную для управления процессом измерения, обработки и представления данных измерения. Оценка технического состояния КИМ как сложной системы включает в себя множество технических параметров. Полный их учет зачастую не представляется возможным вследствие ограниченной информации об объекте модернизации. Поэтому возникает задача выбора критериев модернизации и разработки алгоритма модернизации системы управления КИМ.

Системы числового программного управления КИМ позволяют уже сейчас осуществлять высокие скорости измерений; в свете этого узким местом КИМ является инерционность и невысокая точность измерительных головок (ИГ) на высоких скоростях измерения. Решением этой задачи в настоящее время может быть замещение принятых принципов построения измерительных головок иными принципами, разработанными в соответствии с новейшими достижениями науки и техники и разработка измерительной головки на их основе.

Объектом исследования является система числового программного управления координатно-измерительной машиной типа «Альфа».

Предметом исследования является теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования системы числового программного управления координатно-измерительной машины «Альфа».

Целью работы является проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических решений по процессу модернизации системы управления координатно-измерительной машиной типа «Альфа» в условиях длительной эксплуатации.

Задачей исследования является разработка алгоритмов и средств модернизации системы управления координатно-измерительной машины, находившейся длительное время в эксплуатации с решением следующих вопросов:

- системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин;

- выбор критериев модернизации существующей КИМ, и построение алгоритма модернизации координатно-измерительной машины;

- разработка алгоритма, позволяющего проводить формирование вариантов модернизации системы управления КИМ «Альфа». Оценка эффективности модернизации КИМ;

- повышение точности и быстродействия первичных измерительных преобразователей КИМ.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы системного анализа (общая теория, системология), комбинаторного анализа, теории множеств, теории надёжности, теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием системного анализа как основополагающего метода научного исследования, корректностью применения хорошо апробированного аппарата теории вероятностей и математической статистики, публикациями основных положений работы, а также внедрением результатов работы. координатный измерительный машина лазерный

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- проведён системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин, выявивший степень отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ;

- по результатам статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет выявлены особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ;

- предложен алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода, а также проведена оценка эффективности модернизации системы управления КИМ «Альфа».

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке алгоритма модернизации координатно-измерительных машин с числовым программным управлением, позволяющего осуществлять научно обоснованное решение о модернизации КИМ, формировать варианты модернизации, а также производить оценку эффективности выбранного варианта модернизации КИМ;

- в разработке микропроцессорной системы управления, алгоритмов её функционирования и её интеграции в структуру КИМ;

- в разработке трёхкоординатного измерителя микроперемещений объекта, обладающего повышенной точностью и быстродействием.

На защиту выносятся:

- результаты системного анализа состояния и развития координатно-измерительных машин, выявившего степень отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ;

- результаты статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет, позволившие выявить особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ;

- алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода, а также проведенная оценка эффективности модернизации системы управления КИМ «Альфа»;

- разработанная и внедренная микропроцессорная система управления КИМ, а также предложенная конструкция трехкоординатного измерителя микроперемещений объекта.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006г); на V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2006г); на XIV Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2006г); на XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань, 2007г); на Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г.Казань, 2007г); на VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г.Казань, 2007г); на XV Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2007г); на XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»(г. Казань 2008г); на IV Международной научно-практической конференции «АКТО-2008» (г. Казань, 2008г); на VII научно технической конференции «Молодёжь в науке», РФЯЦ-ВНИИЭФ (г.Саров, 2008г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе свидетельство на полезную модель, патент на изобретение, две статьи: в центральном специализированном журнале «Измерительная техника», в журнале «Вестник КГТУ им.А.Н. Туполева».

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 115 наименований. Основная часть диссертации изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, охарактеризовано состояние вопроса, определены цель, задачи и методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.

В первой главе с целью постановки задачи анализируется процесс модернизации координатно-измерительных машин, различного металлообрабатывающего оборудования, состояние и перспективы развития систем числового программного управления данным оборудованием; рассмотрены методы оптимизации технических систем, тенденции развития первичных измерительных преобразователей, используемых на координатных измерительных машинах.

Модернизация (франц. modernisation, от moderne - новейший, современный), изменение в соответствии с новейшими, современными требованиями и нормами, например, модернизация (обновление) технического оборудования, производственного процесса и т.п. Операция модернизации предполагает изменение свойств объекта в сторону улучшения этих свойств с последующим анализом их воздействия на интегральные характеристики объекта. Свойства, а, следовательно, и качество техники не остаются неизменными во времени. Изменение свойств техники является следствием динамического процесса её создания, а эти изменения обусловлены естественным ухудшением её свойств в процессе эксплуатации. Изменяющиеся общественные потребности, обусловленные научно-техническим прогрессом и повышением требований к качеству новой техники, вызывают моральное старение техники, т.е. снижение её качества по отношению к современному (достигнутому) уровню. Как видно, модернизация оборудования представляет собой многоплановый процесс. Соответственно, чтобы эффективно производить модернизацию, необходимо выработать общий подход к модернизации сложных технических систем, находившихся в эксплуатации.

Одной из важных проблем, над решением которой работают производители станков с ЧПУ, является проблема повышения их надёжности, и в первую очередь, систем управления.

Моральное старение устройств ЧПУ наступает быстрее, чем самих станков. Практически устройства ЧПУ претерпевают существенные изменения каждые 3 - 4 года, в то время как конструкции станков за это время лишь незначительно модифицируются, и сроки их морального старения в 2 - 2,5 раза больше. Соответственно, возникает задача проведения системного анализа состояния и развития координатно-измерительных машин, для выявления степени отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ. Объект исследования КИМ «Альфа» имеет систему числового программного управления 2-го поколения, которая состоит из элементов малой и средней степени интеграции с весьма низкими параметрами (на сегодняшний день) быстродействия, надёжности, массогабаритным характеристикам. А так как число этих элементов достаточно велико, надёжность всей системы ЧПУ не остаётся неизменной. Соответственно, число простоев системы из-за устранения неисправностей остаётся значительным, а с течением времени ещё и возрастает. Для восстановления работоспособности данной системы необходимы запасные элементы и принадлежности, которые зачастую уже сняты с производства (особенно ИМС малой степени интеграции). Всё это порождает задачу анализа надёжности системы в период её длительной эксплуатации с ответом на вопрос: какие блоки остаются достаточно надёжными в течение всего срока эксплуатации системы. Как следствие, актуальна задача разработки системы ЧПУ, в состав которой входили бы современные доступные компоненты, и которая удовлетворяла бы требованиям надёжности.

Указывается, что необходимо разработать метод оценки эффективности модернизации системы, который бы позволял выявить наилучший вариант модернизации системы (или несколько вариантов), используя в качестве входных данных один из критериев, заранее выбранный как базовый в модернизации данной системы.

Появление измерительных головок тесно связано с появлением координатно-измерительных машин. Функциональные показатели и конструкция устройства взаимодействия с измеряемой поверхностью в значительной мере определяют точность измерений и метрологические возможности КИМ, оказывают существенное влияние на выбор структуры КИМ, её системы управления и непосредственно влияют на уровень автоматизации измерительной машины. Системы числового программного управления КИМ позволяют уже сейчас осуществлять высокие скорости измерений; в свете этого узким местом координатно-измерительных машин является инерционность и невысокая точность измерительных головок, особенно на высоких скоростях измерения. Решением этой задачи в настоящее время может быть замещение принятых принципов построения измерительных головок иными принципами, разработанными в соответствии с новейшими достижениями науки и техники.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма и математической модели модернизации КИМ. Приводятся сопоставительная оценка и морфологическое описание координатно-измерительных машин. Рассматриваются различные компоновки КИМ, производится системный анализ исследуемой машины и современных машин. Результаты системного анализа говорят о том, что конструкция машины не претерпела серьёзных изменений, принципы компоновки, применявшиеся ранее при разработке машин, используются и сегодня. Мостовая компоновка по-прежнему остаётся наилучшей для машин данного класса. Существенным изменениям в процессе развития КИМ подверглись системы управления КИМ по ряду параметров: быстродействию, надёжности, компактности, выполняемым функциям.

Модернизация системы производится в условиях ограниченного финансирования. Поэтому в качестве целевой функции задачи модернизации системы предлагается минимизировать суммарную стоимость включенных в её состав компонентов (1) при сохранении или улучшении основных характеристик системы с учетом выбранного критерия (или критериев) модернизации.

 (1)

где - стоимость ЭВМ; - стоимость ЦПУ; - стоимость УВП; - стоимость БУЭМ; - стоимость БлЭ; - стоимость ФИП; - стоимость ПУ; - стоимость БлИ. Переменные x_i, x_j, x_k, x_l, x_m, x_n, x_q, x_f - определяют выбор конкретных компонентов системы и в данном выражении имеют следующий смысл (на примере одной переменной):

(2)

Модернизация системы предполагает также повышение надёжности элементов, входящих в её состав. При условии повышения надёжности самого малонадёжного элемента системы данный критерий запишется как:

где w₁, w₂, w₃, w₄, w₅, w₆, w₇, w₈ - время наработки на отказ выбранных компонентов системы. Так, например, при анализе системы могут рассматриваться абсолютно все блоки, тогда все переменные (2) примут значение, равное единице.

Разработан алгоритм модернизации сложной технической системы Модернизация технической системы по алгоритму (рис.1) проходит семь этапов:

I этап наступает, когда техническая система перестаёт соответствовать требованиям потребителя.

II этап заключается в определении потребителем (в общем случае, лицом, проводящим модернизацию) параметров несоответсвия. Т.е. определяются параметры, характеристики системы, которые перестали соответствовать требованиям потребителя. Здесь же производится анализ и сравнение модернизируемого образца с образцами, предлагаемыми промышленностью на момент модернизации, т.е. современными. Определяется степень отличия систем и вектор, определяющий ход модернизации.

III этап. Производится разработка мероприятий, нацеленных на устранение несоответствия системой требованиям потребителя.

IV этап. При разработке нескольких вариантов модернизации производится выбор конкретного варианта.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

V этап заключается в согласовании предполагаемых результатов модернизации с потребителем и, если они его устраивают, то переходят к

VI этапу - реализации принятого варианта модернизации.

Если же модернизация системы до соответствия требованиям потребителя невозможна или нецелесообразна, то техническую систему заменяют альтернативной.

Модернизация системы предполагает выбор компонентов (узлов и блоков), из которых будет состоять модернизируемая система. В данной главе сформулированы условия, которым должен удовлетворять тот или иной блок.

К основным параметрам технической системы можно отнести такие как энергопотребление, точность (или погрешность измерений), быстродействие (максимальная скорость перемещений подвижных узлов), разрешающая способность машины, погрешность измерительных головок.

Используемые параметры КИМ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические параметры модернизируемой и современной систем.

№ п/п	Технический параметр системы	Образец до модерни-зации	Совре-менная система	Образец после модерни-зации
1	Энергопотребление, ВА	3500	1740	400
2	Разрешающая способность машины (дискретность отсчёта блока цифровой индикации), мм	0,010	0,001	0,010
3	Погрешность машины (систематическая составляющая), мм	0,015	0,010	0,015
4	Максимальная погрешность измерения, мкм	80,0	60,0	80,0
5	Погрешность измерительных головок, мкм	2,500	1,000	2,500
6	Объём блока управления, м3	4,000	0,145	0,003
7	Максимальная скорость перемещения, м/мин	20,0	26,0	20,0
8	Среднее время безотказной работы,ч	410	н.д.	94000

Таким образом, по данным, представленным в таблице 1 установлено, что по максимальной погрешности измерения и систематической погрешности модернизируемый образец приближается к современной КИМ, однако по энергопотреблению, объёму блока управления модернизируемый образец уступает ей.

Коэффициенты подобия параметров модернизируемой и современной систем определяются как отношение соответствующего параметра модернизируемой системы к современной, если возрастание параметра является его улучшением:

Если улучшением параметра является его уменьшение (энергопотребление, погрешность измерительных головок, разрешающая способность машины), то коэффициенты подобия таких параметров двух систем определяются как отношение соответствующего параметра современной системы к модернизируемой. Таким же образом определяются коэффициенты изменения параметров системы управления КИМ до модернизации и после.

На основании данных, приведённых в таблице 1, выведем общий коэффициент подобия модернизируемой системы современной системе того же класса по формуле (за исключением времени безотказной работы - ввиду отсутствия данных по современной системе):

Отсюда следует, что немодернизированная система соответствует современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,460. На основании данных, приведённых в таблице 1, установлено, что по энергопотреблению, объёму блока управления и среднему времени безотказной работы КИМ с модернизированной системой управления существенно отличается от КИМ с прежней системой управления.

Также на основании данных, представленных в таблице 1, выведем общий коэффициент подобия модернизированной системы современной системе. При этом коэффициенты изменения параметров системы, существенно большие единицы, условимся считать равными единице, как достигшие уровня современных систем. Коэффициент подобия модернизированной системы современной системе:

Таким образом, модернизированная система соответствует современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,711.

Третья глава посвящена модернизации системы управления КИМ «Альфа». В процессе длительной эксплуатации сложной технической системы возникают отказы системы, представляющие отказы каких-либо блоков. При этом надёжность (вероятность безотказной работы) всей системы (без резервирования) является функцией от надёжности каждого её компонента.

В результате исследования путём непосредственного подсчёта были получены данные о количестве компонентов в каждом блоке системы. В автореферате приведён график интенсивностей отказов по блокам машины (рис.2). Определение характерного периода времени эксплуатации блоков системы является необходимым для оценки технического состояния каждого блока и узла, входящего в систему. В соответствии с рисунком 3 определим окончание характерного периода времени эксплуатации блоков системы (рис.3) как увеличение интенсивности отказов данного блока. Под интенсивностью отказов восстанавливаемой системы, состоящей из разнородных по надёжности элементов понимается количество отказов системы в единицу времени.

Рис.2. График интенсивностей отказов по блокам машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для каждого момента времени эксплуатации системы характерно то, что вероятность выхода из строя i-го элемента системы постоянна и при этом выполняется условие нормировки:

,

где P_i - вероятность выхода из строя i-го блока системы, n - число блоков.

По представленным графикам (рис. 3 и 4) видно, что для каждого блока существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Так, для блока ЭВМ характерным периодом времени его эксплуатации является значение Т_кр=11000 часов работы, для алфавитно-цифрового печатающего устройства - Т_кр=10000 часов работы, для устройства ввода с перфоленты - Т_кр=16000 часов работы. Значения характерного периода времени эксплуатации других блоков лежат дальше и на графике не показаны. С помощью графика рис.4 видно, что с течением времени вклад некоторых блоков (приведённых ниже) в снижение надёжности всей системы в целом начинает возрастать.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

С помощью комбинаторного метода решается задача формирования вариантов модернизации системы. Суть предлагаемого метода состоит в следующем. Используя инструмент теории надёжности систем определяются узлы и блоки, не удовлетворяющие условиям надёжности и рациональности дальнейшей эксплуатации. Вследствие этого, количество блоков, предлагаемых к модернизации, существенно сокращается. На основе определённых показателей надёжности оставшихся блоков каждому блоку присваивается квалиметрический показатель качества. Также определяется из доступных источников стоимость аналогичного нового блока. Полным перебором значений x_i, x_j, x_k, x_l, x_m, x_n, x_q, x_f (кроме блоков, исключённых из анализа) вычисляется текущее значение целевой функции С_S. В результате получено большое количество точек (С_S,Q_S). Совокупность таких точек будем считать множеством достижимости решений задачи. Выбор из построенного множества паретооптимальных решений производится комбинаторным методом.

В результате применения комбинаторного способа формирования вариантов был сформирован неулучшаемый вектор Парето, состоящий из двух вариантов. В соответствии с первым вариантом необходимо модернизировать блок управляющей ЭВМ и блок цифропечатающего устройства. Согласно второму варианту необходимо модернизировать блок управляющей ЭВМ, блок цифропечатающего устройства и блок цифровой индикации. Эти два варианта образуют неулучшаемый вектор Парето. Окончательный выбор принимается на основе дополнительного анализа, который показал, что наиболее эффективным является вариант, предполагающий модернизацию блоков управляющей ЭВМ и цифропечатающего устройства.

На рис. 5 представлена структурная схема системы управления КИМ до модернизации. Штриховыми линиями отмечены блоки, исключенные из структуры КИМ в процессе модернизации. Вследствие того, что блок устройства ввода с перфоленты, блок индикации и блок задания исходных данных морально устарели, они исключены из структуры КИМ наряду с управляющей ЭВМ и блоком АЦПУ.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Известно, что КИМ может работать в двух режимах: в режиме разметки и в режиме измерений. Вновь разрабатываемая управляющая ЭВМ должна выполнять функции прежней, дополнительно сохранять результаты измерений в электронном виде. То есть, ориентируясь на конечные функции КИМ, разработана общая функциональная схема новой управляющей ЭВМ (рис. 6).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Общая функциональная схема управляющей ЭВМ КИМ

Поскольку управление электроприводами создаваемой системой на начальном этапе будет осуществляться через соответствующие блоки, необходимо согласование их физических параметров и алгоритмов управления. Для режима разметки также необходимо наличие интерполятора в структуре ЭВМ. Для режима измерений необходимо наличие алгоритма торможения приводов во избежание поломки рабочего органа машины. Блок управления электроприводами предполагает управление по постоянному току. При переводе работы электроприводов на импульсное управление, блоки управления электроприводами исключаются из структурной схемы КИМ; управление будет осуществляться непосредственно рабочими двигателями. В этом случае схемы согласования управляющей ЭВМ и рабочих двигателей входят в структуру управляющей ЭВМ. Таким образом, алгоритм формирования структуры новой системы управления КИМ состоит из двух этапов. Первый этап заключается в разработке и учете всех функций и функциональных особенностей КИМ и оставшихся блоков, с которыми необходимо стыковать вновь разрабатываемую систему управления. Также разрабатывается программное обеспечение, необходимое для выполнения КИМ возложенных на неё функций. Второй этап состоит в исключении оставшихся блоков (в данном случае - блоков управления электроприводами КИМ) и непосредственным управлением двигателями управляющей ЭВМ, используя внутренние схемы. Таким образом решается задача исключения последних блоков, построенных на старой элементной базе и обладающих наихудшей надёжностью (по сравнению со вновь проектированной системой управления КИМ).

В четвёртой главе описывается интеграция разработанной микропроцессорной системы управления в электронную часть КИМ «Альфа». Описаны алгоритмические и схемотехнические особенности разработанной МПСУ: реализация обратной связи по координате, алгоритм начального позиционирования рабочего органа КИМ; алгоритм отслеживания текущей координаты измерительного органа КИМ; алгоритм торможения рабочего органа машины и соответствующие выкладки. Разработанная МПСУ отличается развитыми возможностями человеко-машинного интерфейса, весьма компактными размерами и энергопотреблением.

Микропроцессорная система управления УУС 50 - 3МИ включает в себя (рис.7): блок питающих напряжений, микропроцессор (МП), жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), клавиатура управления устройством, энергонезависимая Flash-память (CompactFlash) объёмом не менее 32 МБ. Основу устройства УУС 50-3МИ составляет микропроцессор фирмы Atmel ATMega128. Всё управление работой устройства осуществляется программно. Эта программа записана во внутренней памяти микропроцессора. Рабочие программы обработки деталей записываются в сменной Flash-памяти (CompactFlash) в стандарте, принятом для станков с ЧПУ.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1) режим разметки, при котором возможно вычерчивание любой пространственной кривой, используя линейную и круговую интерполяцию;

2) режим измерения, когда по двум координатам пиноль КИМ приходит в точно заданную точку (на соответствующей плоскости, обусловленной заданными координатами), а затем движется по третьей координате до момента касания измерительной головки пиноли с измеряемой поверхностью детали.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интеграция разработанной системы управления в модернизируемую координатно-измерительную машину заключается в определении местоположения разрабатываемой системы управления в существующей КИМ с учётом их физических параметров. Разработанная микропроцессорная система управления интегрируется в систему КИМ (рис.8.).

Управление приводами осуществляется импульсной системой управления, где каждому импульсу соответствует перемещение рабочего органа машины на определённое расстояние, в данном случае - 10 мкм. При этом необходимо, чтобы период следования импульсов управления Т_пр равнялся периоду следования импульсов с фотоэлектрического датчика положения Т_дат. При Т_пр>Т_дат необходимо увеличить частоту следования импульсов управления, в противном случае - уменьшить.

Поскольку привод машины является приводом постоянного тока, скорость подач рабочего органа регулируется уровнем напряжения: чем выше уровень, тем больше скорость перемещений. Для управления скоростью перемещений рабочего органа машины разработана принципиальная схема, в составе которой имеется микропроцессор CPU и два цифро-аналоговых преобразователя DAC 1 и DAC 2, причём DAC 1 исполняет роль источника опорного напряжения для DAC 2. Это сделано с целью упрощения алгоритма синхронизации импульсов. Записывая определённые значения в DAC 1, мы можем влиять на уровень выходного сигнала с DAC 2, который управляет приводом, не меняя самой программы управления.

Работа схемы синхронизации начинается с измерения величин Т_дат, Т_пр. Далее происходит сравнение разности этих величин с е - величиной наибольшей допустимой погрешности отклонения. Если разность |Т_пр - Т_дат| не превышает е, то считаем, что синхронизация импульсов не нужна. Если же разность |Т_пр - Т_дат| превышает е, определяем, какая из величин больше, и определяем управляющее воздействие - соответственно - увеличить опорное напряжение U_ref либо его уменьшить. Далее опять замеряются величины Т_дат, Т_пр, и цикл повторяется до тех пор, пока не придём к выполнению условия |Т_пр - Т_дат|<е. На этом обработчик синхронизации прекращает свою работу.

Также в четвёртой главе описывается трёхкомпонентный лазерный измеритель микроперемещений объекта. В соответствии с классификацией он представляет собой векторную ИГ компонентного типа (рис.9).

Он содержит измерительный наконечник 1, устройство позиционирования 2 измерительного наконечника, призменный отражатель 3, а также три полупроводниковых лазерных диода 4, установленных параллельно друг другу, каждый полупроводниковый лазерный диод оптически связан с призменным отражателем 3, жёстко установленным на шарнирном основании устройства позиционирования 2 измерительного наконечника 1. Ось излучения каждого полупроводникового лазерного диода ориентирована на соответствующую отдельную грань призменного отражателя 3, радиально граням которого установлены светочувствительные элементы 5, например, фототранзисторы. С внешней стороны устройства позиционирования 2 измерительного наконечника закреплён измерительный наконечник 1. Электронный блок обработки сигналов (на рис. не показан) обеспечивает обработку измерительной информации, поступающей со светочувствительных элементов 5. Решаемая разработкой данного измерителя техническая задача (в соответствии с тенденциями развития) - увеличение динамической точности измерений и повышение долговечности конструкции. Оно связано с минимальным набором движущихся механических частей и отсутствием подвижных электрических контактов в конструкции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результатом диссертационных исследований является решение задачи разработки алгоритмов и средств модернизации системы управления координатно-измерительной машины, находившейся длительное время в эксплуатации.

1. Проведён системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин. Показано, что базовая часть, содержащая узлы координатных перемещений, измерительные преобразователи, не претерпела существенных изменений: мостовая компоновка по-прежнему остаётся оптимальной для машин данного класса. Существенным изменениям подверглись элементная база систем ввода-вывода и управления КИМ, а также конструкция первичных измерительных преобразователей КИМ.

2. Показано, что основным при модернизации является сохранение или улучшение основных параметров системы. При этом необходимо учитывать стоимость модернизации, а также производительность и точность модернизируемой КИМ. Отмечено, что снижение производительности труда при работе с КИМ связано с увеличением интенсивности её отказов. Поэтому основное внимание при модернизации следует уделять вопросу повышения надежности систем управления и ввода-вывода КИМ.

3. Установлено, что функция отказов системы управления КИМ не одинакова и имеет различный характер изменения во времени для различных блоков системы. По результатам статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет выявлены особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ. Выявлено, что для блока управляющей ЭВМ характерным периодом эксплуатации является значение Т_кр=11000 часов работы, для алфавитно-цифрового печатающего устройства - Т_кр=10000 часов. Данные блоки существенно ограничивают возможность дальнейшей эксплуатации КИМ.

4. Предложен алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода. Выявлен наилучший вариант модернизации КИМ. Проведена оценка эффективности модернизации КИМ. Установлено, что до модернизации КИМ «Альфа» соответствовала современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,460. В результате модернизации удалось улучшить характеристики машины до значения 0,711 от современного образца.

5. Разработана и интегрирована в структуру КИМ микропроцессорная система управления координатно-измерительной машиной. Разработаны алгоритмы работы микропроцессорной системы управления КИМ.

6. Предложено устройство для измерений момента, модуля и угла касания измерительного органа КИМ с объектом измерения, имеющее повышенную точность и быстродействие. Разработан алгоритм работы электронного блока обработки сигналов, поступающих с трёхкоординатного лазерного измерителя микроперемещений объекта с целью последующего использования в системах обработки и хранения данных.

ПУБЛИКАЦИИ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК

1. Григораш О.В., Ильин Г.И. О модернизации сложных информационно-измерительных систем. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2008. - №4. - С.89 - 92.

2. Григораш О.В., Ильин Г.И. О надёжности координатно-измерительной машины «Альфа».// Измерительная техника. - 2008. - №12. - С.16 - 19.

Патенты

1. Патент на полезную модель № 77417 Российская Федерация, МПК G01B, 11/03. Трехкомпонентный лазерный измеритель микроперемещений объекта./ Григораш О.В.; Патентообладатель: ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева. - №2008118187; заявл. 06.05.2008; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29 - 2с.

2. Патент на изобретение № 2383854 Российская Федерация, МПК G01B, 11/00. Трехкомпонентный лазерный измеритель микроперемещений объекта./ Григораш О.В.; Патентообладатель: ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева. - №2008118123; заявл. 06.05.2008; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7 - 3с.

Публикации в других изданиях

1. Григораш О.В. Основные пути модернизации координатно-измерительной машины типа АЛЬФА // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Материалы XII международной научно-технической конференции. - Москва, МЭИ(ТУ), 2006. - Том III. - С.316 - 318.

2. Григораш О.В., Ильин Г.И. Теория систем применительно к модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// Физика и технические приложения волновых процессов. Материалы V международной научно-технической конференции. - Самара, ПГАТИ, 2006. - С.79 - 81.

3. Григораш О.В. Анализ тенденций развития первичных измерительных преобразователей, используемых на координатных измерительных машинах.// XIV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006. - Том V.1 - С.11 - 12.

4. Григораш О.В. Системный подход к модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// XIV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006. - Том V. - С.13 - 14.

5. Ильин Г.И., Григораш О.В. Реализация оптимального выбора в задаче модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Материалы XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань, КВАКУ им. М.Н. Чистякова, 2007. - С. 328 - 330.

6. Григораш О.В. Методы принятия решений при модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// Информационные технологии в науке, образовании и производстве. Материалы всероссийской научной конференции, посвящённой 75-летию Казанского Государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2007. - С.320 - 322.

7. Григораш О.В., Ильин Г.И. Анализ и коррекция погрешностей координатно-измерительной машины типа «Альфа».// Физика и технические приложения волновых процессов. Труды VI Международной научно-технической конференции. - Казань, 2007. - С.66 - 67.

8. Григораш О.В. Анализ системы управления координатно-измерительной машины «Альфа».// XV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. - С.61 - 63.

9. Ильин Г.И., Григораш О.В. Разработка теории оптимальной модернизации технических систем, находившихся в эксплуатации.// Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Материалы XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань, ВАКУ. 2008. - С.305 - 307.

10. Григораш О.В., Ильин Г.И. Модернизация систем как способ технического перевооружения предприятий на примере координатно-измерительной машины «Альфа»// АКТО-2008. Материалы IV Международной научно-практической конференции. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008.

11. Григораш О.В., Ильин Г.И. К вопросу о модернизации сложных технических систем. // Молодёжь в науке. Материалы VII научно-технической конференции. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2008. - С.80 - 81.

Размещено на Allbest.ru

...